Кредит: Pixabay/CC0 Public Domain
Физики уже давно задаются вопросом, почему Вселенная смогла поддерживать эволюцию разумной жизни. Значения многих сил и частиц, представленных примерно 30 так называемыми фундаментальными константами, кажется, идеально совпадают, чтобы сделать это возможным.
Возьмите гравитацию. Если бы она была намного слабее, материя с трудом могла бы слипаться вместе, образуя звезды, планеты и живые существа. А если бы оно было сильнее, это тоже создало бы проблемы. Почему нам так повезло?
Исследование, которое я недавно опубликовал вместе с моими коллегами Джоном Пикоком и Лукасом Ломбрайзером, теперь предполагает, что наша Вселенная, возможно, не приспособлена оптимально для жизни. На самом деле, мы, возможно, населяем не самую вероятную из возможных вселенных.
Мы специально изучали, как на возникновение разумной жизни влияет плотность «темной энергии» во Вселенной. Это проявляется как таинственная сила, ускоряющая расширение Вселенной, но мы не знаем, что это такое.
Хорошая новость в том, что мы все еще можем это измерить. Плохая новость заключается в том, что наблюдаемое значение намного меньше, чем мы ожидаем от теории. Эта загадка является одним из самых больших открытых вопросов в космологии и послужила основной мотивацией для наших исследований.
Антропное мышление
Мы проверили, может ли «антропное рассуждение» предложить подходящий ответ. Антропное мышление — это идея о том, что мы можем сделать вывод о свойствах нашей Вселенной на основании того факта, что мы, люди, существуем. В конце 80-х годов нобелевский лауреат по физике Стивен Вайнберг обсуждал возможное антропное решение наблюдаемой величины плотности темной энергии.
Вайнберг предположил, что большая плотность темной энергии ускорит расширение Вселенной. Это будет противодействовать усилиям гравитации сжимать материю и формировать галактики. Меньше галактик означает меньше звезд во Вселенной. Звезды необходимы для возникновения жизни в том виде, в каком мы ее знаем, поэтому слишком много темной энергии может подавить вероятность появления разумной жизни, такой как появление людей.
Затем Вайнберг рассмотрел «мультивселенную» различных возможных вселенных, каждая из которых имеет разное содержание темной энергии. Такой сценарий следует из некоторых теорий космической инфляции — периода ускоренного расширения, происходящего на ранних этапах истории Вселенной.
Вайнберг предположил, что лишь небольшая часть вселенных в мультивселенной, реальных или гипотетических, будет иметь достаточно малую плотность темной энергии, чтобы позволить появиться галактикам, звездам и, в конечном счете, разумной жизни. Это могло бы объяснить, почему мы наблюдаем небольшую плотность темной энергии – несмотря на наши теории, предполагающие, что она должна быть намного больше – иначе мы просто не могли бы существовать.
Потенциальная ошибка в рассуждениях Вайнберга заключается в предположении, что доля материи во Вселенной, которая попадает в галактики, пропорциональна числу образовавшихся звезд. Примерно 35 лет спустя мы знаем, что все не так просто. Целью нашего исследования было проверить антропный аргумент Вайнберга на более реалистичной модели звездообразования.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Подсчет звезд
Нашей целью было определить количество звезд, образовавшихся за всю историю Вселенной с заданной плотностью темной энергии. Это сводится к счетному упражнению.
Во-первых, мы выбрали плотность темной энергии в диапазоне от нуля до 100 000 раз превышающей наблюдаемое значение. В зависимости от количества гравитация может более или менее легко удерживать материю вместе, определяя, как могут формироваться галактики.
Затем мы оценили ежегодное количество звезд, образующихся внутри галактик с течением времени. Это следует из баланса между количеством холодного газа, который может способствовать образованию звезд, и противодействующим действием галактических потоков, которые нагревают и выталкивают газ за пределы галактик.
Затем мы определили долю обычной материи, которая превратилась в звезды за всю жизнь (прошлую и будущую) определенной модели Вселенной. Это число выражало эффективность Вселенной в производстве звезд.
Затем мы предположили, что вероятность возникновения разумной жизни во Вселенной пропорциональна эффективности звездообразования. Как показано на рисунке выше, это говорит о том, что самая гостеприимная Вселенная содержит около одной десятой плотности темной энергии, наблюдаемой в нашей Вселенной.
Таким образом, наша Вселенная не так уж далека от наиболее благоприятной для жизни. Но это тоже не самое идеальное.
Но чтобы подтвердить антропные рассуждения Вайнберга, нам следует представить себе, что они выбирают случайную разумную форму жизни в Мультивселенной, и спросить их, какую плотность темной энергии они наблюдают.
Мы обнаружили, что 99,5% из них будут испытывать большую плотность темной энергии, чем наблюдается в нашей Вселенной. Другими словами, похоже, что мы обитаем в редкой и необычной вселенной внутри мультивселенной.
Это не противоречит тому факту, что вселенные с большим количеством темной энергии будут подавлять звездообразование, тем самым уменьшая 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 шарика в коробку номер два, а затем по два шарика во все остальные коробки. Очевидно, что в первой коробке находится наибольшее количество шариков. Но если мы случайным образом выберем один шарик из всех коробок, то, скорее всего, он выпадет не из коробки под номером один.
Точно так же вселенные с небольшим количеством темной энергии индивидуально более гостеприимны для жизни. Но жизнь, хотя это и менее вероятно, все же может зародиться во многих возможных вселенных с обильной темной энергией — в них все еще будет несколько звезд. Наши расчеты показывают, что большинство наблюдателей во всех вселенных будут испытывать более высокую плотность темной энергии, чем измеренная в нашей Вселенной.
Кроме того, мы обнаружили, что самый типичный наблюдатель будет измерять величину примерно в 500 раз большую, чем в нашей Вселенной.
Что это значит для нас?
В заключение, наши результаты бросают вызов антропному аргументу о том, что наше существование объясняет, почему у нас такая низкая ценность темной энергии. Нам было бы легче оказаться во Вселенной с большей плотностью темной энергии.
Антропные рассуждения еще можно спасти, если мы примем более сложные модели мультивселенной. Например, мы могли бы допустить, что количество как темной энергии, так и обычной материи будет варьироваться в разных вселенных. Возможно, сокращение размножения разумной жизни из-за более высокой плотности темной энергии могло бы быть компенсировано более высокой плотностью обычной материи.
В любом случае, наши результаты предостерегают нас от упрощенного применения антропных аргументов. Это еще больше усложняет решение проблемы темной энергии.
Что нам, космологам, теперь делать? Засучите рукава и подумайте усерднее. Только время покажет, как мы решим загадку. Как бы мы это ни сделали, я уверен, это будет невероятно интересно.
Информация от: Разговором
