Дослідження пропонує тест на антропний принцип

Антопічний принцип-що спричинив, що Всесвіт, у якому ми живемо, є належним чином налаштованим на життя,-спочатку запропонував Брендон Картер у 1973 році. З тих пір він викликав значну дискусію.

Тепер документ, опублікований у Журнал космології та фізики астрочастинокАвтор Немана Калопер, фізик з кафедри фізики та астрономії Каліфорнійського університету, Девіса та Олександра Вестфала, професора Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy), вперше описує спосіб експериментально перевірити це припущення.

Антопічний принцип (AP) може бути сформульований по -різному. Вони варіюються від простого опису фактів – “Якщо ми тут спостерігаємо, Всесвіт розвинувся з умовами, необхідними для появи розумного життя”, відомого як слабкий АП – до чогось трохи радикального: “Всесвіт повинен був еволюціонувати таким чином, що призвело до нашого існування”.

Ця сильніша інтерпретація, яка називається Сильним АП, часто виходить на метафізичну територію, що говорить про якусь «конструкцію» і виходить за межі царини наукового розслідування Всесвіту.

Проблема з AP, на думку багатьох вчених, полягає в тому, що вона не особливо корисна як науковий інструмент, оскільки він не породжує перевірених, кількісно оцінюваних прогнозів, які могли б як розширити наші знання, так і підпорядкувати принцип до уваги. Без цього він залишається більше філософською здогадкою, ніж науковою гіпотезою.

Однак AP дозволяє припустити, що для нашого Всесвіту розвивається як гостинне місце для життя на основі вуглецю, він, мабуть, почався з набору досить конкретних початкових умов. Ми висловимо це, дотримуючись, наприклад, значення певних констант, що використовуються в рівняннях, що описують Всесвіт – такі як гравітаційна константа, заряд електронів та постійна Планка – що повинно бути “правильним”. В іншому випадку у нас було б зовсім інший і, що найголовніше, негостиний Всесвіт.

Встановлюючи точні початкові умови, що мають на увазі AP, та обчислення, виходячи з поточних фізичних моделей, як Всесвіт розвивався б до його теперішнього стану, ми могли б порівняти результат з фактичними астрономічними спостереженнями. Будь -які розбіжності між теорією та реальністю забезпечують міру обґрунтованості АП.

Нова робота Немана Калопера та Олександра Вестфала пропонує деякі конкретні прогнози, які могли б знайти підтвердження спостереження в найближчі роки.

Щоб зрозуміти їхню пропозицію, необхідно окреслити деякі ключові елементи космологічних досліджень:

Космічна інфляція

У найдавніші моменти свого існування Всесвіт зазнав періоду швидкого розширення: всього за 10^-36 секунди, він зростав від нескінченно малого розміру (майже нульового) до макроскопічної шкали (деякі теорії описують це як розмір винограду або футбольну кулю). Після цього розширення сповільнилося, продовжуючи ставки, подібні до тих, кого ми спостерігаємо сьогодні.

Фізика під час цієї ранньої фази була дуже незвичною, переважаючи квантові явища (регулюючи нескінченно малих), які вплинули на подальшу еволюцію, що дозволяє утворити структури – галактики, зірки тощо – це ми бачимо сьогодні. Незважаючи на те, що прямі докази космічної інфляції ще не знайдені, це надійна теорія з очікуваними спостереженнями в найближчі роки.

Темна речовина

Ви, напевно, чули про це: експериментальні спостереження говорять нам, що значна частина Всесвіту-про п’ять шостих її питань-складається з чогось, що ми не можемо безпосередньо спостерігати. Ми називаємо це темною матерією, але його справжня природа залишається невідомою. Запропоновано багато гіпотез, які чекають експериментального підтвердження, яке очікується найближчим часом.

