Создана ли Вселенная для жизни? Новая работа призывает выяснить это

Антропный принцип утверждает, что Вселенная идеально настроена для жизни, но он подвергается критике за отсутствие проверяемости. Новое исследование предлагает способы проверки этого принципа с помощью данных о космической инфляции, аксионах и темной материи, а будущие эксперименты потенциально подтвердят или опровергнут его.

Новая статья, опубликованная в JCAP, предлагает способ проверки антропного принципа. Чтобы опровергнуть его, все три из следующих условий должны быть подтверждены наблюдениями:

• Произошла космическая инфляция
• Аксионы существуют
• Темная материя не состоит из аксионов

Если все эти условия окажутся истинными, антропный принцип утратит свою силу, и наша Вселенная покажется крайне маловероятной.

Впервые предложенный Брэндоном Картером в 1973 году, антропный принцип предполагает, что Вселенная тонко настроена на поддержание жизни. Эта идея с тех пор вызвала обширные дебаты. В своей новой статье физики Неманья Калопер из Калифорнийского университета в Дэвисе и Александр Вестфаль из Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) описывают экспериментальную структуру для оценки этого принципа.

Антропный принцип (АП) имеет различные интерпретации. Они варьируются от простого описания фактов — «если мы здесь наблюдаем это, то Вселенная развивалась с условиями, необходимыми для возникновения и развития жизни», известного как слабый АП, — до чего-то немного более сложного: «Вселенная должна была развиваться таким образом, который привел к нашему существованию». Эта более сильная интерпретация, называемая сильным АП, практически переходит на метафизическую территорию, предполагая своего рода «замысел» и выходя за рамки научного исследования Вселенной.

Проблема с AП, по мнению многих ученых, заключается в том, что он не особенно полезен как научный инструмент, поскольку не генерирует проверяемые, количественные предсказания, которые могли бы расширить наши знания и подвергнуть принцип тщательной проверке. Без этого он остается скорее философской догадкой, чем научной гипотезой.

Однако AП предполагает, что для того, чтобы наша Вселенная стала гостеприимным местом для жизни на основе углерода, она должна была начаться с набора довольно специфических начальных условий. Мы делаем такой вывод, наблюдая, например, значения определенных констант, используемых в уравнениях, описывающих Вселенную, таких как гравитационная постоянная, заряд электрона и постоянная Планка, которые должны быть «в самый раз». В противном случае у нас была бы совсем другая и, что самое главное, негостеприимная для жизни Вселенная.

Установив точные начальные условия, подразумеваемые AП, и рассчитав на основе современных физических моделей, как Вселенная могла бы эволюционировать до своего нынешнего состояния, мы могли бы сравнить результат с фактическими астрономическими наблюдениями. Любые расхождения между теорией и реальностью дадут меру обоснованности AП.

Новая работа ученых предлагает некоторые конкретные прогнозы, которые могут получить наблюдательное подтверждение в ближайшие годы. Чтобы понять их предложение, необходимо выделить некоторые ключевые элементы космологических исследований:

Космическая инфляция

В самые ранние моменты своего существования Вселенная пережила период быстрого расширения: всего за 10 ^-36 секунды она выросла от бесконечно малых размеров (почти нулевых) до макроскопических масштабов (некоторые теории описывают их как размер футбольного мяча). После этого расширение замедлилось, продолжаясь со скоростью, схожей с той, которую мы наблюдаем сегодня.

Физика на этом раннем этапе была весьма необычной, в ней доминировали квантовые явления, которые повлияли на последующую эволюцию, что позволило сформировать структуры — галактики, звезды и т. д. — которые мы видим сегодня. Хотя прямых доказательств космической инфляции пока не найдено, это надежная теория с ожидаемыми наблюдательными подтверждениями в ближайшие годы.

Темная Материя

Многие слышали об этом: экспериментальные наблюдения говорят нам, что значительная часть Вселенной — около пяти шестых ее материи — состоит из чего-то, что мы не можем наблюдать напрямую.

Ученые называют это темной материей, но ее истинная природа остается неизвестной. Было предложено много гипотез, все они ждут 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 (гораздо легче электрона, например). Аксионы изначально были предложены для объяснения квантового явления, известного как нарушение CP-симметрии, которое включает слабое ядерное взаимодействие, одну из четырех фундаментальных сил (другие — гравитация, электромагнетизм и сильное ядерное взаимодействие).

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

Тестирование АП предполагает объединение трех элементов

«Возможно, спутник LiteBIRD обнаружит первичные гравитационные волны, близкие к текущим пределам, которые соответствуют масштабной инфляции», — объясняют исследователи. «Большинство космологов посчитают, что это подтверждает 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.

«Также возможно, что мы обнаружим признаки сверхлегких аксионов, исследуя сверхмассивные черные дыры во Вселенной. Аксионы влияют на отношение спина к массе черных дыр, и это можно наблюдать», — говорит Неманья Калопер. Многие эксперименты уже изучают черные дыры, и в ближайшем будущем планируется запустить еще больше экспериментов.

«Наконец, — добавляет он, — возможно, что будущие прямые поиски темной материи обнаружат, что темная материя в основном не состоит из сверхлегких аксионов. В этом случае мы бы подумали, 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 представляет собой сверхлегкий аксион, — продолжает Калопер, — то я думаю, мы согласимся, что антропный принцип на самом деле прошел этот тест».

«Мне кажется особенно интересным, что оба эти варианта могут быть экспериментально проверены в недалеком будущем», — заключает Неманья 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 мы заявляем, что он не применим».

«Дело в том, что наличие инфляции и сверхлегких аксионов с массами 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 относится к области антропных рассуждений».

Итак, придется подождать еще несколько лет, возможно, даже дольше, чтобы собрать все необходимые доказательства, чтобы либо опровергнуть, либо подтвердить антропный принцип. Но что, если он не выдержит испытания?

«Не меняя ни одной из других предпосылок (универсальность гравитации, ранняя инфляция и сверхизлучающие явления), неудача нашей простой формулировки антропной теории предполагает, что начальными условиями управляют другие правила», — объясняет Неманья Калопер. Либо различные начальные условия не одинаково вероятны, а некоторые из них обусловлены новой, еще не понятой динамикой, либо некоторые начальные условия вообще невозможны». В противном случае реальная теория космологии может оказаться сложнее, чем мы думали».

«Можно было бы представить и более драматичные сценарии, но, по крайней мере, на данный момент мне они кажутся всего лишь полетом фантазии», — заключает Неманья Калопер.

Исследование было опубликовано в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).