 |
Долгосрочное выживание и различные виды панспермии
|
|
|
|
Многие виды организмов способны выживать в сложных условиях, находясь в состоянии так называемой «отсроченной жизни»: примеры этого — семена растений или споры бактерий. Можно сказать, что перед нами потенциальные формы жизни, сохраняющие одно из двух важнейших качеств полноценной живой системы — способность сохранять информацию. Другое ключевое требование — существование открытых систем, которым эта информация передается, но они не обязаны существовать вечно — им достаточно лишь появляться время от времени.
Возможно, стоит подумать о том, как могли бы организмы приспособиться к межзвездному пространству, преодолев не только «голод» и «жажду», но и низкие температуры, космическую радиацию и огромные временные промежутки. Предположим, пара планет, таких, например, как Марс и Земля, в результате падения метеоритов обмениваются фрагментами материала. Этот обмен может создать давление отбора, благоприятное для микроорганизмов, способных попасть на метеорит и выжить в таком путешествии (ибо «Марс» периодически становится лучшим местом для жизни, чем «земля», и наоборот) — иначе говоря, отбор на способность к космическим путешествиям, включающую и возможность долгосрочной «отключки». Таким путем, возможно, разовьются споры, способные пережить миллионы лет, а затем — в редких случаях «высадки» в подходящем месте — снова «возвращаться к жизни».
Можно вообразить себе некую примитивную панспермию: споры организмов, чья генетическая память и основной механизм управления не органичны, то есть состоят не из органических молекул. Информация, передаваемая (скажем) через последовательность слоев материи, как в слюде, труднее уничтожается космической радиацией. В таком формате может существовать как примитивная, так и весьма высокоразвитая форма жизни. Она может хранить в себе информацию, позволяющую организму «вернуться к жизни», как только он встретится с благоприятными условиями, например «инструкции» по поглощению органических молекул и управлению ими, возможно, призванные сократить начальные стадии эволюции высших форм.
|
|
|
Затем можно задуматься о видах «развитой панспермии», основанной на генетических захватах. Первый ее вид может возникнуть благодаря естественному отбору, связанному с космическими путешествиями в форме спор, возможно, в нем появятся новые, более сложные органические полимеры.
Другую возможность «развитой панспермии» мы находим, не отрываясь от земли. Крик и Орджел, смущенные сложностью представления о нуклеиновой кислоте, возникшей на примитивной земле из «первичного бульона», предложили концепцию «направленной панспермии» [7]. Они объясняют возникновение жизни на земле очень просто: жизнь была занесена сюда пришельцами из космоса. Сами Крик и Орджел относились к этой идее не слишком серьезно; однако она не так уж безумна, если вспомнить, что совсем скоро такими «пришельцами» для других планет сможем стать мы, люди. Мы уже близки к созданию искусственных организмов — реальных организмов, а не просто компьютерных симуляций. Возможно, нам удастся создать жизнь, которая надолго переживет нас самих.
Когда мы подражаем природе, например, создаем машины, которые умеют летать или думать, естественно, что мы используем аналогичные общие принципы, но, как правило, иные материалы. Самолет, приближаясь к земле, выпускает закрылки. Также и лебедь распускает перья на крыльях, но у самолета перьев нет. Полагаю, когда мы перейдем к созданию для каких бы то ни было целей свободно живущих и развивающихся машин, то, скорее всего, материалом для них выберем отнюдь не «молекулы жизни»; в частности, чуждым для нас будет их генетический материал [4].
|
|
|
Заключение и итоги
Основное содержание этой главы посвящено прошлому. Я начал с рассуждения о том, что единство биохимии обусловлено неким сложным «замороженным» инцидентом в начале эволюции; все формы жизни, обитающие сейчас на Земле, обладают единой биохимией, поскольку в начале эволюции их центральные управляющие системы были «зафиксированы» в результате необратимой потери более ранних управляющих систем. Я предположил, что начальные, «низкотехнологичные» системы, не требующие совместной работы множества компонентов, сменились более эффективной «высокотехнологичной», состоящей из сложных взаимозависимых компонентов.
