Исследование предлагает тест для Антропного принципа
Антропный принцип, утверждающий, что Вселенная, в которой мы живем, точно настроена на существование жизни, был впервые предложен Брэндоном Картером в 1973 году. С тех пор он вызвал множество споров.
Теперь в работе, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, за авторством Неманьи Калопера, физика с факультета физики и астрономии Калифорнийского университета в Дэвисе, и Александра Вестфаля, профессора Немецкого электронного синхротрона (DESY), впервые описан способ экспериментальной проверки этого предположения.
Антропный принцип (AP) может быть сформулирован по-разному. Они варьируются от простого описания фактов — «если мы здесь наблюдаем, значит, Вселенная развивалась с условиями, необходимыми для возникновения разумной жизни», — известного как слабый АП, до чего-то более радикального: «Вселенная должна была развиваться таким образом, что привела к нашему существованию».
Эта более сильная интерпретация, называемая «сильным АП», нередко переходит на метафизическую территорию, предполагая некий «дизайн» и выходя за рамки научного исследования Вселенной.
Проблема с АП, по мнению многих ученых, заключается в том, что она не особенно полезна в качестве научного инструмента, поскольку не дает проверяемых, поддающихся количественной оценке предсказаний, которые могли бы расширить наши знания и подвергнуть принцип тщательной проверке. Без этого он остается скорее философской догадкой, чем научной гипотезой.
Однако AP предполагает, что для того, чтобы наша Вселенная стала благоприятным местом для жизни на основе углерода, она должна была начаться с набором довольно специфических начальных условий. Мы делаем вывод об этом, наблюдая, например, за значениями некоторых констант, используемых в уравнениях, описывающих Вселенную, таких как гравитационная постоянная, заряд электрона и постоянная Планка, которые должны быть «в самый раз». В противном случае мы имели бы совсем другую и, что самое главное, негостеприимную Вселенную.
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 результат с фактическими астрономическими наблюдениями. Любые расхождения между теорией и реальностью позволят оценить обоснованность AP.
Новая работа Неманьи Калопера и Александра Вестфаля предлагает несколько конкретных предсказаний, которые могут найти наблюдательное подтверждение в ближайшие годы.
Чтобы понять их предложение, необходимо обозначить некоторые ключевые элементы космологических исследований:
Космическая инфляция
В самые ранние моменты своего существования Вселенная пережила период быстрого расширения: всего за 10-36 секунд она выросла с бесконечно малых размеров (почти до нуля) до макроскопических масштабов (по некоторым теориям, размером с виноградину или футбольный мяч). После этого расширение замедлилось и продолжалось со скоростью, аналогичной той, которую мы наблюдаем сегодня.
Физика на этой ранней стадии была весьма необычной, в ней преобладали квантовые явления (управляющие бесконечно малыми), которые повлияли на последующую эволюцию, обеспечив формирование структур — галактик, звезд и так далее, — которые мы наблюдаем сегодня. Хотя прямых доказательств космической инфляции пока не найдено, это надежная теория, ожидающая подтверждения наблюдениями в ближайшие годы.
Темная материя
Вы наверняка слышали о ней: экспериментальные наблюдения говорят о том, что значительная часть Вселенной — примерно пять шестых ее материи — состоит из чего-то, что мы не можем наблюдать напрямую. Мы называем это темной материей, но ее истинная природа остается неизвестной. Было предложено множество гипотез, и все они ждут экспериментального подтверждения, которое ожидается в ближайшем будущем.
Аксионы
Один из кандидатов на роль темной материи — аксион. Эти частицы — или, что более вероятно, целый класс частиц — чрезвычайно легкие (гораздо легче электрона, например). Изначально аксионы были предложены для объяснения квантового явления, известного как нарушение CP-симметрии, которое связано со слабым ядерным взаимодействием, одной из четырех фундаментальных сил (остальные — гравитация, электромагнетизм и сильное ядерное взаимодействие).
Однако исследователи заметили, что некоторые характеристики аксионов, которые, как считается, образовались в огромном количестве во время космической инфляции, совпадают с теми, которые ожидаются для темной материи, например, их минимальное взаимодействие как с самой собой, так и с обычной материей. Наблюдения за черными дырами могут подтвердить их существование в ближайшие годы.
Проверка АП предполагает объединение этих трех элементов.
«Возможно, что спутник LiteBIRD обнаружит первобытные гравитационные волны, близкие к существующим пределам, которые соответствуют высокомасштабной инфляции», — объясняет Калопер. «Большинство космологов сочтут, что это подтверждает высокомасштабную инфляцию». LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) — это эксперимент, который Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) планирует запустить в 2032 году.
«Возможно также, что мы обнаружим признаки сверхлегких аксионов, наблюдая за сверхмассивными черными дырами во Вселенной. Аксионы влияют на отношение спина к массе черных дыр, и это можно будет наблюдать», — продолжает Калопер. Многие эксперименты уже изучают черные дыры, и еще больше экспериментов начнут работать в ближайшем будущем».