Аксіани

Одним із кандидатів у темну речовину є Аксіон. Ці частинки – або, швидше за все, цілий клас частинок – надзвичайно легкі (наприклад, набагато легші, ніж електрон). Спочатку були запропоновані аксіони для пояснення квантового явища, відомого як порушення симетрії СР, яке передбачає слабку ядерну взаємодію, одну з чотирьох основних сил (інші – вага, електромагнетизм та сильна ядерна взаємодія).

Однак дослідники зауважили, що певні характеристики аксіонів – вірячись, що утворюються у великій кількості під час космічної інфляції – вирівнюють з тими, що очікують на темну речовину, наприклад, їх мінімальні взаємодії як із собою, так і з звичайною речовиною. Спостереження за чорними дірами можуть підтвердити своє існування в найближчі роки.

Тестування AP передбачає поєднання цих трьох елементів.

“Можливо, що супутник Litebird виявляє споконвічні гравітаційні хвилі, близькі до поточних меж, які відповідають високій інфляції”,-пояснює Калопер. “Більшість космологів відчували б, що це підтверджує високу інфляцію”. Litebird (Lite (Light) супутник для вивчення поляризації B-режиму)-це експеримент, який японське агентство з досліджень аерокосмічних досліджень (JAXA) планує запустити в 2032 році.

“Можливо також, що ми виявляємо ознаки надлегких осі шляхом обстеження надмасивних чорних дірок у Всесвіті. Акуси впливають на співвідношення віджимання до маси чорних дірок, і це можна спостерігати”,-продовжує Калопер. Багато експериментів вже вивчають чорні дірки, з більшою кількістю налаштованих працювати найближчим часом.

“Нарешті, – додає Калопер, – можливо, майбутні пошуки прямої темної речовини виявляють, що темна речовина переважно не складається з надлегких аксіонів. У такому випадку ми вважаємо, що антропічний принцип не вдається”.

Однак цей результат не гарантується.

“З іншого боку, якщо прямі темні обшуки виявляють, що темна речовина насправді є ультралерним аксіоном”, – продовжує Калопер, – тоді я думаю, що ми погодилися б, що антропічний принцип насправді пройшов цей тест; дійсно, це може статися “.

“Мені здається, що це особливо цікаво, що обидва ці варіанти можуть бути експериментально перевірені в не надто віддаленому майбутньому”,-підсумовує Калопер.

“І що – як і мій співробітник, і я знаю, що конкретний приклад – це перший випадок, коли антропічний принцип може фактично провалити тест, на відміну від того, щоб просто заявити, що він не застосовується.

“Справа в тому, що наявність високої інфляції та надлегких осі з масами m> 10^-19 EV означатиме, що темна речовина “повинна бути” Аксіоном: для типових початкових умов ми закінчимося занадто великою темною речовиною, і нам відчайдушно потрібен антропний принцип, щоб обмежити його.

“Щоб виявити, що Аксіон не є темною речовиною, ми робимо висновок, що початкові умови були не просто малоймовірними (що можна зафіксувати антропічно), але надзвичайно малоймовірно, що насправді навіть не підпадає під область антропічних міркувань”.

Отже, нам потрібно буде почекати ще кілька років, можливо, ще довше, щоб зібрати всі необхідні докази, щоб або фальсифікувати, або підтвердити антропний принцип. Але що робити, якщо це не в змозі пройти тест?

“Не змінюючи жодне з інших приміщень (універсальність сили тяжіння, ранньої інфляції та суперрадієвих явищ), невдача нашої простої рецептури антропої дозволяє припустити, що різні правила регулюють початкові умови”, – пояснює Калопер.

“Або різні початкові умови не є однаково ймовірними, деякі упереджені новою динамікою поки що ще не зрозумілими, або що деякі початкові умови взагалі неможливі. Альтернативно, реальна теорія космології може бути складнішою, ніж ми думали”.

“Можна також уявити більш драматичні сценарії, але принаймні поки що, мені здається, що вони здаються польотами фантазії”, – підсумовує Калопер.