Такая точка зрения естественным путем приводит нас к мысли, что те же механизмы действуют и сейчас. Возможно, и сейчас в различных частях вселенной зарождается новая жизнь. Разные ее формы находятся на различных стадиях эволюции. Среди развитых форм должны встречаться «высокотехнологичные» системы, находящиеся в «замороженном» виде, что повышает их шансы на выживание в далеком будущем. Если же перейти к формам жизни, которые предстоит изобрести человечеству, очевидно, одним из желательных для них качеств является сверхдолголетие, способность существовать в условиях далекого будущего. Все эти идеи основаны на четком различении между «жизнью, какой мы ее знаем», и «жизнью вообще».
Литература
1. Baronnet, A., and Kang, Z. C., "About the Origin of Mica Poly‑types", Phase Transitions, 16/17, 477–93 (1989).
2. Cairns‑Smith, A. G., The Life Puzzle (Toronto University Press, Toronto, 1971), 63–64.
3. Cairns‑Smith, A. G., Genetic Takeover and the Mineral Origins of Life (Cambridge University Press, Cambridge, 1982).
4. Cairns‑Smith, A. G., "The Chemistry of Materials for Artificial Darwinian Systems", Int. Rev. Phys. Chem., 7, 209–50 (1988).
5. Cairns‑Smith, A. G., "The Origin of Life: Clays", in Frontiers of Biology, vol. I, eds. D. Baltimore, R. Dulbecco, F. Jacob, and SR. Levi‑Montalcini (Academic Press, New York, 2001), 169–92.
6. Corliss, J.В., "Hot Springs and the Origin of Life", Nature, 347, 624 (1990).
7. Crick, F., and Orgel, L. E., "Directed Panspermia", Icarus, 19, 341–46 (1973).
8. Frank, F. C., Phil Mag, 42, 1014 (1951).
9. Gesteland, R. F., Cech, T. R., and Atkins, J. F., The RNA World, 2nd ed. (Cold Spring Harbor Press, Cold Spring Harbor, N. Y., 1999).
10. Gilbert, W., "The RNA World", Nature, 319, 618 (1986).
11. Holm, N. G., ed., Marine Hydrothermal Systems and the Origin of Life (Kluwer Academic Publications, Dordrecht, 1992).
|
|
|
12. Kohn, J. A, Eckart, D. W., and Cook, C. F., "Crystallography of the Hexagonal Ferrites", Science, 172, 519–25 (1971).
13. Maurette, M., "The Oklo Reactor", Annual Reviews of Nuclear and Particle Science, 26, 319 (1976). Described in Barrow, J. D., Impossibility: The Limits of Science and the Science of Limits (Oxford University Press, Oxford, 1998), 187.
14. McHardy, W. J., Wilson, M. J., and Tait, J. M., "Electron Microscope and X‑ray Diffraction Studies of Filamentous Illitic Clay from Sandstones of the Magnus Field", Clay Minerals, 17, 23–39 (1982).
15. Schrodinger, Е., What Is Life? (Cambridge University Press, Cambridge, 1944), chapter 4.
16. Shapiro, R., "Prebiotic Ribose Synthesis: A Critical Analysis", Orig. Life Evol Bio., 18, 71–85 (1988).
17. Shapiro, R., "The Pre‑biotic Role of Adenine: A Critical Analysis", Orig. LifeEvol. Bio., 25, 83–98 (1995).
18. Sherrington, C, Man on His Nature (1937 Gifford Lecture; Cambridge University Press, Cambridge, 1940), chapter 3.
19. Siffert, В., "Clay Synthesis: The Role of Organic Complexing Agents", in Clay Minerals and the Origin of Life, eds. A. G. Cairns‑Smith and H. Hartman (Cambridge University Press, Cambridge, 1986), 75–78.
20. Turner, G., Stewart, В., Baird, Т., Peacock, R. D., and Cairns‑Smith, A. G. "Layer Morphology and Growth Mechanisms in Barium Ferrites" J. Cry. Or., 158, 276–83 (1996).