«Наконец, — добавляет Калопер, — возможно, что будущие прямые поиски темной материи обнаружат, что темная материя преимущественно не состоит из сверхлегких аксионов. В этом случае мы будем считать, что антропный принцип не работает».
Однако такой исход не гарантирован.
«С другой стороны, если в результате прямых поисков темной материи выяснится, что темная материя на самом деле является сверхлегким аксионом, — продолжает Калопер, — тогда, я думаю, мы согласимся, что антропный принцип фактически прошел эту проверку; более того, это может произойти».
«Мне кажется особенно интересным, что оба эти варианта могут быть экспериментально проверены в недалеком будущем», — заключает Калопер.
И что, насколько мне и моему коллеге известно, наш конкретный пример — это первый случай, когда антропный принцип действительно может не пройти проверку, а не просто заявить, что он неприменим».
Дело в том, что наличие высокомасштабной инфляции и сверхлегких аксионов с массой m > 10-19 эВ подразумевает, что темная материя «должна» быть аксионом: для типичных начальных условий мы получили бы слишком много темной материи, и нам отчаянно нужен антропный принцип, чтобы ограничить ее.
«Если бы мы обнаружили, что аксион не является темной материей, мы бы сделали вывод, что начальные условия были не просто маловероятными (что можно исправить антропным путем), а крайне маловероятными, что на самом деле даже не подпадает под область антропных рассуждений».
Итак, нам придется подождать еще несколько лет, возможно, даже больше, чтобы собрать все необходимые доказательства для фальсификации или подтверждения антропного принципа. Но что, если он окажется неспособным пройти проверку?
«Не меняя ни одной из других предпосылок (универсальность гравитации, ранняя инфляция и сверхизлучающие явления), провал нашей простой формулировки антропной теории предполагает, что начальными условиями управляют другие правила», — объясняет Калопер.
Либо различные начальные условия не одинаково вероятны, а некоторые из них обусловлены новой, еще не понятой динамикой, либо некоторые начальные условия вообще невозможны». Как вариант, реальная теория космологии может оказаться сложнее, чем мы думали».
«Можно представить и более драматичные сценарии, но, по крайней мере, сейчас они кажутся мне полетами фантазии», — заключает Калопер.
Таким образом, работа Калопера и Вестфаля не только ставит под сомнение антропный принцип, но и открывает новые горизонты для понимания природы Вселенной. Если впоследствии экспериментальные данные действительно укажут на недостатки в текущей формулировке AП, ученые могут оказаться перед необходимостью пересмотреть свои представления о космологических принципах.
Одним из возможных путей дальнейшего исследования станет развитие теории мультиверс, предложенной как альтернатива объяснению уникальных условий, способствующих жизни. В таких моделях предполагается существование множества вселенных с различными физическими законами и начальными условиями. Если эта гипотеза подтвердится, возможно, наша Вселенная просто оказывается в числе тех немногих, где жизнь могла возникнуть. Итогом станет новый взгляд на «специальность» нашей Вселенной, которая, возможно, оказывается менее уникальной, чем мы считали ранее.
Кроме того, возникнет необходимость в разработке новых теоретических подходов для объяснения результатов наблюдений. Таким образом, впереди нас ожидает не только научное открытие, но и философская рефлексия о месте человека во Вселенной. Станем ли мы еще одним наблюдателем, который изучает загадочные законы природы, или же обнаружим, что эти законы имеют более глубокие корни, недоступные нашему нынешнему пониманию?
В то же время, невозможность подтвердить АП может оказаться источником вдохновения для новаторских идей в области физики и астрономии. Возможно, именно тщательное исследование «граничных» условий приводит к прорывам в науке. Как замечает Калопер, динамика, управляющая начальными условиями, может открывать для нас совершенно новые горизонты понимания, что на самом деле может обогатить нашу картину мироздания.
Теперь у нас есть множество экспериментов, ожидающих своего часа. Японская миссия LiteBIRD, похоже, станет одной из ключевых в этой погоне за пониманием. Однако важно помнить, что этот процесс займет время, и результаты, которые мы получим, могут быть не столь однозначными. Наука имеет свойство удивлять, и изменения в нашем восприятии Вселенной могут произойти с помощью нейронной сети знаний, переплетающей теории, наблюдения и философские дебаты.
В конечном итоге, независимо от того, пройдет ли антропный принцип или нет, это будет выигрыш для всей науки, открывая новые пути для исследований и осмысления нашего места в бескрайнем космосе. Мы еще только начинаем понимать сложные отношения, связывающие нас с Вселенной, а обнаруженные закономерности и парадоксы создают уникальную ткань, в которую вплетены наша жизнь, исследования и стремление к познанию.
Поделитесь в вашей соцсети👇
