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!
Тройной альфа-процесс. Углерод образуется в недрах звезд при столкновении трех ядер гелия. Такое событие было бы весьма маловероятным, если бы не особенность законов ядерной физики.
Рассматривая модель вселенных, которую мы создали, изменив определенным образом физические теории, можно методическим путем изучить эффект изменений физического закона. Оказывается, по индивидуальному заказу для нашего существования созданы не только сильные ядерные взаимодействия и электромагнитная сила. Большинство фундаментальных констант, фигурирующих в наших теориях, выглядят точно настроенными в том смысле, что если изменить их на совсем незначительные величины, то Вселенная была бы качественно другой и во многих случаях непригодной для развития жизни. Например, если другая ядерная сила — слабое ядерное взаимодействие — была бы намного слабее, то в ранней Вселенной весь водород, имевшийся в космосе, превратился бы в гелий, и потому не было бы нормальных звезд; а если эта же сила оказалась бы намного сильнее, то взрывающиеся сверхновые звезды не сбрасывали бы свою внешнюю оболочку и таким образом не могли бы засеивать межзвездное пространство тяжелыми химическими элементами, которые требуются планетам для создания жизни. Будь протоны на 0,2 % тяжелее, они распадались бы на нейтроны, дестабилизируя атомы. Если бы суммарная масса тех «сортов» (или, как говорят физики, «ароматов») кварков, из которых состоят протоны, изменилась всего на 10 %, то было бы гораздо меньше стабильных атомных ядер, из которых мы сделаны. Фактически же суммарные массы кварков выглядят примерно оптимальными для существования наибольшего числа стабильных ядер.