Время без конца
Физика и биология в открытой вселенной [45]
Фримэн Дж. Дайсон
Приведены количественные оценки трех классов феноменов, способных возникнуть в открытой космологической модели фридманновского типа. (1) Нормальные физические процессы, происходящие в течение очень долгих сроков. (2) Биологические процессы, возникающие в результате адаптации жизни к низким температурам в соответствии с постулированным нами законом масштабирования. (3) Радиокоммуникация между формами жизни, существующими в различных частях вселенной. Общее заключение этого анализа — открытую вселенную не обязательно ждет конечное состояние вечного покоя. Если предполагаемые градационные законы масштабирования верны, то жизнь и коммуникация, используя ограниченное количество энергии, могут существовать вечно.
Лекция I. Философия
Год назад Стивен Уэйнберг опубликовал замечательную книгу «Первые три минуты» (Weinberg, 1977); в ней он рассказывает широкой публике о том, каково состояние наших знаний о рождении вселенной. В шестой главе книги он подробно описывает, каким образом на пути наблюдения и изучения вселенной встала робость наших теоретиков:
|
|
|
Такое часто случается в физике: наша ошибка не в том, что мы слишком серьезно относимся к своим теориям, а в том, что не принимаем их всерьез. Нелегко в полной мере осознать, что цифры и уравнения, с которыми мы играем у себя за столом, имеют какое‑то отношение к реальному миру. Хуже того, порой, кажется, возникает какое‑то молчаливое соглашение о том, что определенные феномены просто не годятся для серьезного теоретического и экспериментального изучения. Альфер, Герман и Гамов (1948) заслуживают величайшего уважения прежде всего за то, что вообще решились серьезно рассмотреть вопрос о новорожденной вселенной и попытались понять, какие из известных нам физических законов применимы к первым трем минутам ее существования. Но даже они не сделали последнего шага — не убедили радиоастрономов поискать микроволновый радиационный фон. Самый важный из результатов, достигнутых открытием радиационного фона с температурой 3°К (Пенсиас и Уилсон, 1965): оно наконец заставило людей всерьез задуматься о том, что ранняя вселенная действительно существовала.
Благодаря Пенсиасу и Уилсону, Уэйнбергу и другим, изучение начала вселенной в наше время считается вполне серьезным и уважаемым занятием. Профессиональным физикам, занятым первыми тремя минутами — или первой микросекундой — больше не приходится смущаться, говоря о своей работе. А вот с концом вселенной все обстоит совсем по–другому. Разыскивая литературу по этой теме, я нашел всего несколько статей (Rees, 1969; Davies, 1973; Islam, 1977 и 1979; Barrow and Tipler, 1978). Разумеется, список не полон. Однако в этих статьях поражает их извиняющийся или шутливый тон, как будто сами авторы умоляют не принимать их всерьез. В наше время исследование отдаленного будущего предстает таким же сомнительным занятием, каким было тридцать лет назад исследование далекого прошлого. Я в особенном долгу перед Джама–лем Исламом за черновик его статьи, опубликованной в 1977 году, который впервые заставил меня серьезно задуматься об отдаленном будущем. Надеюсь, эти мои лекции приблизят наступление дня, когда эсхатология, наука о конце вселенной, из раздела богословия превратится в серьезную и уважаемую научную дисциплину.
Сам Уэйнберг не избежал предрассудков, которые я стараюсь развеять. В конце своей книги, посвященной прошлому вселенной, он дает краткое приложение, касающееся ее будущего. Первые три минуты он описывает на ста пятидесяти страницах, а всему, что ждет нас дальше, отводит всего пять страниц. Если оставить в стороне технические подробности, его взгляд на будущее выражается одной фразой:
|
|
|
Чем понятнее для нас вселенная, тем бессмысленнее она нам представляется.
Здесь Уэйнберг, возможно сам того не желая, указывает на реальную проблему. Невозможно детально описать долгосрочное будущее вселенной, не учитывая влияния жизни и разума. Невозможно вычислить способности жизни и разума, не затрагивая хотя бы вскользь философских вопросов. Если мы хотим понять, как может разумная жизнь использовать физическое развитие вселенной в своих собственных целях, нам не удастся полностью избежать вопроса о том, каковы могут быть ценности и цели разумной жизни. Но стоит упомянуть слова «ценность» и «цель» — и мы на полном ходу врезаемся в одно из жесточайших табу, установленных наукой XX века. Послушаем, что говорит Жак Моно (1970), первосвященник научной рациональности, в своей книге «Случайность и необходимость»:
Всякое смешение знания с ценностями незаконно и недопустимо.
