Czy Wszechświat powstał specjalnie dla życia? Naukowcy proponują test tej idei

Zasada antropiczna, stwierdzająca, że ​​wszechświat, w którym żyjemy, jest precyzyjnie dostrojony do powołania życia, została po raz pierwszy zaproponowana przez Brandona Cartera w 1973 r. Od tego czasu jest przedmiotem gorącej debaty.

Nowy artykuł opublikowany w czasopiśmie Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), którego autorami są Nemanja Kaloper, fizyk z Wydziału Fizyki i Astronomii na Uniwersytecie Kalifornijskim w Davis, oraz Alexander Westphal, profesor w Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), opisuje po raz pierwszy sposób eksperymentalnego przetestowania tego założenia.

Na początek trochę podstaw. Zasada Antropiczna opiera się na założeniu, że wszechświat, który obserwujemy, musi być dostosowany do istnienia życia, bo... no cóż, istniejemy, aby go obserwować. Gdyby stałe fizyczne, takie jak prędkość światła czy siła grawitacji były, choć odrobinę inne, życie – przynajmniej takie, jakie znamy – nie mogłoby zaistnieć.

Wszechświat jest pełen precyzyjnych wartości. Na przykład: gdyby stała kosmologiczna była choćby minimalnie większa, wszechświat rozszerzałby się zbyt szybko, aby mogły powstać galaktyki, gwiazdy, a tym bardziej planety. Albo gdyby stosunek mas neutronu do protonu był inny, wodór – podstawowy budulec życia – nie mógłby powstać.

Zasada antropiczna może być sformułowana na różne sposoby. Obejmują one zarówno prosty opis faktów - „jeśli jesteśmy tutaj i to obserwujemy, wszechświat ewoluował z warunkami niezbędnymi do powstania inteligentnego życia”, znany jako słaba zasada antropiczna, jak i coś bardziej radykalnego: „wszechświat musiał ewoluować w sposób, który doprowadził do naszego istnienia”.

Ta interpretacja, zwana silną zasadą antropiczną, często zapuszcza się na terytorium metafizyczne, sugerując pewien rodzaj „inteligentnego projektu” i wykraczając poza sferę naukowych dociekań nad wszechświatem.

Problem z zasadą antropiczną, według wielu naukowców, polega na tym, że nie jest ona szczególnie użyteczna jako narzędzie naukowe, ponieważ nie generuje sprawdzalnych, mierzalnych prognoz, które mogłyby zarówno poszerzyć naszą wiedzę, jak i poddać zasadę wnikliwej analizie.

Bez tego pozostaje on bardziej filozoficznym przypuszczeniem niż hipotezą naukową.

Więcej o tajemnicach Wszechświata przeczytasz na Spider's Web:

Zasada antropiczna sugeruje jednak, że aby nasz wszechświat rozwinął się jako miejsce gościnne dla życia opartego na węglu, musiał zacząć od zestawu dość specyficznych warunków początkowych.

Wnioskujemy to, obserwując na przykład wartości pewnych stałych używanych w równaniach opisujących wszechświat, takich jak stała grawitacyjna, ładunek elektronu i stała Plancka, które muszą być „w sam raz”. W przeciwnym razie mielibyśmy zupełnie inny i, co najważniejsze, niegościnny wszechświat.

Poprzez ustalenie dokładnych warunków początkowych zakładanych przez zasadę antropiczną i obliczenie, na podstawie obecnych modeli fizycznych, jak wszechświat ewoluowałby do obecnego stanu, moglibyśmy porównać wynik z rzeczywistymi obserwacjami astronomicznymi.

Wszelkie rozbieżności między teorią a rzeczywistością stanowiłyby miarę ważności zasady antropicznej.

Nowa praca Nemanji Kalopera i Alexandra Westphala przedstawia pewne konkretne przewidywania, które w nadchodzących latach mogą znaleźć potwierdzenie obserwacyjne.

Aby zrozumieć ich propozycję, należy przedstawić kilka kluczowych elementów badań kosmologicznych:

Inflacja kosmiczna

W najwcześniejszych momentach swojego istnienia wszechświat przeszedł okres szybkiej ekspansji: w ciągu zaledwie 10 ^-36 sekundy urósł z nieskończenie małego rozmiaru (prawie zera) do skali makroskopowej.

