Наша Вселенная может быть не самой благоприятной для жизни
Физики давно спорят, почему Вселенная способна поддерживать эволюцию разумной жизни. Значения фундаментальных констант (около 30) кажутся идеально подобранными для этого.
Например, если бы гравитация была намного слабее, материи было бы трудно собираться в звёзды и планеты. Если бы она была сильнее — это тоже создало бы проблемы. Почему нам так повезло?
Наше исследование с коллегами Джоном Пикоком и Лукасом Ломбризером предполагает, что наша Вселенная может быть не оптимально настроена для жизни. Возможно, мы живём не в самой вероятной из возможных вселенных.
Мы изучили, как на возникновение разумной жизни влияет плотность «тёмной энергии» — загадочной силы, ускоряющей расширение Вселенной.
Антропный принцип
Мы проверили, может ли «антропное рассуждение» дать подходящий ответ. Эта идея предполагает, что мы можем вывести свойства Вселенной из факта нашего существования.
В конце 80-х лауреат Нобелевской премии Стивен Вайнберг предложил возможное антропное объяснение для наблюдаемой плотности тёмной энергии.
Его рассуждение:
- Большая плотность тёмной энергии ускоряет расширение Вселенной.
- Это противодействует гравитации, мешая образованию галактик.
- Меньше галактик — меньше звёзд, которые необходимы для жизни.
- Слишком много тёмной энергии снижает шансы появления разумной жизни.
Вайнберг рассмотрел мультивселенную разных возможных вселенных, каждая со своей плотностью тёмной энергии. Только крошечная доля вселенных имела бы достаточно малую плотность тёмной энергии, чтобы позволить появиться жизни. Это объяснило бы, почему мы наблюдаем мало тёмной энергии, — иначе мы бы не существовали.
Потенциальная проблема рассуждения Вайнберга — предположение, что доля вещества, превращающегося в галактики, пропорциональна количеству образовавшихся звёзд. Сейчас мы знаем, что это не так просто.
Подсчёт звёзд
Наша цель — определить количество звёзд, сформированных за всю историю вселенной с заданной плотностью тёмной энергии.
Наша методология:
- Мы выбрали плотность тёмной энергии от нуля до 100 000 раз больше наблюдаемой.
- Оценили ежегодное количество звёзд, образующихся в галактиках со временем, на основе баланса между холодным газом (топливо) и галактическими оттоками (препятствие).
- Определили долю обычного вещества, превращённую в звёзды за всю жизнь модели вселенной. Это число выражает эффективность вселенной в производстве звёзд.
Мы предположили, что вероятность возникновения разумной жизни во вселенной пропорциональна её звёздообразовательной эффективности.
Результаты:
- Наиболее благоприятная для жизни вселенная содержит около одной десятой от наблюдаемой нами плотности тёмной энергии.
- Наша Вселенная не является самой идеальной, но и не слишком далека от неё.
Чтобы проверить антропное рассуждение Вайнберга, мы представили, что выбираем случайную разумную жизнь в мультивселенной и спрашиваем, какую плотность тёмной энергии она наблюдает.
Ключевой вывод: 99,5% таких наблюдателей испытали бы бóльшую плотность тёмной энергии, чем в нашей Вселенной. Мы, по-видимому, населяем редкую и необычную вселенную в мультивселенной.
Аналогия с шариками:
- Представьте 100 коробок (вселенных) и 300 шариков (наблюдателей).
- В первую коробку (с малым количеством тёмной энергии) кладём 100 шариков — в ней больше всего жизни.
- Во вторую — 4 шарика, в остальные — по 2.
- Если случайно выбрать один шарик из всех коробок, он, скорее всего, не будет из первой коробки.
Аналогично, вселенные с малым количеством тёмной энергии более гостеприимны для жизни индивидуально. Но жизнь, хотя и менее вероятно, всё же может зародиться во многих вселенных с изобилием тёмной энергии — в них всё равно будет несколько звёзд. Большинство наблюдателей во всех вселенных окажутся именно там.
Мы также обнаружили, что самый типичный наблюдатель измерил бы значение плотности тёмной энергии примерно в 500 раз больше, чем в нашей Вселенной.
Выводы
Наши результаты ставят под сомнение антропный аргумент о том, что наше существование объясняет низкое значение тёмной энергии. Мы могли бы с большей вероятностью оказаться во вселенной с более высокой плотностью тёмной энергии.
Антропное рассуждение ещё можно спасти с помощью более сложных моделей мультивселенной. Например, если позволить изменяться количеству как тёмной энергии, так и обычного вещества в разных вселенных.
В любом случае, наши выводы предостерегают от упрощённого применения антропных аргументов. Это делает проблему тёмной энергии ещё более сложной. Космологам предстоит серьёзно поработать, чтобы разгадать эту головоломку.