Моно — один из основателей молекулярной биологии. Страшно подпадать под его анафему. И все же я рискну с ним поспорить и других постараюсь подвигнуть на то же самое. Табу на смешение знания с ценностями пришло к нам из XIX века, из великой битвы между биологами–эволюционистами во главе с Томасом Гексли и церковниками под предводительством епископа Уилберфорса. Гексли битву выиграл, но и сто лет спустя Моно и Уэйнберг все еще сражались с призраком епископа Уилберфорса. В наше время у физиков нет причин опасаться этого призрака. Если анализ отдаленного будущего приведет нас к вопросам, связанным с темами конечного смысла и цели жизни — давайте исследовать эти вопросы смело и без стеснения. И что за беда, если наши ответы на эти вопросы окажутся наивными и незрелыми? Значит, наука по–прежнему жива — и ей есть куда двигаться.
В этих лекциях я постараюсь исследовать будущее так же, как Уэйнберг в своей книге исследовал прошлое. Мои высказывания будут просты, даже примитивны, но неизменно подкреплены цифрами. Моя цель — установить количественные параметры судьбы вселенной. Извиняться за то, что смешиваю философские рассуждения с математическими уравнениями, я не собираюсь.
Две простейшие космологические модели (Weinberg, 1972) описывают универсальную вселенную с нулевым давлением, открытую или закрытую. Геометрия закрытой вселенной описывается уравнением
ds2 = R2[dψ2 — dχ2 — sin2χdΩ2], (1)
где χ — пространственная координата, движущаяся вместе с материей, ψ — временная координата, связанная с физическим временем t по формуле:
t = Т0 (ψ — sinψ), (2)
a R — радиус вселенной, заданный по формуле:
R = сТ0 (1 — cosψ), (3)
Вселенная в целом представлена в системе пространственно–временных координат (ψ, χ) как конечный прямоугольный параллелепипед:
О< ψ< 2π, 0< χ< π. (4)
Вселенная замкнута как в пространстве, так и во времени. Общая ее протяженность —
2πТ0, (5)
где Т0 — в принципе измеряемое количество. Если наша вселенная описывается этой моделью, значение Т0 должно составлять, как минимум, 1010 лет.
Простейшая модель универсальной открытой вселенной с нулевым давлением описывается уравнением:
ds2 = R2[dψ2 — dχ2 — sinh2χdΩ2], (6)
где
t = T0 (sinnψ — ψ), (7)
R = cT0 (coshψ — 1), (8)
а координаты (?;?) простираются в бесконечность:
О< ψ< ∞, 0< χ< ψ (9)
Открытая Вселенная определена сразу в пространстве и во времени.
Модели (1) и (6) — это лишь простейшие из возможностей. В литературе можно найти множество иных, куда более сложных моделей. Но для наших целей достаточно обсудить (1) и (6) как примеры открытой и закрытой вселенных. Вопрос о том, является ли наша вселенная открытой или закрытой, можно разрешить только наблюдением. Этого вопроса я больше касаться не буду, замечу лишь, что мои философские убеждения свидетельствуют в пользу открытой вселенной, и имеющиеся у нас данные наблюдений не исключают этой возможности (Gott, Gunn, Schramm, and Tinsley, 1974 и 1976).
