Фото предоставлено: Серебряная ложка
Антропный принцип, который гласит, что Вселенная, в которой мы живем, создана для поддержания жизни, был впервые предложен Брэндоном Картером в 1973 году. С тех пор это вызвало серьезные споры.
Теперь в Журнале космологии и физики астрочастиц опубликована статья, написанная Неманьей Калопер, физиком с кафедры физики и астрономии Калифорнийского университета в Дэвисе, и Александром Вестфалем, профессором немецкого электронного синхротрона (DESY). ). ) впервые описывает способ экспериментальной проверки этого предположения.
Антропный принцип (АП) можно формулировать по-разному. Они варьируются от простого описания фактов – «Как мы здесь наблюдаем, Вселенная развивалась в условиях, необходимых для возникновения разумной жизни», известных как слабый АП – до чего-то более радикального: «Вселенная должна была эволюционировать». таким образом, что это привело к нашему существованию.
Эта более сильная интерпретация, так называемая сильная АП, часто выходит на метафизическую территорию, предлагая своего рода «замысел» и выходя за рамки научного изучения Вселенной.
Проблема с AP, по мнению многих ученых, заключается в том, что он не особенно полезен в качестве научного инструмента, поскольку не генерирует проверяемых, поддающихся количественной оценке прогнозов, которые могли бы как расширить наши знания, так и подвергнуть принцип тщательному изучению. Без этого она остается скорее философской догадкой, чем научной гипотезой.
Однако AP предполагает, что эволюция нашей Вселенной в гостеприимное место для углеродной жизни должна была начаться с довольно специфического набора начальных условий. Мы заключаем это, наблюдая, например, за значениями некоторых 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 совершенно другая и, главное, негостеприимная вселенная.
Определив точные начальные условия, подразумеваемые AP, и рассчитав, как Вселенная эволюционировала бы до своего нынешнего состояния на основе текущих физических моделей, мы смогли сравнить результат с реальными астрономическими наблюдениями. Любые расхождения между теорией и реальностью будут мерилом достоверности ПД.
Новая работа Неманьи Калопера и Александра Вестфаля предлагает некоторые конкретные предсказания, которые могут быть подтверждены наблюдениями в ближайшие годы.
Чтобы понять их предложение, необходимо выделить некоторые ключевые элементы космологических исследований:
Космическая инфляция
В самые ранние моменты своего существования Вселенная переживала период быстрого расширения: всего за 10–36 секунд она выросла от бесконечно малого размера (почти нуля) до макроскопических масштабов (некоторые теории описывают его как размер виноградины). или виноград). футбольный мяч). После этого расширение замедлилось и продолжилось темпами, аналогичными сегодняшним.
Физика на этом раннем этапе была весьма необычной и в ней доминировали квантовые явления (которые доминировали над бесконечно малыми), которые повлияли на последующее развитие и сделали возможным формирование структур — галактик, звезд и т. д. — которые мы видим сегодня. Хотя прямых доказательств космической инфляции пока не обнаружено, это надежная теория, которая, как ожидается, будет подтверждена наблюдениями в ближайшие годы.
Темная материя
Вы, наверное, слышали об этом: экспериментальные наблюдения показывают 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 выдвинуто множество гипотез, и все они ожидают экспериментального подтверждения, которое ожидается в ближайшем будущем.
Аксионы
Одним из кандидатов на роль темной материи является аксион. Эти частицы – или, скорее, целый класс частиц – чрезвычайно легкие (намного легче, чем, например, электрон). Первоначально аксионы были предложены для объяснения квантового явления, известного как нарушение CP-симметрии, которое включает слабое ядерное взаимодействие, одну из четырех фундаментальных сил (остальные — гравитация, электромагнетизм и сильное ядерное взаимодействие).
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 ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.
Однако исследователи обнаружили, что некоторые свойства аксионов, которые, как полагают, образовались в больших количествах во время космической инфляции, соответствуют свойствам темной материи, например, их минимальное взаимодействие друг с другом, а также с обычной материей. Наблюдения за черными дырами могут подтвердить их существование в ближайшие годы.
При тестировании AP эти три элемента необходимо объединить.
«Вполне возможно, что спутник LiteBIRD обнаружит первичные гравитационные волны, близкие к текущим пределам, которые соответствуют крупномасштабной инфляции», — объясняет Калопер. «Большинство космологов подумают, что это подтверждение высокой инфляции». LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for Study B-mode) — эксперимент, проводимый Японским агентством аэрокосмических исследований (JAXA), который хочет начать в 2032 году. .
«Также возможно, что мы сможем обнаружить признаки сверхлегких аксионов, изучая сверхмассивные черные дыры во Вселенной. Аксионы влияют на отношение спина к массе черных дыр, и это наблюдалось», — продолжает Калопер. Многие эксперименты уже изучают черные дыры, и ожидается, что в ближайшем будущем будут запущены еще больше.
«Наконец, — добавляет Калопер, — возможно, что будущие прямые поиски темной материи покажут, что темная материя преимущественно не состоит из сверхлегких аксионов. В этом случае мы могли бы предположить, что антропный принцип терпит неудачу».
Однако этот результат не гарантирован.
«С другой стороны, если прямые поиски темной материи покажут, что темная материя на самом деле является сверхлегким аксионом», — продолжает Калопер, — «тогда, я думаю, мы можем согласиться, что антропный принцип действительно выдержал это испытание; на самом деле, это могло произойти».
«Мне кажется особенно интересным, что оба варианта могут быть проверены экспериментально в не столь отдаленном будущем», — заключает Калопер.
«И что – насколько мне и моему коллеге известно – наш конкретный пример является первым случаем, в котором антропный принцип может фактически не пройти 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: для типичных начальных условий мы получили бы слишком много темной материи. и нам срочно нужен антропный принцип, чтобы сдержать их.
«Чтобы выяснить, что Аксион не является темной материей, мы бы пришли к выводу, что начальные условия были не только невероятными (что можно исправить антропными методами), но и крайне невероятными, что на самом деле даже не входит в рамки антропных соображений».
Так что нам придется подождать еще несколько лет, а может быть, и дольше, чтобы собрать все необходимые доказательства, чтобы либо фальсифицировать, либо подтвердить антропный принцип. Но что, если окажется, что он не может пройти тест?
«Без изменения каких-либо других предпосылок (универсальность гравитации, ранняя инфляция и явления сверхизлучения) провал нашей простой формулировки антропики предполагает, что другие правила управляют начальными условиями», — объясняет Калопер.
«Либо разные начальные условия не одинаково вероятны, потому что на некоторые из них влияет новая, еще не изученная динамика, либо некоторые начальные условия совершенно невозможны. С другой стороны, реальная теория космологии может быть более сложной, чем мы думали».
«Можно представить и более драматичные сценарии, но, по крайней мере, на данный момент мне они кажутся полетом фантазии», — заключает Калопер.
Информация от: Международной школой перспективных исследований (SISSA).
