Антропный принцип, утверждающий, что Вселенная, в которой мы живём, тонко подстроена так, чтобы в ней могла зародиться жизнь, был впервые предложен Брэндоном Картером в 1973 году. С тех пор он вызвал множество споров.
Теперь в статье, опубликованной в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, под 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 (АП) можно сформулировать по-разному. Они варьируются от простого описания фактов — «если мы здесь, и наблюдаем за Вселенной, значит, она развивалась с условиями, необходимыми для возникновения разумной жизни», — известного как слабый АП, до более радикального: «Вселенная должна была развиваться таким образом, чтобы привести к нашему существованию».
Эта более сильная интерпретация, называемая «сильным АП», нередко переходит на метафизическую территорию, предполагая некий «план создания» и выходя за рамки научного исследования Вселенной.
Проблема с АП, по мнению многих учёных, заключается в том, что он не особенно полезен в качестве научного инструмента, поскольку не даёт проверяемых, количественно измеримых предсказаний, которые могли бы расширить наши знания и подвергнуть принцип тщательной проверке. Без этого он остаётся скорее философской догадкой, чем научной гипотезой.
Однако АП предполагает, что для того, чтобы наша Вселенная стала гостеприимным 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 именно такими, какие они есть. В противном случае мы имели бы совсем другую и, что самое главное, негостеприимную Вселенную.
Установив точные начальные условия, подразумеваемые АП, и рассчитав на основе современных физических моделей, как Вселенная развивалась бы до своего нынешнего состояния, мы могли бы сравнить результат с реальными астрономическими наблюдениями. Любые расхождения между теорией и реальностью позволят оценить достоверность АП.
Новая работа Неманьи Калопера и Александра Вестфаля предлагает несколько конкретных предсказаний, которые могут найти наблюдательное подтверждение в ближайшие годы.
Чтобы понять их предложение, необходимо описать 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, позволив сформироваться структурам — галактикам, звёздам и так далее, — которые мы видим сегодня. Хотя прямых доказательств космической инфляции пока не найдено, это надёжная теория, ожидающая подтверждения наблюдениями в ближайшие годы.
Тёмная материя
Вы наверняка слышали о ней: экспериментальные наблюдения говорят о том, что значительная часть Вселенной — около пяти шестых её материи — состоит из чего-то, что мы не можем наблюдать напрямую. Мы называем это тёмной материей, но её истинная природа остаётся неизвестной. Было предложено множество гипотез, но все они ждут экспериментального подтверждения, которое ожидается в ближайшем будущем.
Аксионы
Один из кандидатов на роль тёмной материи — аксион. Эти частицы — или, что более вероятно, целый класс частиц — чрезвычайно лёгкие (гораздо легче, например, электрона). Изначально аксионы были предложены для объяснения квантового явления, известного как нарушение CP-симметрии, которое связано со слабым ядерным взаимодействием, одной из четырёх 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 тёмной материи: например они должны минимально взаимодействовать как сами с собой, так и с обычной материей. Наблюдения за чёрными дырами могут подтвердить их существование в ближайшие годы.
Проверка АП предполагает объединение этих трёх элементов.
«Не исключено, 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 сверхлёгких аксионов, наблюдая за сверхмассивными чёрными дырами во Вселенной. Аксионы влияют на отношение скорости вращения чёрных дыр к их массе, и это можно будет наблюдать», — продолжает Калопер. Многие эксперименты уже изучают чёрные дыры, и ещё больше экспериментов начнут работать в ближайшем будущем.
«Наконец, — добавляет Калопер, — возможно, что в ходе будущих прямых поисков тёмной материи обнаружится, что тёмная материя преимущественно не состоит из сверхлёгких 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 тёмной материи выяснится, что тёмная материя на самом деле состоит из сверхлёгких аксионов, — продолжает Калопер, — то, думаю, мы согласимся, что антропный принцип фактически прошёл эту проверку; и это вполне возможно».
«Мне кажется особенно интересным, что оба эти варианта можно будет экспериментально проверить в недалёком 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, и не ограничиться заявлениями о его неприменимости в данном случае.»
«Дело в том, что наличие высокомасштабной инфляции и сверхлёгких аксионов с массой m > 10-19 эВ подразумевает, что тёмная материя «должна» состоять из аксионов: для типичных начальных условий мы получили бы слишком много тёмной материи, и нам отчаянно нужен антропный принцип, чтобы ограничить её.»
«Если бы мы обнаружили, что тёмная материя состоит не из аксионов, мы бы сделали вывод, что начальные условия были не просто маловероятными (что можно исправить антропным путём), а крайне маловероятными, что на самом деле уже выходит за рамки антропных рассуждений.»
Итак, нам придётся подождать ещё несколько лет, возможно, даже больше, чтобы собрать все необходимые доказательства для фальсификации или подтверждения антропного принципа. Но что, если он не сможет пройти проверку?
«Не меняя ни одной из других предпосылок (универсальность гравитации, ранняя инфляция и сверхизлучающие источники), неудача нашей простой формулировки антропной теории будет означать, что начальными условиями управляют другие правила», — объясняет Калопер.
«Либо различные начальные условия не одинаково вероятны, а некоторые из них обусловлены новой, ещё не понятой динамикой, либо некоторые начальные условия вообще невозможны. Как вариант, реальная теория космологии может оказаться сложнее, чем мы думали».
«Можно представить и более радикальные сценарии, но, по крайней мере, сейчас они кажутся мне простыми фантазиями», — заключает Калопер.
