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 ^[1] 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 ^[2], 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

Автором принципа считается ^[3] 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:

1. 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.

2. 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 ^[4], 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 ^[5], 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 ^[6]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 ^[7]. Поэтому команда Даниэля Сорини взяла на вооружение гипотезу Стивена Вайнберга ^[8], 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 ^[9] 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:

1. 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.

2. 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 ^[9], 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.

• Космический развод: зачем России национальная орбитальная станция? ^[12]

• Как SpaceX нарушила Договор о космосе первым выходом частного астронавта в космос — и почему это хорошо для компании ^[13]

• Венера-7»: первый аппарат, который нырнул в инопланетный ад и подал оттуда весточку ^[14]