Обычно считается (Weinberg, 1977), что открытую и закрытую вселенные ждет равно печальное будущее. Согласно этому мнению, выбор у нас невелик — поджариться в закрытой вселенной или замерзнуть в открытой. Конец закрытой вселенной детально описан Ризом (1969). К сожалению, приходится согласиться с Ризом в том, что в этом случае избежать превращения в жаркое нам не удастся. Как бы глубоко мы ни зарывались в землю в надежде спастись от всевозрастающей ярости фоновой радиации голубого смещения, самое большее, что нам удастся, — отсрочить на несколько миллионов лет свой прискорбный конец. Не буду подробно обсуждать случай закрытой вселенной — мысль о том, что все наше бытие заперто в ящике с параметрами (4), вызывает у меня клаустрофобию. Коснусь лишь одного вопроса, дающего нам призрачный шанс на выживание. Предположим, мы выяснили, что вселенная от природы закрыта и приговорена к уничтожению. Что, если благодаря вмешательству разума, например, превращая материю в излучение и заставляя энергию двигаться в определенном направлении, мы сумеем прорвать стены закрытой вселенной и изменить топологию пространства–времени таким образом, что лишь часть ее погибнет, а другая часть будет расширяться вечно? Ответа на этот вопрос я не знаю. Но, если выяснится, что наша вселенная закрыта, у нас останется примерно 1010 лет на исследование возможности такого «технологического прорыва».
Меня интересует в первую очередь открытая космология, поскольку она предоставляет гораздо больше возможностей для деятельности жизни и разума. В открытой космологии горизонты расширяются до бесконечности. Говоря точнее, расстояние до горизонта в модели (6) равно
d = Rψ, (10)
где R задано (8), а количество видимых в этом горизонте галактик составляет
N = N0 (sinh2ψ — 2ψ), (11)
где N0 — это число порядка 1010.
Сравнив (11) с (7), мы видим, что количество видимых галактик в далеком будущем варьируется в пределах t2. Это происходит благодаря той любопытной числовой закономерности, что угловой размер типичной галактики во время t составляет
5~ 105t-1rad, (12)
где t измеряется в годах. Поскольку (11) и (7) дают
N ~ 10–10t2, Nδ2 ~ 1, (13)
оказывается, что, как бы далеко в будущее мы ни заглянули, небо всегда будет заполнено галактиками. По мере того, как видимые размеры каждой галактики уменьшаются, на горизонте появляются новые галактики, заполняющие пустоты. Свет от далеких галактик будет иметь сильное красное смещение. Однако, если со временем мы сумеем приспособить свое зрение ко все более и более длинным световым волнам, небо никогда не станет для нас пустым и темным.
Говоря об открытой вселенной, описываемой формулой (6), хотелось бы обсудить три принципиальных вопроса:
1. Верно ли, что по мере своего расширения и остывания эта вселенная замерзнет до состояния полного физического покоя?
2. Возможно ли в открытой вселенной бесконечное выживание жизни и разума?
3. Возможно ли поддерживать коммуникацию и передавать информацию при все увеличивающемся расстоянии между галактиками?
Эти три вопроса мы подробно обсудим в лекциях 2, 3 и 4. Я собираюсь ответить на них «нет», «да» и «может быть». Возможно, эти ответы — лишь отражение моих оптимистических философских предубеждений. Я не жду, что все с ними согласятся, и хочу лишь того, чтобы люди начали серьезно размышлять на эти темы.
Если, как я надеюсь, мои ответы окажутся верны, что это означает? Это будет означать, что мы открыли в физике и астрономии некий аналог теоремы Геделя (1931) в математике. Гедель доказал [см. Нейджел и Ньюман (1956)], что мир чистой математики неистощим: не существует конечного набора аксиом и правил, исчерпывающих всю математику; в пределах каждого конечного набора аксиом мы можем найти важные математические вопросы, на которые эти аксиомы не отвечают. Надеюсь, такая же ситуация существует и в мире физики. Если мое представление о будущем верно, это означает, что мир астрономии и физики также неистощим; как бы далеко в будущее мы не заглянули, в нем всегда происходит нечто новое: поступает новая информация, открываются для исследования новые миры, постоянно расширяется область владений жизни, сознания и памяти.
Рассуждая таким образом, я смешиваю знание с ценностями и нарушаю запрет Моно. Однако я не первый. До эпохи Дарвина, Гексли и епископа Уилберфорса, в восемнадцатом столетии, ученые не чурались смешения науки с ценностными суждениями. Когда Томас Райт (1750), первооткрыватель галактик, объявил о своем открытии, его не смутила возможность использовать в поддержку астрономической теории богословский аргумент:
Поскольку, возвеличивая творение, мы возвеличиваем и Творца, то, памятуя о его бесконечности и бесконечной творящей силе, благочестиво будет заключить, что, как видимое творение полно созвездий и планетарных миров, так и бесконечная глубина являет неисчислимое множество творений, подобных нам известным… О том, что это истина, свидетельствуют едва различимые туманные точки, расположенные вдали от известных нам созвездий, на таком расстоянии, откуда не мог бы долететь до нас свет звезды или иного небесного тела; весьма вероятно, что это иные тварные миры, граничащие с нашим, но столь отдаленные, что до них не достигают даже наши телескопы.
