Вселенная с необходимостью должна быть изотропной.
Перейдем теперь к такой фундаментальной характеристике Вселенной, как размерность физического пространства. Почему физическое пространство трехмерно? Прежде всего человек сам трехмерное существо, поэтому он не может существовать в пространстве одного или двух измерений. Предположим, существуют какие-то одномерные или двумерные миры. Мы могли бы мысленно изучать их свойства, но жить в этих мирах, наблюдать их изнутри мы не можем. Возможно, какие-то экзотические (с нашей точки зрения) одномерные и двумерные существа могут обитать в этих мирах. Но человек обитать в них не может. Наша Вселенная не может быть ни одномерной, пи двумерной. Но остается еще много других возможностей. Ведь пространство могло бы иметь больше трех измерений. Почему же тогда физическое пространство трехмерно, а например, не пятимерно? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как видоизменяются физические законы с изменением размерности пространства.
В нашем трехмерном мире сила взаимодействия двух электрических зарядов убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между ними (закон Кулона). То же самое относится к силе взаимодействия двух тяготеющих масс (закон всемирного тяготения). Выражение для силы можно записать в виде F3 = Ь33/r2 ; Ь3 — коэффициент пропорциональности, зависящий от произведения взаимодействующих зарядов (или масс), а индекс 3 указывает на то, что формула относится к трехмерному пространству. Как связан закон обратных квадратов с размерностью пространства? Напряженность поля, или сила, действующая на пробный заряд в данной точке, на расстоянии г от заряда, создающего поле, определяется плотностью силовых линий, т. е. числом линий, проходящих через единицу поверхности в точке наблюдения. Очевидно, что эта величина равна полному потоку силовых линий, исходящему из заряда, деленному на поверхность сферы радиуса r. Для трехмерного евклидова пространства площадь сферы равна 4πR2, поэтому сила пропорциональна r-2. В пространстве измерений площадь сферы пропорциональна rN-1. Следовательно, сила будет пропорциональна 1/rN-1: FN = ЬN/rN-1.
Анализ движения тел под действием такой силы был выполнен П. Эренфестом в 1917 г. Он показал, что при N ≥ 4 в задаче двух тел не существуют замкнутые устойчивые орбиты[173]. Если мы рассмотрим, например, планету и Солнце в 4-мерном пространстве (а также в пространстве большего числа измерений), то планета в таком пространстве не будет вращаться вокруг Солнца по устойчивой круговой (или эллиптической) орбите: она либо упадет на Солнце, либо уйдет в бесконечность. Значит, в таких мирах не существует аналогов планетных систем и атомов[174]. А следовательно, в них не может существовать жизнь, построенная на молекулярном уровне. Какие-то гипотетические «полевые» формы жизни могли бы существовать в таком мире, но человек «из плоти и крови», человек в его физическом теле, состоящем из сложных органических молекул, не может существовать в пространстве более чем грех измерений. Казалось бы, увеличение размерности пространства должно открыть новые возможности для построения все более сложных структурных образований атомной природы. Но выяснилось, что это не так.
С другой стороны, при N = 1, 2 сила взаимодействия падает с расстоянием слишком медленно. Поэтому какую бы скорость ни придать заряду, он не сможет уйти из поля притяжения центрального тела, он как бы находится в глубокой (бесконечно глубокой) потенциальной яме, и чтобы извлечь его оттуда, надо затратить бесконечно большую энергию. Следовательно, в таком пространстве не существовало бы свободного движения тяготеющих масс, и в его («одномерных» или «двумерных») атомах не могли бы происходить процессы ионизации. В таком мире не существовали бы процессы возникновения и распада, процессы обмена, характерные для жизни. Только в трехмерном мире возможно возникновение сложных молекулярных структур, обладающих способностью к обмену, изменчивости, эволюции.
Понятно теперь, почему мы живем в трехмерном мире: в другом мире мы просто не могли бы существовать. Это относится не только к человеку, но и к любому разумному существу с телом, представляющим собой сложную структуру, построенную из атомов.
Следующий шаг в исследовании отношения «человек-Вселенная» связан с фундаментальными физическими константами.
3.4. Кто задает физические постоянные?
Что меня действительно глубоко интересует, так это — мог ли Бог создать мир иным?
А. Эйнштейн
Природа материального мира, его важнейшие свойства в значительной мере определяются фундаментальными физическими постоянными. К ним прежде всего относятся: массы важнейших элементарных частиц протона, нейтрона и электрона: mp , mn , mе , заряд электрона е и фундаментальные физические константы: постоянная тяготения G, постоянная Планка h (или ħ = h/2π), скорость света с, постоянная слабого взаимодействия gw . Значения этих констант зависят от выбранной системы единиц измерения. Наряду с ними используются безразмерные константы четырех физических взаимодействий:
Значения констант получены из эксперимента. Но почему они именно такие?
В романе «Черное облако» известный английский астрофизик Ф. Хойл описал сообщество высокоразвитых Космических Разумов, которые познали все законы природы. Единственная проблема, которую им остается решить — кто задает фундаментальные постоянные? Но как только кто-либо из членов сообщества приближается к разгадке этой тайны — он бесследно исчезает. Современные космологи также отважились взяться за эту проблему. Прежде всего им необходимо было ответить, почему константы имеют те самые значения, которые известны нам из опыта. Подход, который использовался при решении этой проблемы, вполне соответствовал обычной процедуре, принятой в физике: если нас интересуют значения каких-то параметров, попробуем проварьировать эти значения и посмотрим, как изменятся при этом условия в изучаемой системе. Этот естественный и вполне разумный подход, применительно к фундаментальным константам, привел к совершенно неожиданным результатам.
Ну казалось бы, что может произойти, если мы немного изменим массу электрона? Соответственно изменится размер атомов, а значит, и размер окружающих нас тел. Но если изменения массы электрона невелики, то и размер тел должен измениться незначительно. Вот вроде и все! Или, что будет, если изменить значение постоянной тяготения G? Очевидно, для двух данных тел изменится сила тяготения между ними. От величины тяготения зависит эволюция Вселенной и эволюция отдельных небесных тел. Значит, изменятся и эти тела, изменятся, в частности, их размеры. Но опять-таки, кажется, что если изменения постоянной тяготения будут невелики, то и свойства тел изменятся немного. Никаких глубоких качественных изменений во Вселенной при незначительной вариации констант вроде бы не должно произойти. Оказалось, что подобное заключение совершенно неверно. Незначительные вариации физических констант на самом деле ведут не к малым изменениям свойств небесных тел, а к радикальным
