Антропният принцип гласи, че основните параметри на Вселената, като силата на фундаменталните сили, са фино настроени, за да поддържат живота. Дали това е вярно или не, и дали дори си заслужава научно изследване, се обсъжда горещо. Нова статия предлага някои начини, по които това вече може да бъде тествано и може би поставя темата под научна проверка за първи път.

Идеята за антропния принцип е предложена за първи път от физика Брандън Картър през 1973 г. Предложението на Картър е внесено на конференция за отбелязване на 500-годишнината от рождението на Николай Коперник. Оттогава тази идея предизвиква разгорещени дебати.

Принципът се опитва да рационализира очевидната „фина настройка“ на различни универсални параметри, които поддържат космос, в който могат да съществуват наблюдатели като хора. Ако параметрите са малко по-различни, животът може да не се развие.

Сега статия, публикувана в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics, с автор Неманя Калопер (Nemanja Kaloper), физик от Катедрата по физика и астрономия в Калифорнийския университет, Дейвис, и Александер Вестфал (Alexander Westphal), професор в Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), описва за първи път начин за експериментално тестване на това предположение.

Антропният принцип (АП) може да бъде формулиран по различни начини. Те варират от просто описание на фактите – „ако ние тук го наблюдаваме, Вселената е еволюирала с условията, необходими за появата на интелигентен живот“, известно като слаб АП – до нещо малко по-радикално: „Вселената е трябвало да се развивие по начин, който да доведе до нашето съществуване“.

Тази по-силна интерпретация, наречена силен АП, често се впуска в територията на метафизиката, предполагайки някакъв „дизайнер“ и излизайки отвъд сферата на научното изследване на Вселената.

Според много учени проблемът с АП е, че той не е особено полезен като научен инструмент, тъй като не генерира проверими, количествено измерими прогнози, които биха могли както да разширят познанията ни, така и да подложат принципа на проверка. Без това той си остава по-скоро философско предположение, отколкото научна хипотеза.

АП обаче предполага, че за да се развие нашата вселена като гостоприемно място за живот, базиран на въглерод, тя трябва да е започнала с набор от доста специфични първоначални условия. Ние правим извод за това, наблюдавайки например стойностите на определени константи, използвани в уравненията, които описват Вселената - като гравитационната константа, заряда на електрона и константата на Планк - които трябва да са „правилни“. В противен случай щяхме да имаме много различна и, най-важното, негостоприемна вселена.

Чрез установяване на точните начални условия, подразбиращи се от АП и изчисляване, въз основа на настоящите физически модели, как би се развила Вселената до сегашното си състояние, бихме могли да сравним резултата с действителните астрономически наблюдения. Всякакви несъответствия между теорията и реалността биха предоставили мярка за валидността на АП.

Новата работа на Неманя Калопер и Александър Вестфал предлага някои конкретни прогнози, които биха могли да намерят потвърждение от наблюдения през следващите години.

За да се разбере тяхното предложение, трябва да се очертаят някои ключови елементи в космологичните изследвания:

Космическата инфлация

В най-ранните моменти от съществуването си Вселената претърпява период на бързо разширяване: само за 10 -36 секунди тя нараства от безкрайно малък размер (почти нула) до макроскопичен мащаб (някои теории го описват като размер на зърно грозде или футболна топка). След това разширяването се забавя, продължавайки с темпове, подобни на тези, които наблюдаваме днес.

Физиката по време на тази ранна фаза е изключително необичайна, доминирана от квантови явления (управляващи безкрайно малките обекти), които повлияват на последващата еволюция, позволявайки формирането на структури - галактики, звезди и така нататък - които виждаме днес. Въпреки че все още не са намерени преки доказателства за космическата инфлация, това е стабилна теория с очаквани потвърждения от наблюдения през следващите години.

Тъмна материя

Вероятно сте чували за това: експерименталните наблюдения ни казват, че значителна част от Вселената - около пет шести от нейната материя - е съставена от нещо, което не можем да наблюдаваме директно. Наричаме я тъмна материя, но истинската й природа остава неизвестна. Предложени са много хипотези, всички очакващи експериментално потвърждение, което се очаква в близко бъдеще.

