Антропний принцип, який стверджує, що Всесвіт, у якому ми живемо, точно налаштований для існування життя, запропонував у 1973 р. Брендон Картер. Відтоді не вщухають дебати щодо цього принципу.

Тепер у статті, опублікованій в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, авторами якої є Неманья Калопер (Nemanja Kaloper), фізик з кафедри фізики та астрономії Каліфорнійського університету в Девісі, та Олександр Вестфаль (Alexander Westphal), професор з наукового центру «Німецький електронний синхротрон» (Deutsches Elektronen-Synchrotron, DESY), вперше описано спосіб експериментальної перевірки цього припущення.

Антропний принцип (АП) можна сформулювати по-різному. Від простого опису фактів — «якщо ми існуємо, то Всесвіт еволюціонував так, що виникли умови для появи розумного життя», відомого як слабкий AП — до чогось трохи радикальнішого: «Всесвіт мав еволюціонувати таким чином, щоб уможливити наше існування».

Ця сильніша інтерпретація, яку називають сильним AP, часто заходить на метафізичну територію, припускаючи своєрідний «задум», а, отже, і виходячи за межі наукового дослідження Всесвіту.

Проблема з AП, на думку багатьох вчених, полягає в тому, що він не є особливо корисним як науковий інструмент, бо не вказує на перевірені, кількісно визначені прогнози, які могли б розширити наші знання та піддати принцип ретельному дослідженню. Без цього він є скоріше філософським припущенням, ніж науковою гіпотезою.

Однак AП припускає, що для розвитку нашого Всесвіту як придатного місця для життя, що базується на вуглеці, його поява мала відбутися за певних початкових умов. Ми робимо такий висновок, зважаючи, наприклад, на значення певних констант, які входять в рівняннях, що описують Всесвіт. До таких належать гравітаційна стала, заряд електрона, стала Планка та інші, які мають бути якраз «правильними». Інакше у нас був би зовсім інший і, головне, непридатний для нашого життя Всесвіт.

Встановивши точні початкові умови, передбачені AП, і обчисливши на основі сучасних фізичних моделей те, як Всесвіт еволюціонував до свого теперішнього стану, ми могли б порівняти результат із фактичними астрономічними спостереженнями. Будь-які розбіжності між теорією та реальністю стануть мірою достовірності AП.

Нова робота Неманьї Калопера та Олександра Вестфаля пропонує деякі конкретні передбачення, які можуть знайти підтвердження у найближчі роки за результатами спостережень.

Щоб зрозуміти пропозицію науковців, потрібно окреслити деякі головні елементи космологічного дослідження.

Космічна інфляція

У найперші моменти свого існування Всесвіт пройшов період швидкого розширення: лише за 10-36 секунди він виріс від нескінченно малого розміру (майже нуля) до макроскопічного масштабу (деякі теорії описують його як розмір виноградної ягоди або футбольного м’яча). Після цього розширення сповільнилося і його темп став приблизно таким, який ми спостерігаємо нині.

Фізика на цій ранній стадії була дуже незвичайною, в ній переважали квантові явища (що керують нескінченно малими матеріальними сутностіми), які вплинули на подальшу еволюцію, уможлививши формування структур — галактик, зірок тощо, — які ми бачимо тепер. Хоча прямих доказів космічної інфляції ще не знайдено, це надійна теорія, яка в найближчі роки може знайти підтвердження зі спостережень.

Темна матерія

Ви, напевно, чули про це: спостереження вказують на те, що значна частина Всесвіту — приблизно п’ять шостих його матерії — складається з чогось, що ми не можемо спостерігати прямо. Ми називаємо це темною матерією, але її справжня природа досі невідома. Було висунуто багато гіпотез, усі очікують експериментального підтвердження, що може трапитися найближчим часом.

Аксіони

Одним із кандидатів у носії темної матерії є аксіон. Ці частинки — або, вірогідніше, цілий клас частинок — надзвичайно легкі (набагато легші за електрон, наприклад). Спочатку фізики-теоретики запропонували ідею аксіонів для пояснення квантового явища, відомого як порушення CP-симетрії, за участі слабкої ядерної взаємодії, однієї із чотирьох фундаментальних сил (інші — гравітація, електромагнетизм і сильна ядерна взаємодія).

Проте дослідники помітили, що певні характеристики аксіонів, які, як вважають, утворилися у великій кількості під час космічної інфляції, збігаються з тими, що передбачені для темної матерії, наприклад, їх мінімальна взаємодія як із собою, так і зі звичайною матерією. Спостереження за чорними дірами можуть підтвердити існування цих частинок в найближчі роки.

Перевірка (тестування) антропного принципу передбачає поєднання цих трьох елементів.

«Цілком можливо, що космічний апарат LiteBIRD виявить первісні гравітаційні хвилі, що виникли на початку космологічного розширення і пов’язані з великомасштабною інфляцією», — пояснив Калопер. «Більшість космологів вважають, що це підтверджує високомасштабну інфляцію». LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) — це космічна місія, яку Японське агентство аерокосмічних досліджень планує розпочати в 2032 році.

«Також можливо, що за дослідженнями надмасивних чорних дір вдасться виявити ознаки надлегких аксіонів. Ці частинки впливають на співвідношення періоду обертання до маси чорних дір, і це можна спостерігати», — зауважив Калопер. У багатьох спостереженнях уже вивчають чорні діри, а найближчим часом планується розпочати ще більше таких досліджень.

«Нарешті, — додав Калопер, — цілком можливо, що в майбутніх прямих пошуках темної матерії буде виявлено: темна матерія переважно не складається з надлегких аксіонів. У такому разі ми б дійшли висновку, що антропний принцип не працює».

Однак цей результат не гарантований.

«З іншого боку, якщо прямий пошук темної матерії виявить, що вона насправді є надлегким аксіоном, — продовжив Калопер, — тоді я гадаю, ми погодимося, що антропний принцип справді пройшов цей тест; отже це може статися.»

«Я вважаю особливо цікавим те, що обидва ці варіанти можуть бути експериментально перевірені в не дуже віддаленому майбутньому», — зауважив Калопер.

«Наскільки ми з моїм колегою знаємо — запропонований нами підхід вперше вказує на те, що антропний принцип може провалити перевірку на відміну від простого оголошення, що він недієвий.

«Річ в тому, що наявність високомасштабної інфляції та надлегких аксіонів з масами m > 10-19 еВ означатиме, що темна матерія «має» бути аксоном. Для типових початкових умов ми отримаємо занадто багато темної матерії і нам відчайдушно потрібен антропний принцип, щоб її обмежити.

«Якщо виявиться, що аксіон не є темною матерією, то це означатиме — початкові умови були не просто малоймовірними (які можна пояснити антропним принципом), а вкрай малоймовірними, що насправді навіть не стосується антропних міркувань».

Отже, нам доведеться почекати ще кілька років, можливо, навіть довше, щоб зібрати всі потрібні докази для фальсифікації або підтвердження антропного принципу. Але що, коли він не пройде тест?

«Без зміни будь-яких інших передумов (універсальність гравітації, рання інфляція та явища надпотужного випромінювання), невдача нашого простого тесу антропного принципу означатиме, що початковими умовами керують інші правила», — пояснив Калопер.

«Або різні початкові умови не однаково ймовірні, деякі з них залежать від нової динаміки, яка ще не зрозуміла, або деякі початкові умови взагалі неможливі. З іншого боку, справжня теорія космології може бути складнішою, ніж ми вважали».

«Можна також уявити драматичніші сценарії, але принаймні наразі вони здаються мені фантазією», — підсумував Калопер.

За інф. з сайту https://phys.org