Nowy artykuł sugeruje, że można przetestować zasadę antropiczną, mówiącą, że wszechświat jest przystosowany do życia. Byłoby sfałszowane, gdyby obserwacje potwierdziły trzy warunki: wystąpiła kosmiczna inflacja, istnieją aksiony i ciemna materia nie jest zbudowana z aksjonów. Jeśli to prawda, nasz wszechświat wydawałby się wysoce nieprawdopodobny.
„Żyjemy we wszechświecie, który jest dla nas odpowiedni”. Nowa gazetka w Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek (JCAP) przedstawia sposób sprawdzenia tej hipotezy.
Zasada antropiczna, zaproponowana po raz pierwszy przez Brandona Cartera w 1973 r., sugeruje, że wszechświat jest przystosowany do podtrzymywania życia. Od tego czasu pomysł ten wywołał szeroką dyskusję. W swoim nowym artykule fizycy Nemanja Kaloper z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis i Alexander Westphal z Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) zarysowują pierwsze ramy eksperymentalne służące ocenie tej zasady.
Zasada antropiczna (AP) ma różne interpretacje. Obejmują one prosty opis faktów – „jeśli tu to obserwujemy, wszechświat ewoluował w warunkach niezbędnych do pojawienia się inteligentnego życia”, znanego jako słabe AP – po coś nieco bardziej radykalnego: „wszechświat miał ewoluować w sposób, który doprowadził do naszego istnienia.” Ta silniejsza interpretacja, zwana silną AP, często zapuszcza się na terytorium metafizyczne, sugerując swego rodzaju „projekt” i wychodząc poza sferę naukowych badań wszechświata.
Zdaniem wielu naukowców problem z AP polega na tym, że nie jest on szczególnie użyteczny jako narzędzie naukowe, ponieważ nie generuje sprawdzalnych, wymiernych przewidywań, które mogłyby zarówno poszerzyć naszą wiedzę, jak i poddać zasadę analizie. Bez tego pozostaje to bardziej domysłem filozoficznym niż hipotezą naukową.
AP sugeruje jednak, że aby nasz wszechświat rozwinął się jako gościnne miejsce dla życia opartego na węglu, musiał zacząć się od zestawu raczej specyficznych warunków początkowych. Wnioskujemy o tym obserwując na przykład wartości pewnych stałych używanych w równaniach opisujących wszechświat – takich jak stała grawitacji, ładunek elektronu i stała Plancka – które muszą być „w sam raz”. W przeciwnym razie mielibyśmy zupełnie inny i, co najważniejsze, niegościnny wszechświat.
Ustalając dokładne warunki początkowe sugerowane przez AP i obliczając, w oparciu o aktualne modele fizyczne, jak Wszechświat ewoluował do swojego obecnego stanu, moglibyśmy porównać wynik z rzeczywistymi obserwacjami astronomicznymi. Wszelkie rozbieżności między teorią a rzeczywistością stanowiłyby miarę ważności AP.
Nowa praca Nemanji Kalopera i Alexandra Westphala oferuje pewne konkretne przewidywania, które w nadchodzących latach mogą znaleźć potwierdzenie obserwacyjne.
Aby zrozumieć ich propozycję, należy zarysować niektóre kluczowe elementy badań kosmologicznych:
Kosmiczna inflacja
Wszechświat w najwcześniejszych momentach swojego istnienia przeszedł okres gwałtownej ekspansji: w ciągu zaledwie 10 lat-36} sekund urósł od nieskończenie małego rozmiaru (prawie zera) do skali makroskopowej (niektóre teorie opisują go jako rozmiar winogrona lub piłki nożnej). Następnie ekspansja zwolniła, utrzymując się w tempie podobnym do obserwowanego obecnie.
Fizyka w tej wczesnej fazie była bardzo niezwykła, zdominowana przez zjawiska kwantowe (rządzące nieskończenie małe), które wpłynęły na późniejszą ewolucję, umożliwiając powstawanie struktur – galaktyk, gwiazd itd. – które widzimy dzisiaj. Chociaż nie znaleziono jeszcze bezpośrednich dowodów na kosmiczną inflację, jest to solidna teoria, której potwierdzenie obserwacyjne spodziewane jest w nadchodzących latach.
Ciemna materia
Prawdopodobnie o tym słyszałeś: obserwacje eksperymentalne mówią nam, że znaczna część Wszechświata – około pięć szóstych jego materii – składa się z czegoś, czego nie możemy bezpośrednio obserwować.
Nazywamy ją ciemną materią, ale jej prawdziwa natura pozostaje nieznana. Zaproponowano wiele hipotez, a wszystkie oczekują na eksperymentalne potwierdzenie, które ma nastąpić w najbliższej przyszłości.
