Вселенная не идеальна, но нам повезло в ней оказаться
Привет! Меня зовут Саша Баулин, я работаю в МТС Диджитал и люблю писать про научно-технологический прогресс на примере космических исследований. Вы не представляете, насколько они могут касаться наших повседневных событий и смысла жизни. Например, сегодня на Хабре вышел пост на тему, приспособлена ли Вселенная к тому, чтобы мы в ней появились. Я решил написать, что такое антропный принцип, как он связан с формулой Дрейка и поиском внеземного разума. И покажу это на примере исследования под руководством Даниэля Сорини.
А начну с очень личного вопроса: верите ли вы в бога? В XX веке внезапно ученые оказались в шаге от того, чтобы задаться им в рамках изучения физики. Роберт Х. Дикке, Фред Хойл и другие обнаружили, что законы нашей Вселенной как будто специально подобраны для появления в ней жизни. Изменись константы в законе Ньютона и паре других формул — и не образовались бы звездные системы, а атомы распались бы на протоны и нейтроны. А значит, и эти константы было бы некому измерить.
Так насколько наша Вселенная «подогнана» под появление человека? Спойлер: исследователи пришли к выводу, что Лейбниц был неправ: наша Вселенная не самая вероятная и благоприятная для зарождения жизни. Об этом сегодня и поговорим.
Чтобы понять суть исследования ученых, нужно затронуть антропный принцип и уравнение Дрейка. С них и начнем.
Антропный принцип
Млечный путь над дорогой. Источник ESO/Daniele Gasparri www.astroatacama.com
Автором принципа считается британский физик Брэндон Картер (Brandon Carter). Он впервые сформулировал эту концепцию в 1973 году на симпозиуме, посвященном 500-летию Коперника. Картер выступил с докладом, в котором предложил:
Сильный антропный принцип.Предполагает, что, а «должна» обладать свойствами, которые позволяют появиться разумной жизни. Этот вариант иногда интерпретируется как намек на целенаправленный замысел и высшие силы, но сам Картер был осторожен с такими выводами.
Слабый антропный принцип.Согласно ему, физические параметры Вселенной наблюдаются такими, какие они есть, потому что иначе нас просто бы не существовало. Это по сути наблюдательное утверждение: в любой Вселенной, где невозможно существование наблюдателей, не будет и тех, кто мог бы изучать ее свойства.
Антропный принцип остается предметом философских и научных споров. Критики указывают, что он, скорее, описывает наблюдательный эффект, чем дает объяснение фундаментальным свойствам Вселенной: «Если бы условия не сложились, то мы бы и не обсуждали антропный принцип». Тем не менее именно эта идея вдохновила ученых, включая Роберта Х. Дикке и Фреда Хойла, развивать гипотезы о «точной настройке».
Роберт Х. Дикке предположил, что определенные физические константы, такие как скорость света, гравитационная постоянная или заряд электрона, имеют именно те значения, которые делают возможным формирование сложных химических элементов, галактик, звезд, планет и в конечном счете жизни.
Фред Хойл в середине XX века показал, что процесс образования углерода в ядрах звезд требует существования определенного энергетического состояния ядра углерода-12. Иначе химический элемент, на котором основана вся известная нам жизнь, не мог бы образоваться.
Формула Дрейка
В 1960-х годах американский астрофизик и астробиолог Фрэнк Дрейк предложил формулу для оценки числа разумных цивилизаций во Вселенной. В ней учитываются такие параметры, как количество звезд, образующихся в галактике в единицу времени, вероятность, что у светила возникнет пригодная для жизни планета, вероятность, что на ней жизнь появится и разовьется до передачи сигналов.
Проблема с формулой Дрейка в том, что на данный момент провести вычисления с ее помощью невозможно. Почему? Нам неизвестны значения большинства переменных. Например, доля планет, на которых возникает жизнь. Пока что мы знаем только одну такую планету — нашу, этого явно недостаточно. Мы не в курсе, на скольких планетах с уже существующей жизнью развивается разум. И конечно, человечество не знает долю цивилизаций с технологиями коммуникаций и среднее время их существования.
Зачем тогда все это? Уравнение служит руководством для будущих исследователей и показывает, на что обращать внимание в поисках внеземной жизни.