Тридцать пять лет спустя рассуждения Райта были подтверждены точными наблюдениями Уильяма Гершеля. Кроме того, Райт вычислил количество пригодных для обитания миров в нашей галактике:
В целом число их должно составлять 170 000 000, не считая комет, которые, по моему суждению, являются самыми многочисленными из небесных тел тварного мира.
Утверждение Райта о кометах, возможно, тоже верно, хотя он и не сообщает, как определил их численность. Существование такого количества пригодных для обитания миров для него не только научная гипотеза, но и предмет моральной рефлексии:
В этом великом небесном творении гибель одного мира, такого, как наш, или даже полное уничтожение системы миров может означать для великого Творца Природы не более, чем для нас — самое обычное жизненное происшествие; и весьма вероятно, что такие последние и окончательные Судные дни случаются здесь не реже, чем у нас на земле — дни рождения или смерти. В этой мысли есть нечто столь ободряющее, что всякий раз, возводя глаза к небу, я спрашиваю себя, почему бы всем нам не стать астрономами; ибо если бы люди, наделенные умом и здравым смыслом, не пренебрегали наукой, к коей влекут их естественные устремления, то понимание природы убедило бы их в собственном бессмертии и научило со спокойствием и бесконечным терпением переносить все неприятности, присущие человеческой природе.
Наблюдение за звездным небом подсказывает нам, чего не следует делать, чтобы сохранить свое природное право на это драгоценное достояние, которое, увы, мы воображаем принадлежащим нам безраздельно, как некоей расе тщеславных гигантов, хотя на деле мы бесконечно малы и прикованы к своему миру, как к малой песчинке приковано множество атомов песка.
Такова мудрость восемнадцатого столетия. «Чем лучше мы понимаем вселенную, тем более бессмысленной она нам представляется», — отвечает на это Стивен Уэйнберг. Что ж, если это мудрость нынешнего века, я предпочту век давно минувший.
Лекция II. Физика
В этой лекции я вслед за Исламом (1977) разберу вопрос о физических процессах, происходящих в открытой вселенной на протяжении очень долгих временных периодов. При этом я говорю о естественной вселенной, не учитывая влияния на нее жизни и разума. Жизнь и разум мы обсудим в лекциях 3 и 4.
В основе нашего рассуждения лежат два предположения. (1) Законы физики не меняются со временем. (2) Все важные для нашей темы физические законы нам уже известны. Эти два предположения уже были выдвинуты Уэйнбергом (1977) в его описании прошлого. Я обосновываю их так же, как и он. Верим мы или нет, что ныне известные законы физики являются конечной и неизменной истиной — весьма полезно проследить следствия действия этих законов как в прошлом, так и в будущем. В экстраполяции наших знаний от известного к неизвестному лучше проявить излишнюю смелость, чем излишнюю робость. Может случиться, как уже случилось с космологическими рассуждениями Альфера, Германа и Гамова (1948), что наивное распространение известных нам законов на новую территорию приведет нас к постановке новых и важных вопросов.
