Настроена ли Вселенная на жизнь или это просто иллюзия?

Возьмем гравитацию. Если бы она была намного слабее, материя с трудом собиралась бы вместе, образуя звезды, планеты и живые существа. А если бы она была сильнее, это тоже создало бы проблемы. Почему нам так повезло?

Исследование, которое я недавно опубликовал вместе со своими коллегами Джоном Пикоком и Лукасом Ломбризером, позволяет предположить, что наша Вселенная, возможно, не оптимально приспособлена для жизни. Более того, возможно, мы обитаем не в самой вероятной из возможных вселенных.

В частности, мы изучали, как на возникновение разумной жизни влияет плотность «темной энергии» во Вселенной. Она проявляется как таинственная сила, которая ускоряет расширение Вселенной, но мы не знаем, что это такое.

Хорошая новость заключается в том, что мы все еще можем ее измерить. Плохая новость заключается в том, что наблюдаемое значение намного меньше того, что мы ожидали бы от теории. Эта загадка является одним из самых больших открытых вопросов в космологии и послужила основной мотивацией для нашего исследования.

Антропные рассуждения

Мы проверили, может ли «антропное мышление» дать подходящий ответ. Антропное мышление — это идея о том, что мы можем вывести свойства нашей Вселенной из того факта, что мы, люди, существуем.

В конце 80-х годов нобелевский лауреат по физике Стивен Вайнберг обсуждал возможное антропное решение для наблюдаемого значения плотности темной энергии.

Вайнберг рассуждал, что большая плотность темной энергии ускорит расширение Вселенной. Это будет противодействовать усилиям гравитации, направленным на сцепление материи и образование галактик.

Меньшее количество галактик означает меньшее количество звезд во Вселенной. Звезды необходимы для зарождения жизни в том виде, в котором мы ее знаем, поэтому слишком большое количество темной энергии снизит вероятность появления разумной жизни, такой как человек.

Затем Вайнберг рассмотрел «мультивселенную», состоящую из различных возможных вселенных, каждая из которых имеет разное содержание темной энергии. Такой сценарий вытекает из некоторых теорий космической инфляции — периода ускоренного расширения, имевшего место в начале истории Вселенной.

Вайнберг предположил, что только крошечная часть вселенных в рамках мультивселенной, реальной или гипотетической, будет иметь достаточно малую плотность темной энергии, чтобы позволить появиться галактикам, звездам и, в конечном счете, разумной жизни.

Это объясняет, почему мы наблюдаем небольшую плотность темной энергии — несмотря на то, что, согласно нашим теориям, она должна быть гораздо больше — иначе мы просто не могли бы существовать.

Потенциальным подводным камнем в рассуждениях Вайнберга является предположение, что доля материи во Вселенной, которая попадает в галактики, пропорциональна количеству образовавшихся звезд.

Спустя 35 лет мы знаем, что все не так просто. Цель нашего исследования — проверить антропный аргумент Вайнберга с помощью более реалистичной модели звездообразования.

Подсчет звезд

Нашей целью было определить количество звезд, образовавшихся за всю историю существования Вселенной с заданной плотностью темной энергии. Это сводится к упражнению по подсчету.

Сначала мы выбрали плотность темной энергии в диапазоне от нуля до 100 000 раз больше наблюдаемого значения. В зависимости от ее количества гравитация может удерживать материю вместе более или менее легко, определяя, как могут формироваться галактики.

Далее мы оценили ежегодное количество звезд, образующихся в галактиках с течением времени. Это вытекает из баланса между количеством холодного газа, который может служить топливом для звездообразования, и противоположным действием галактических потоков, которые нагревают и выталкивают газ за пределы галактик.

Затем мы определили долю обычной материи, которая была преобразована в звезды за все время существования (в прошлом и будущем) определенной модели Вселенной. Это число выражает эффективность этой Вселенной в производстве звезд.

Затем мы предположили, что вероятность возникновения разумной жизни во Вселенной пропорциональна ее эффективности звездообразования. Как показано на рисунке выше, это позволяет предположить, что наиболее благоприятная Вселенная содержит примерно одну десятую плотности темной энергии, наблюдаемой в нашей Вселенной.

Таким образом, наша Вселенная не так уж далека от наиболее благоприятной для жизни. Но она также не является самой идеальной.

Но чтобы подтвердить антропные рассуждения Вайнберга, мы должны представить, что выбираем случайную разумную форму жизни в мультивселенной и спрашиваем их, какую плотность темной энергии они наблюдают.

Мы обнаружили, что у 99,5 % из них плотность темной энергии будет больше, чем в нашей Вселенной. Другими словами, похоже, что мы населяем редкую и необычную вселенную в рамках мультивселенной.

Это не противоречит тому, что вселенные с большим количеством темной энергии подавляют звездообразование, а значит, снижают шансы на формирование разумной жизни.

По аналогии, предположим, что мы хотим рассортировать 300 шариков по 100 коробкам. Каждая коробка представляет собой вселенную, а каждый шарик — разумного наблюдателя. Давайте положим 100 шариков в коробку номер один, четыре — в коробку номер два, а затем по два шарика во все остальные коробки.

Очевидно, что первая коробка содержит наибольшее количество шариков. Но если мы выберем наугад один шарик из всех коробок, то с большей вероятностью он окажется из коробки, отличной от первой.

Аналогичным образом, вселенные с малым количеством темной энергии по отдельности более благоприятны для жизни. Но жизнь, хотя и более маловероятная, все же может зародиться и во многих возможных вселенных с большим количеством темной энергии — в них все равно будет несколько звезд.

Наши расчеты показывают, что для большинства наблюдателей во всех вселенных плотность темной энергии будет выше, чем измеренная в нашей Вселенной.

Кроме того, мы обнаружили, что наиболее типичный наблюдатель измерит величину, примерно в 500 раз большую, чем в нашей Вселенной.

Что же остается нам?

В заключение следует сказать, что наши результаты опровергают антропный аргумент, согласно которому наше существование объясняет столь низкое значение темной энергии. Мы могли бы с большей легкостью оказаться во Вселенной с большей плотностью темной энергии.

Антропные рассуждения еще можно спасти, если мы примем более сложные модели мультивселенных. Например, мы можем допустить, что количество темной энергии и обычной материи в разных вселенных может быть разным.

Возможно, уменьшение количества разумной жизни из-за более высокой плотности темной энергии может быть компенсировано более высокой плотностью обычной материи.

В любом случае, наши результаты предостерегают нас от упрощенного применения антропных аргументов. Это делает проблему темной энергии еще более сложной.

Что же теперь делать космологам? Засучить рукава и думать дальше. Только время покажет, как мы решим эту головоломку. Но как бы мы это ни сделали, я уверен, что это будет невероятно увлекательно».

Даниэле Сорини, постдокторский научный сотрудник по космологии, Даремский университет.