Następnie ekspansja zwolniła, kontynuując rozszerzanie Wszechświata w tempie podobnym do tego, które obserwujemy dzisiaj. Fizyka w tej wczesnej fazie była wysoce niezwykła, zdominowana przez zjawiska kwantowe, które wpłynęły na późniejszą ewolucję, umożliwiając powstawanie struktur - galaktyk, gwiazd itd., które widzimy dzisiaj.

Chociaż bezpośrednich dowodów na kosmiczną inflację jeszcze nie znaleziono, jest to solidna teoria z oczekiwanymi potwierdzeniami obserwacyjnymi w nadchodzących latach.

Ciemna materia

Obserwacje eksperymentalne mówią nam, że znaczna część wszechświata, około pięć szóstych jego materii, składa się z czegoś, czego nie możemy bezpośrednio zaobserwować. Nazywamy to ciemną materią, ale jej prawdziwa natura pozostaje nieznana.

Zaproponowano wiele hipotez, wszystkie czekają na potwierdzenie eksperymentalne, którego można się spodziewać w niedalekiej przyszłości.

Aksjony

Jednym z kandydatów na ciemną materię jest aksjon. Te cząstki, lub, co bardziej prawdopodobne, cała klasa cząstek, są niezwykle lekkie (znacznie lżejsze niż na przykład elektron). Aksjony zostały początkowo zaproponowane w celu wyjaśnienia zjawiska kwantowego znanego jako naruszenie symetrii CP, które obejmuje słabe oddziaływanie jądrowe, jedną z czterech podstawowych sił (pozostałe to grawitacja, elektromagnetyzm i silne oddziaływanie jądrowe).

Jednak naukowcy zauważyli, że pewne cechy aksjonów, o których uważa się, że powstały w dużej obfitości podczas epoki inflacji, są zgodne z tymi oczekiwanymi dla ciemnej materii, takimi jak ich minimalne oddziaływania zarówno z sobą, jak i zwykłą materią. Obserwacje czarnych dziur mogą potwierdzić ich istnienie w nadchodzących latach.

Testowanie zasady antropicznej polega na połączeniu tych trzech elementów.

Jeśli początkowe warunki naszego wszechświata były niezwykle rzadkie, to tym bardziej zaskakujące jest, że w ogóle zaistniały. Im mniej prawdopodobne początkowe warunki wszechświata, tym bardziej kusząca wydaje się zasada antropiczna.

Odpowiedzi na kluczowe pytania może przynieść najbliższa przyszłość. Możliwe, że satelita LiteBIRD odkryje pierwotne fale grawitacyjne. Większość kosmologów uznałaby to za potwierdzenie teorii inflacji. LiteBIRD to eksperyment, który Japońska Agencja Eksploracji Aerokosmicznej (JAXA) planuje uruchomić w 2032 r.

Wiele eksperymentów już bada czarne dziury, a więcej ma rozpocząć działanie w niedalekiej przyszłości.

Szczególnie interesujące wydaje się naukowcom to, że obie te opcje mogą zostać przetestowane eksperymentalnie w niedalekiej przyszłości.

Tak więc będziemy musieli poczekać jeszcze kilka lat, a może nawet dłużej, aby zebrać wszystkie niezbędne dowody, aby obalić lub potwierdzić zasadę antropiczną.

Eksperymenty tego typu to prawdziwe wyzwanie. Wymagają analizy danych z najdokładniejszych teleskopów i instrumentów oraz symulacji, które mogą trwać latami na superkomputerach. Ale stawka jest ogromna. Jeśli uda się potwierdzić lub obalić zasadę antropiczną, zmienimy sposób, w jaki postrzegamy swoje miejsce we wszechświecie.

Zasada antropiczna dotyka jednych z najgłębszych pytań, jakie ludzkość kiedykolwiek zadała: Dlaczego istniejemy? Czy wszechświat jest przypadkiem, czy efektem jakiegoś wyższego porządku? Dzięki pracy takich naukowców jak Kaloper i Westphal możemy być o krok bliżej odpowiedzi na te pytania.

A co ty o tym myślisz? Czy wszechświat został dostrojony do życia, czy też jesteśmy jedynie wynikiem kosmicznego rzutu kostką?

Główna ilustracja: Filary Stworzenia, słupy międzygwiezdnego skoncentrowanego pyłu i gazu znajdujące się w centrum Mgławicy Orzeł w gwiazdozbiorze Węża, około 6500 lat świetlnych od Ziemi. Fot. NASA