В других местах (Dyson, 1972, 1978) я суммировал свидетельства в пользу того, что законы физики не меняются. Самое поразительное свидетельство недавно получено Шляхтером (1976) при измерении соотношений изотопов в образцах руды, взятой из естественного ядерного реактора, существовавшего около 2 миллиардов лет назад в урановой шахте Окло в Габоне (Maurette, 1976). Основное полученное им число — соотношение (149Sm/147Sm) между двумя легкими изотопами самария, не являющимися продуктами ядерной реакции. У нормального самария это соотношение составляет около 0,9; в реакторе Окло — около 0,02. По–видимому, количество 149Sm было сильно уменьшено дозой горячих нейтронов, воздействию которых этот изотоп подвергся во время ядерной реакции. Если в современном реакторе мы померим сечение захвата горячих нейтронов у 149Sm, то получим значение 55 kb, с сильным резонансом захвата при энергии нейтронов 0,1 eV. Детальный анализ соотношений изотопов в Окло приводит нас к выводу, что два миллиарда лет назад сечение 149Sm находилось в интервале 55 ± 8 kb. Это означает, что за 2∙109 лет значение резонанса захвата не сдвигалось более, чем на 0,02 eV. Однако положение этого резонанса соответствует различию между энергиями связи в основном состоянии 149Sm и в производном состоянии 150Sm, захватившем нейтрон. Каждая из этих энергий составляет порядка 109 eV и сложным образом зависит от силы ядерного и кулоновского взаимодействий. То, что на протяжении 2∙109 лет между этими энергиями связи сохраняется баланс с точностью 2 доли на 1011, показывает, что изменения величин ядерной и кулоновской сил не могли быть больше, чем несколько долей на 1018 в год. На сегодняшний день это наиболее убедительное доказательство неизменности законов физики. То, что никаких свидетельств изменений не обнаружено, разумеется, не доказывает, что законы строго постоянны. В особенности нельзя исключить возможности вариаций в величине гравитационных сил, причем во временной период гораздо короче, чем 1018 лет. Но для простоты мы примем, что законы физики строго постоянны. Всякое иное предположение создаст нам большие сложности, заставив вводить произвольные дополнительные гипотезы.
Доказать, что все физические законы, имеющие значение для отдаленного будущего, уже нам известны, для меня невозможно в принципе. Наиболее серьезный вопрос, касающийся конечной судьбы вселенной, — вопрос о том, абсолютно ли защищен протон от распада на более легкие частицы. Если протон нестабилен — вся материя смертна и обречена рассеяться в радиацию. Выдвигаются серьезные теоретические аргументы (Zeldovich, 1977; Barrow and Tipler, 1978; Feinberg, Goldhaber, and Steigman, 1978) в поддержку мнения, что протоны распадаются с большим периодом полураспада, возможно в ходе процессов, в которых задействуются черные дыры. Экспериментально установленные ограничения на распад протонов (Kropp and Reines, 1965) не исключают существования таких процессов. Однако опять‑таки для простоты мы исключаем эту возможность и предполагаем, что протон абсолютно стабилен. Позже я подробно рассмотрю воздействие реальных процессов, задействующих черные дыры, на стабильность материи в целом.
Теперь я готов начать дискуссию о физических процессах, происходящих в открытой космологии (6) в течение все более и более продолжительных отрезков времени. Сначала рассмотрим классические астрономические процессы, затем — процессы квантовой механики.
Примечание, добавленное в гранках. Со времени публикации этих лекций вышло в свет множество статей, посвященных моделям «великого объединения» в физике элементарных частиц, где протон нестабилен (Nanopoulos, 1978; Pati, 1979; Turner and Schramm, 1979).
А. Эволюция звезд
Самые долгоживущие звезды с низкой массой истощат свое водородное «топливо», сожмутся в белых карликов и остынут до крайне низких температур за период порядка 1014 лет. Более тяжелым звездам понадобится меньше времени, чтобы дойти до финального состояния — белого карлика, нейтронной звезды или черной дыры, в зависимости от особенностей эволюции каждой конкретной звезды.
Б. Отделение планет от звезд
Среднее время, необходимое для того, чтобы планета отделилась от звезды в результате близкой встречи со второй звездой, составляет
Т = (pVσ)-1, (14)
где р — плотность звезд в пространстве, V — средняя относительная скорость двух звезд и σ — сечение столкновения, вызвавшего отделение. Для системы «Земля–Солнце», двигающейся во внешней области диска спиральной галактики, приблизительные количественные значения следующие:
р = 3∙10–41 км3, (15)
V = 50 км/с, (16)
σ = 2∙1016 км2, (17)
Т= 1015 лет. (18)
Временной отрезок для встречи, влекущей за собой серьезные нарушения планетарных орбит, составляет заметно меньше, чем 1015 лет.
|
|
|
