12.12.2024. - Мы живем во Вселенной, которая подходит именно нам

Мы живем во Вселенной, которая подходит именно нам

Антропный принцип, утверждающий, что вселенная, в которой мы живем, идеально приспособлена для жизни, был впервые предложен Брэндоном Картером в 1973 году. С тех пор это вызвало серьезные дебаты. В статье, опубликованной в журнале "Космология и физика астрочастиц" (Journal of Cosmology and Astroparticle Physics), авторами которой являются Неманья Калопер, физик с факультета физики и астрономии Калифорнийского университета в Дэвисе, и Александр Вестфаль, профессор Немецкого электронного синхротрона (DESY), впервые описывается способ получения экспериментально проверьте это предположение.

Антропный принцип (АП) может быть сформулирован по-разному. Они варьируются от простого описания фактов — "если мы здесь это наблюдаем, Вселенная развивалась в условиях, необходимых для возникновения разумной жизни", известных как слабый подход, — до чего-то более радикального: "Вселенная должна была эволюционировать таким образом, который привел к нашему существованию".

Эта более строгая интерпретация, называемая сильным АП, часто вторгается на территорию метафизики, предлагая своего рода "замысел" и выходя за рамки научных исследований Вселенной.

Проблема с AP, по мнению многих ученых, заключается в том, что она не особенно полезна в качестве научного инструмента, поскольку не позволяет генерировать проверяемые, поддающиеся количественной оценке прогнозы, которые могли бы как расширить наши знания, так и подвергнуть этот принцип тщательному изучению. Без этого она остается скорее философской гипотезой, чем научным предположением.

Однако AP предполагает, что для того, чтобы наша Вселенная развивалась как благоприятное место для жизни на основе углерода, она должна была начаться с набора довольно специфических начальных условий. Мы приходим к такому выводу, наблюдая, например, за значениями определенных констант, используемых в уравнениях, описывающих Вселенную, таких как гравитационная постоянная, заряд электрона и постоянная Планка, которые должны быть "правильными". В противном случае у нас была бы совсем другая и, самое главное, негостеприимная вселенная.

Установив точные начальные условия, подразумеваемые AP, и рассчитав на основе современных физических моделей, как Вселенная развивалась бы до своего нынешнего состояния, мы могли бы сравнить результаты с фактическими астрономическими наблюдениями. Любые расхождения между теорией и реальностью позволили бы оценить достоверность AP.

В новой работе Неманьи Калопера и Александра Вестфаля предлагается несколько конкретных прогнозов, которые могут найти подтверждение в ближайшие годы.

Чтобы понять их предложение, необходимо обрисовать некоторые ключевые элементы космологических исследований:

Космическая инфляция

В самые ранние моменты своего существования Вселенная переживала период быстрого расширения: всего за 10-36 секунд она выросла с бесконечно малого размера (почти нулевого) до макроскопических масштабов (некоторые теории описывают ее как размер виноградины или футбольного мяча). После этого рост замедлился, продолжившись темпами, аналогичными тем, которые мы наблюдаем сегодня.

Физика на этом раннем этапе была весьма необычной, в ней преобладали квантовые явления (управляющие бесконечно малыми величинами), которые повлияли на последующую эволюцию, позволив образоваться структурам — галактикам, звездам и так далее, — которые мы видим сегодня. Хотя прямых доказательств космической инфляции пока не найдено, это надежная теория, которая, как ожидается, получит подтверждение в ближайшие годы.

Темная материя

Вы, наверное, слышали об этом: экспериментальные наблюдения говорят нам, что значительная часть Вселенной — около пяти шестых ее вещества - состоит из чего—то, что мы не можем наблюдать непосредственно. Мы называем это темной материей, но ее истинная природа остается неизвестной. Было выдвинуто множество гипотез, и все они ожидают экспериментального подтверждения, которое ожидается в ближайшем будущем.

Аксионы

Одним из кандидатов на роль темной материи является аксион. Эти частицы — или, что более вероятно, целый класс частиц — чрезвычайно легкие (например, намного легче электрона). Первоначально аксионы были предложены для объяснения квантового явления, известного как нарушение симметрии CP, которое связано со слабым ядерным взаимодействием, одной из четырех фундаментальных сил (другими являются гравитация, электромагнетизм и сильное ядерное взаимодействие).

Однако исследователи заметили, что некоторые характеристики аксионов, которые, как считается, образовались в большом количестве во время космической инфляции, совпадают с ожидаемыми для темной материи, например, их минимальное взаимодействие как с самим собой, так и с обычной материей. Наблюдения за черными дырами могут подтвердить их существование в ближайшие годы.

Тестирование точки доступа включает в себя сочетание этих трех элементов.

"Возможно, спутник LiteBIRD обнаруживает первичные гравитационные волны, близкие к текущим пределам, которые соответствуют высокомасштабной инфляции", - объясняет Калопер. "Большинство космологов считают, что это подтверждает высокомасштабную инфляцию". LiteBIRD (облегченный спутник для изучения поляризации В B-режиме) - это эксперимент, который Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) планирует запустить в 2032 году.

"Также возможно, что мы обнаружим признаки сверхлегких аксионов, исследуя сверхмассивные черные дыры во Вселенной. Аксионы влияют на соотношение спина к массе черных дыр, и это можно наблюдать", - продолжает Калопер. Многие эксперименты уже проводятся по изучению черных дыр, и в ближайшем будущем начнутся новые.

"Наконец, - добавляет Калопер, - возможно, что будущие прямые исследования темной материи обнаружат, что темная материя в основном состоит не из сверхлегких аксионов. В этом случае мы будем считать, что антропный принцип не работает".

Однако такой результат не гарантирован.

"С другой стороны, если прямые поиски темной материи покажут, что темная материя на самом деле является сверхлегким аксионом, - продолжает Калопер, - тогда, я думаю, мы согласимся, что антропный принцип действительно прошел этот тест; действительно, это может произойти".

"Я нахожу особенно интересным тот факт, что оба этих варианта могут быть экспериментально протестированы в недалеком будущем", - заключает Калопер.

"И это — насколько мне и моему коллеге известно — наш конкретный пример является первым случаем, когда антропный принцип может фактически не пройти проверку, в отличие от простого заявления о том, что он неприменим.

"Дело в том, что наличие высокомасштабной инфляции и сверхлегких аксионов с массами m > 10-19 эВ означает, что темная материя "должна" быть аксионом: при типичных начальных условиях мы получили бы слишком много темной материи, и нам отчаянно понадобился бы антропный принцип для ограничения это.

"Чтобы выяснить, что аксион не является темной материей, мы должны были бы сделать вывод, что начальные условия были не просто маловероятными (которые могут быть установлены антропно), а крайне маловероятными, что на самом деле даже не подпадает под область антропных рассуждений".

Таким образом, нам придется подождать еще несколько лет, а может быть, и дольше, чтобы собрать все необходимые доказательства для опровержения или подтверждения антропного принципа. Но что, если он окажется неспособным пройти проверку?

"Без изменения каких-либо других предпосылок (универсальность гравитации, ранняя инфляция и сверхизлучательные явления), несостоятельность нашей простой формулировки антропологии предполагает, что начальными условиями управляют другие правила", - объясняет Калопер.

"Либо разные начальные условия неравновероятны, некоторые из них обусловлены новой динамикой, которая еще не изучена, либо некоторые начальные условия вообще невозможны. С другой стороны, реальная космологическая теория может оказаться более сложной, чем мы думали".

"Можно было бы представить и более драматичные сценарии, но, по крайней мере, сейчас они кажутся мне полетом фантазии", - заключает Калопер.

Источник