Osie
Jednym z kandydatów na ciemną materię jest aksjon. Cząstki te – lub, co bardziej prawdopodobne, cała klasa cząstek – są niezwykle lekkie (na przykład znacznie lżejsze od elektronu). Początkowo zaproponowano aksiony, aby wyjaśnić zjawisko kwantowe znane jako naruszenie symetrii CP, które obejmuje słabe oddziaływanie jądrowe, jedną z czterech podstawowych sił (pozostałe to grawitacja, elektromagnetyzm i silne oddziaływanie jądrowe).
Badacze zauważyli jednak, że pewne cechy aksjonów – które, jak się uważa, powstały w dużych ilościach podczas kosmicznej inflacji – są zgodne z cechami oczekiwanymi dla ciemnej materii, np. ich minimalne interakcje zarówno ze sobą, jak i ze zwykłą materią. Obserwacje czarnych dziur mogą potwierdzić ich istnienie w nadchodzących latach.
Testowanie AP polega na połączeniu tych trzech elementów.
„Możliwe, że satelita LiteBIRD odkryje pierwotne fale grawitacyjne w pobliżu obecnych limitów, które odpowiadają inflacji na dużą skalę” – wyjaśnia Kaloper. „Większość kosmologów uznałaby to za potwierdzenie inflacji na dużą skalę”. LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) to eksperyment prowadzony przez Japońską Agencję Badań Przestrzeni Kosmicznej (JAXA) planuje wystartować w 2032 roku.
„Możliwe jest również, że odkryjemy oznaki ultralekkich osi obserwujących supermasywne czarne dziury we wszechświecie. Osie wpływają na stosunek spinu do masy czarnych dziur i można to zaobserwować” – kontynuuje Kaloper. W ramach wielu eksperymentów bada się już czarne dziury, a w najbliższej przyszłości rozpoczną się kolejne.
„Wreszcie” – dodaje Kaloper – „możliwe, że przyszłe bezpośrednie badania ciemnej materii odkryją, że ciemna materia w przeważającej mierze nie składa się z ultralekkich osi. W takim wypadku pomyślelibyśmy, że zasada antropiczna zawodzi.”
Jednak wynik ten nie jest gwarantowany.
„Z drugiej strony, jeśli bezpośrednie poszukiwania ciemnej materii wykażą, że ciemna materia jest w rzeczywistości ultralekkim aksjonem” – kontynuuje Kaloper – „to myślę, że zgodzimy się, że zasada antropiczna faktycznie przeszła ten test; rzeczywiście, to może się zdarzyć.”
„Uważam za szczególnie interesujące, że obie te opcje mogą zostać przetestowane eksperymentalnie w niezbyt odległej przyszłości” – podsumowuje Kaloper. „I to – o ile wiem mój współpracownik i ja – nasz konkretny przykład to pierwszy przypadek, w którym zasada antropiczna może w rzeczywistości nie przejść testu, zamiast po prostu stwierdzić, że nie ma zastosowania. Rzecz w tym, że obecność wielkoskalowej inflacji i ultralekkich osi o masach m > 10-19 eV sugerowałoby, że ciemna materia „musi” być aksjonem: w typowych warunkach początkowych otrzymalibyśmy zdecydowanie za dużo ciemnej materii i desperacko potrzebowalibyśmy zasady antropicznej, aby ją ograniczyć. Aby stwierdzić, że aksjon nie jest ciemną materią, wywnioskowalibyśmy, że warunki początkowe były nie tylko nieprawdopodobne (co można ustalić antropicznie), ale także niezwykle nieprawdopodobne, co tak naprawdę nie mieści się nawet w domenie rozumowania antropicznego.
Będziemy zatem musieli poczekać jeszcze kilka lat, a może nawet dłużej, aby zebrać wszystkie niezbędne dowody umożliwiające sfałszowanie lub potwierdzenie zasady antropicznej. A co jeśli okaże się, że nie zda egzaminu?
„Bez zmiany pozostałych przesłanek (uniwersalności grawitacji, wczesnej inflacji i zjawisk nadpromienistych) niepowodzenie naszego prostego sformułowania antropii sugerowałoby, że warunkami początkowymi rządzą inne reguły” – wyjaśnia Kaloper. „Albo różne warunki początkowe nie są równie prawdopodobne, niektóre są obciążone nową, jeszcze niezrozumiałą dynamiką, albo niektóre warunki początkowe są całkowicie niemożliwe. Alternatywnie, prawdziwa teoria kosmologii może być bardziej skomplikowana, niż nam się wydawało.”
„Można też wyobrazić sobie bardziej dramatyczne scenariusze, ale przynajmniej na razie wydają mi się one jedynie fantazją” – podsumowuje Kaloper.
Odniesienie: „Falsifying anthropics” Nemanji Kalopera i Alexandra Westphala, 10 grudnia 2024 r., Journal of Cosmology i Astrofizyki Cząstek.
DOI: 10.1088/1475-7516/2024/12/017