Настроена ли Вселенная «под нас», или нам просто очень повезло?
Позвольте краткий курс космологии: после Большого взрыва в нашей Вселенной образовалось барионное вещество, темная материя и темная энергия. Из барионов состоят все видимые структуры во Вселенной: газ, звезды, планеты и так далее. Тут надо бы сделать оговорку насчет черных дыр, но это тема для отдельного поста — пишите в комментариях, если стоит ее писать.
Темную материю мы не видим, но можем ощущать ее гравитационное влияние на барионное вещество. Собственно, именно она образовала те «карманы», в которые собрались водород, гелий и другие вещества в ранней Вселенной и образовали звезды и другие небесные тела. Темная энергия влияет на расширение Вселенной, помогая галактикам ускоренно разбегаться друг от друга.
Итого у нас есть три составляющих: барионное вещество, темная материя, темная энергия. С последней особенно удобно работать — ее влияние описывается одной величиной, космологической постоянной. Поэтому команда Даниэля Сорини взяла на вооружение гипотезу Стивена Вайнберга, по которой значение космологической постоянной (помним, что она определяет воздействие темной энергии) может варьироваться в разных областях мультивселенной. Выше мы отметили, что эта теория не может считаться научной. Но в данном случае важно, что она позволила ученым симулировать множество вселенных с разным значением космологической постоянной.
Дальше ученые обратились к формуле Дрейка. Точные значения переменных в ней неизвестны, но она показывает — чем больше звезд, тем выше шансы на жизнь. Просто потому, что вокруг них есть планеты, на которых она и зарождается. Поэтому команда Сорини сосредоточилась на звездах. Они исследовали, как значение космологической постоянной влияет на звездообразование.
«Наши вычисления базируются на логике формулы Дрейка, — рассказал Сорини. — Мы работаем с той ее частью, что связана со звездами, о которых человечеству что-то уже известно». Команда астрофизиков пришла к выводу, что космологическая постоянная оказывает ключевое влияние на скорость звездообразования. А значит, во Вселенной, заточенной под появление человека, значение космологической постоянной должно было бы быть оптимальным для звездообразования.
Что показало исследование
Авторы исследования смоделировали множество таких вселенных с их прошлым и будущим. Для симуляции истории всех этих систем Сорини применил слегка модифицированную версию модели звездообразования. Он разработал ее в 2021 году вместе с британским астрономом Джоном А. Пикоком.
Следующий шаг — определение множества возможных вселенных, в которых значение космологической постоянной варьировалось от миллиардных долей показателя, наблюдаемого в нашей Вселенной, до значения, превышающего ее в 100 000 раз.
И вот что удалось выяснить:
Условия нашей с вами системы не идеальны для появления звезд. Максимальная доля барионного вещества — 28% — преобразуется в звезды при космологической постоянной в 10 раз ниже той, что наблюдается в нашей Вселенной. Пока-пока, сильный антропный принцип.
И все же нашу Вселенную можно назвать сносной — 23% барионного вещества собирается в звезды. Если бы космологическая постоянная была всего в 30 раз выше, небо было бы очень скучным.
Как видите, значение в нашей Вселенной (вертикальная линия) несколько промахивается мимо идеального, но вполне высокое. Горизонтальная линия показывает минимальное значение по оси y, при котором образуются звезды — мы не так уж далеко от пустынной Вселенной.
Если визуализировать, это выглядит так:
На левом верхнем рисунке показано небо при идеальном звездообразовании. На правом верхнем — в нашей Вселенной, в левом нижнем — во Вселенной, где космологическая константа в 10 раз выше нашей и справа внизу — в 30 раз, звезд там практически не будет.
Последний вопрос, который исследовала команда, касался того, насколько нам повезло существовать в нашей Вселенной. Согласно расчетам Сорини, если все вселенные в мультивселенной равновероятны, вероятность того, что космологическая постоянная окажется равной или меньше значения, наблюдаемого в нашей Вселенной, составляет всего 0,5%. Иными словами, нам все-таки сильно повезло, хотя мог бы быть вариант и получше.
В будущем ученые планируют добавить в модель дополнительные параметры, чтобы более точно оценить количество инопланетных цивилизаций.
Что еще почитать:
