Тест на антропный принцип во Вселенной
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Multiverse.png. Автор: Silver Spoon
Антропный принцип, утверждающий, что Вселенная, в которой мы живем, идеально подходит для существования жизни, был впервые предложен Брэндоном Картером в 1973 году. С тех пор он вызвал бурные споры.
В статье, опубликованной в журнале Journal of Cosmology and Astroparticle Physics и написанной Неманья Калопер, физиком с кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Дэвисе, и Александром Вестфалем, профессором Немецкого электронного синхротрона (DESY), впервые описывается способ экспериментальной проверки этого предположения.
Антропный принцип (АП) можно сформулировать по-разному. Они варьируются от простого описания фактов — «если мы здесь наблюдаем это, то Вселенная развивалась с условиями, необходимыми для возникновения разумной жизни», известного как слабый АП, — до чего-то более радикального: «Вселенная должна была развиваться таким образом, который привел к нашему существованию».
Эта более сильная интерпретация, называемая сильной АП, часто вторгается на метафизическую территорию, предполагая своего рода «замысел» и выходя за рамки научного исследования вселенной.
Проблема с AP, 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 AP 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 вселенная.
В теории дифференциальных уравнений начальные и граничные условия — дополнение к основному дифференциальному уравнению (обыкновенному или в частных производных), задающее его поведение в начальный момент времени или на границе рассматриваемой области соответственно. Обычно дифференциальное уравнение имеет не одно решение, а целое их семейство. Начальные и граничные условия позволяют выбрать из него одно, соответствующее реальному физическому процессу или явлению. В теории обыкновенных дифференциальных уравнений доказана теорема существования и единственности решения задачи с начальным условием (т. Википедия
Новая работа Неманьи Калопера и Александра Вестфаля 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 секунд она выросла от бесконечно малых размеров (почти нулевых) до макроскопических масштабов (некоторые теории описывают их как размер виноградины или 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 (управляющие бесконечно малым), 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
Вы, вероятно, 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. Мы называем 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 AP предполагает объединение этих трех элементов.
«Возможно, спутник LiteBIRD обнаружит первичные гравитационные волны, близкие к текущим пределам, которые соответствуют масштабной инфляции», — объясняет Калопер. «Большинство космологов посчитают, что это подтверждает масштабную 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», — продолжает Калопер. Многие эксперименты уже изучают черные дыры, и в ближайшем будущем планируется запустить еще больше экспериментов.
«Наконец, — добавляет Калопер, — возможно, что будущие прямые поиски темной материи откроют, что темная материя в основном не состоит из сверхлегких аксионов. В этом случае мы могли бы подумать, 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; действительно, это может произойти».
«Я нахожу особенно интересным тот факт, что оба эти варианта могут быть экспериментально проверены в не столь отдаленном будущем», — заключает Калопер.
«И насколько мне и моему коллеге известно, наш конкретный пример является первым случаем, когда антропный принцип может действительно не выдержать проверку, а не просто заявить, что он неприменим.
«Дело в том, что наличие крупномасштабной инфляции и сверхлегких аксионов с массами m > 10 -19 эВ означало бы, что темная материя «должна» быть аксионом: при типичных начальных условиях мы бы получили слишком много темной материи, и нам бы отчаянно понадобился антропный принцип, чтобы ограничить ее.
«Чтобы обнаружить, что аксион не является темной материей, мы бы сделали вывод, что начальные условия были не просто маловероятными (что можно исправить антропно), а крайне маловероятными, что на самом деле даже не подпадает под сферу антропного мышления».
Итак, нам 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 (универсальности гравитации, ранней инфляции и сверхизлучательных явлений), несостоятельность нашей простой формулировки антропных принципов предполагает, что начальными условиями управляют разные правила», — объясняет Калопер.
«Либо различные начальные условия не являются одинаково вероятными, некоторые из них смещены новой динамикой, которая еще не понята, либо некоторые начальные условия вообще невозможны. С другой стороны, 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 Калопер.
Больше информации: Falsifying Anthropics, Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (2024).
0 комментариев