Аксиони

Един от кандидатите за тъмна материя е аксионът. Тези частици - или, по-вероятно, цял клас частици - са изключително леки (много по-леки от електрона например). Първоначално аксионите са предложени за обяснение на квантов феномен, известен като нарушение на CP симетрията, което включва слабото ядрено взаимодействие, една от четирите основни сили (другите са гравитацията, електромагнетизмът и силното ядрено взаимодействие).

Изследователите обаче забелязват, че някои характеристики на аксионите - за които се смята, че са се образували в голямо изобилие по време на космическата инфлация - съответстват на тези, които се очакват за тъмната материя, като например техните минимални взаимодействия както със себе си, така и с обикновената материя. Наблюденията на черни дупки могат да потвърдят съществуването им през следващите години.
Проверка на АП

Тестването на АП включва комбинирането на тези три елемента.

„Възможно е сателитът LiteBIRD да открие първични гравитационни вълни, близки до настоящите граници, които съответстват на високомащабна инфлация“, обяснява Калопер. „Повечето космолози биха почувствали, че това потвърждава високомащабна инфлация."

LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) е експеримент, който Японската агенция за аерокосмически изследвания (JAXA) планира да стартира през 2032 г.

„Възможно е също така да открием признаци на свръхлеки аксиони чрез изследване на свръхмасивни черни дупки във Вселената. Аксионите влияят на съотношението въртене към маса на черните дупки и това може да се наблюдава“, предполага Калопер. Много експерименти вече изучават черните дупки, а други ще започнат да работят в близко бъдеще.

„Накрая“, добавя Калопер, „възможно е бъдещи директни търсения на тъмна материя да открият, че тъмната материя не се състои предимно от ултралеки аксиони. В този случай бихме помислили, че антропният принцип се проваля."

Този резултат обаче не е гарантиран.

„От друга страна, ако директните търсения на тъмната материя открият, че тъмната материя всъщност е ултралек аксион“, продължава Калопер, „тогава мисля, че ще се съгласим, че антропният принцип всъщност е преминал този тест; наистина, това може да се случи ."

„Намирам за особено интересно, че и двете опции могат да бъдат експериментално тествани в недалечното бъдеще“, заключава Калопер.

Ако липсват аксиони, предполага Калопер, „антропният принцип се проваля“. Обратно, тяхното откритие може да потвърди АП.

„Нашият конкретен пример е първият случай, в който антропният принцип всъщност може да се провали на теста, за разлика от простото обявяване, че не е приложим.

„Въпросът е, че наличието на високомащабна инфлация и ултралеки аксиони с маси m > 10 -19 eV би означавало, че тъмната материя „трябва“ да е аксион: за типичните начални условия ще се окажем с твърде много тъмна материя и ние отчаяно ще се нуждаем от антропния принцип, за да я ограничим.

„За да открием, че аксионът не е тъмна материя, бихме заключили, че първоначалните условия са били не просто малко вероятни (които могат да бъдат фиксирани антропно), но изключително малко вероятни, което всъщност дори не попада в областта на антропичните разсъждения."
Последици за космологията

Работата на Неманя Калопер и Александър Вестфал представлява първото сериозно усилие за проверка на АП.

Така че ще трябва да изчакаме още няколко години, може би дори повече, за да съберем всички необходими доказателства, за да опровергаем или потвърдим антропния принцип.

Но какво ще стане, ако се окаже, че Антропния принцип не може да премине теста?

„Без да променяме нито една от другите предпоставки (универсалност на гравитацията, ранна инфлация и свръхрадиация), провалът на нашата проста формулировка на антропиците би предполагал, че различни правила са управлявали първоначалните условия“, обяснява Калопер.

„Или различните начални условия не са еднакво вероятни, някои са предпоставени от нова динамика, която все още не е разбрана, или че някои начални условия са напълно невъзможни. Алтернативно, истинската теория на космологията може да е по-сложна, отколкото си мислехме."

„Човек може да си представи и по-драматични сценарии, но поне засега ми изглеждат като фантазия“, заключава Калопер.

Справка: Falsifying Anthropics, Nemanja Kaloper, Alexander Westphal; https://arxiv.org/abs/2404.02993

Източници:

 'We live in a universe that is just right for us': Study proposes a test for the Anthropic Principle, International School of Advanced Studies (SISSA)

Has the Universe Been Designed to Support Life? Now We Have a Way to Test it!, Universe today

Falsifying the role of the Anthropic Principle in Cosmology, Space daily