Неманья Калопер из Калифорнийского университета в Дэвисе и Александр Вестфаль из Немецкого электронного синхротрона (DESY) опубликовали в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics статью, в которой рассказали, как можно проверить эту идею на практике.

Антропный принцип описывает идею, что Вселенная устроена так, чтобы в ней могла появиться разумная жизнь.

Есть две версии этого принципа:

1. Слабый антропный принцип просто говорит о том, что мы можем наблюдать Вселенную, потому что она развивалась с условиями, необходимыми для жизни.
2. Сильный антропный принцип утверждает, что Вселенная должна была развиваться именно так, чтобы привести к нашему существованию. Это более радикальная идея, которая может показаться ненаучной, поскольку предполагает некий «дизайн» и выходит за рамки научного исследования Вселенной.

Многие ученые считают, что антропный принцип не очень полезен как научный инструмент, потому что он не дает проверяемых предсказаний, которые могли бы расширить наши знания и подвергнуть принцип тщательной проверке. Без этого он остается скорее философской догадкой, чем научной гипотезой.

Чтобы Вселенная стала пригодной для жизни, основанной на углероде, нужны были определенные условия в самом начале. Мы это понимаем, когда смотрим на значения некоторых констант, которые описывают Вселенную: гравитационную постоянную, заряд электрона и постоянную Планка. Эти значения должны быть «правильными», чтобы Вселенная была гостеприимной.

Если мы установим точные начальные условия, как их предполагает теория, и посмотрим, как Вселенная развивалась бы до сегодняшнего дня с помощью современных физических моделей, мы сможем сравнить результат с реальными астрономическими наблюдениями. Если будут расхождения между теорией и реальностью, это поможет оценить правильность теории.

Новая работа Неманьи Калопера и Александра Вестфаля предлагает несколько конкретных предсказаний, которые могут найти наблюдательное подтверждение в ближайшие годы.

Чтобы понять их предложение, необходимо описать некоторые ключевые элементы космологических исследований:

Космическая инфляция

В самом начале своего существования Вселенная очень быстро увеличилась в размерах. За невероятно короткое время — 10 в -36 степени секунд — она выросла с бесконечно малых размеров почти до нуля, а затем стала макроскопической. По некоторым теориям она достигла размера виноградины или футбольного мяча.

После этого расширение Вселенной замедлилось и продолжилось со скоростью, которую мы наблюдаем сегодня. На этом раннем этапе Вселенная управлялась квантовыми явлениями, которые повлияли на ее дальнейшую эволюцию. Благодаря им появились галактики, звезды и другие структуры, которые мы видим сейчас.

Пока нет прямых доказательств инфляции Вселенной, но эта теория считается надежной и может быть подтверждена наблюдениями в ближайшие годы.

Темная материя

Мы знаем, что большая часть Вселенной — около пяти шестых ее материи — состоит из чего-то невидимого. Это называется темной материей. Никто не знает, что это такое на самом деле. Есть много разных предположений, но пока ни одно из них не доказано. Возможно, скоро мы узнаем больше об этом явлении.

Аксионы

Аксионы — это очень легкие частицы, которые рассматриваются как один из возможных кандидатов на роль темной материи. Изначально их предложили для объяснения явления под названием «нарушение CP-симметрии», связанного со слабым ядерным взаимодействием.

Ученые заметили, что некоторые свойства аксионов совпадают с ожидаемыми свойствами темной материи, например слабое взаимодействие друг с другом и с обычной материей. Если наблюдения за черными дырами подтвердятся в ближайшие годы, это может стать доказательством существования аксионов.

Спутник LiteBIRD, запуск которого планируется в 2032 году, может обнаружить первобытные гравитационные волны. Это будет подтверждением высокомасштабной инфляции — явления, которое происходило сразу после Большого взрыва.

Также мы можем найти признаки существования сверхлегких частиц, называемых аксионами. Они могут влиять на черные дыры во Вселенной. Если мы обнаружим это влияние, то сможем наблюдать за черными дырами по-новому, — объясняет Калопер.

Многие эксперименты уже изучают черные дыры, и еще больше экспериментов начнут работать в ближайшем будущем.

«Наконец, — добавляет Калопер, — возможно, что в ходе будущих прямых поисков темной материи будет обнаружено, что темная материя преимущественно не состоит из сверхлегких аксионов. В этом случае мы будем считать, что антропный принцип не работает».

Однако такой исход не гарантирован.

«С другой стороны, если прямые поиски темной материи обнаружат, что темная материя на самом деле состоит из сверхлегких аксионов, — продолжает Калопер, — тогда, я думаю, мы согласимся, что антропный принцип фактически прошел этот тест; более того, это может произойти».

Мне кажется интересным, что оба варианта можно будет проверить в ближайшее время. Мы с коллегой думаем, что наш пример — это первый случай, когда принцип, согласно которому мы видим Вселенную такой, потому что только в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, может не пройти проверку.

Дело в том, что если есть инфляция (расширение пространства после Большого взрыва) и сверхлегкие аксионы (гипотетические частицы), то темная материя должна состоять из них. Но если взять обычные начальные условия, то получится слишком много темной материи. Чтобы ее было меньше, нужен принцип, по которому во Вселенной должен быть наблюдатель.

Если окажется, что аксионы не составляют темную материю, это будет означать, что начальные условия были не просто маловероятными, а крайне маловероятными. И тогда принцип наблюдателя уже не поможет объяснить происходящее, — заключает Калопер.

Нам придется еще немного подождать, может быть даже долго, чтобы собрать все нужные доказательства и понять, правда ли то, что мы живем в особенном мире, который будто бы создан для людей. Если окажется, что это не так, то нам придется искать другое объяснение нашего существования.

Мы предположили, что гравитация действует на все одинаково, Вселенная в прошлом расширялась очень быстро (это называется инфляцией) и происходили сверхизлучающие явления. Но наша простая идея о том, почему мы существуем, не сработала. Это говорит о том, что есть другие правила, которые управляют начальными условиями Вселенной.

Возможно, некоторые начальные условия более вероятны, чем другие, или они вообще невозможны. Может быть, реальная теория космологии сложнее, чем мы думали.

Можно представить себе более сложные сценарии, но сейчас они кажутся фантастическими, — заключает Калопер.

Ранее ученые предположили, что и в ранней Вселенной могла быть жизнь.