Определенные константы физики необычайно тонко настроены для того, чтобы во Вселенной могла возникнуть жизнь

На протяжении почти полувека физики-теоретики сделали ряд весьма интересных открытий: определенные константы в основе физики, похоже, необычайно тонко настроены, специально для того, чтобы во Вселенной могла возникнуть жизнь. Эти константы лежат в Стандартной модели элементарных частиц, они отвечали за образование ядер водорода в процессе Большого Взрыва и за изначальное слияние атомов углерода и кислорода в центрах первых массивных звезд, которые взорвались как сверхновые. Эти процессы, в свою очередь, подготовили почву для солнечных систем и планет, способных поддерживать жизнь с углеродной основой, зависимой от воды и кислорода.

Теория так называемого антропного принципа была впервые предложена Брэндоном Картером, профессором астрофизики Кембриджского университета. Впоследствии в широких дебатах вокруг этой теории принимал участие известный ученый Стивен Хокинг, а также другие физики по всему миру.

Немецкий ученый Ульф Мейсснер, один из главных теоретических физиков-ядерщиков при Институте Гельмгольца и Университете Бонна, добавил в серию открытие, поддерживающее антропный принцип.

В новом исследовании под названием «Антропные соображения в ядерной физике», опубликованном в пекинском журнале Science Bulletin, профессор Мейсснер излагает взгляд на антропный принцип с точки зрения астрофизики и физики частиц. Вот его логическая цепь:

«Мы можем обеспечить физическими экспериментами это довольно абстрактное заявление (собственно, антропный принцип), изучив специфические процессы вроде генерации элементов. Для этого понадобятся компьютеры с высокой производительностью, которые позволят нам смоделировать миры, в которых фундаментальные параметры, лежащие в основе ядерной физики, принимают значения, отличные от тех, что имеются в Природе», — объясняет он.

«Конкретные проблемы физики, к которым мы хотим обратиться, чтобы понять чувствительность генерации легких элементов в процессе Большого Взрыва, означают изменение массы легкого кварка m_q, а также изучение того, как прочность условий резонанса в тройном альфа-процессе, то есть близости так называемого состояния Хойла к энергии 4He+8Be, зависит от вариаций в m_q  и электромагнитной постоянной тонкой структуры α_{EM}».

Первоначально Брэндон Картер изложил свою теорию так: «Вселенная (а значит и фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы признать создание наблюдателей в ней на определенном этапе».

Стивен Хокинг, эксперт по Большому Взрыву и космической инфляции, расширил диалог вокруг антропного принципа до серии статей и книг. В «Краткой истории времени» он излагает множество астрофизических явлений и констант, которые косвенно подтверждают антропный принцип, и спрашивает: «Почему Вселенная начала с такой предельной скоростью расширения, которая отделила модель повторного коллапса от вечного расширения, что даже сейчас, спустя десятки миллионов лет назад, продолжает расширяться почти с критической скоростью? Если бы скорость расширения спустя секунду после Большого Взрыва была хотя бы на одну часть из сотен тысяч миллионов миллионов меньше, Вселенная повторно коллапсировала бы еще до того, как достигла бы нынешних размеров».

Профессор Мейсснер, объясняя свое исследование, сообщает следующее: «Вселенная, в которой мы живем, характеризуется определенными параметрами, имеющими конкретные значения, которые настолько замечательно доработаны, что делают возможной жизнь, в том числе и земную».

«Например, возраст Вселенной должен быть достаточно большим, чтобы позволить сформироваться галактикам, звездам и планетам, а также второму и третьему поколению звезд, которые будут включать углерод и кислород, распространившиеся от ранее взорвавшихся звезд», — говорит он.

«На микроскопических же масштабах некоторые фундаментальные параметры Стандартной модели, масс легких кварков или электромагнитной постоянной тонкой структуры должны принимать значение, которое позволяет сформироваться нейтронам, протонам и атомным ядрам».

И хотя первичный нуклеосинтез Большого Взрыва привел к появлению ядер водорода и альфа-частиц (ядер 4He), элементы, необходимые для жизни (кислород и углерод), были произведены позже внутри массивных звезд, которые ярко горели и быстро умерли; некоторая часть — в процессе взрыва сверхновых, которые распространили эти элементы для последующих поколений звездных систем.

В одной серии экспериментов с участием сложных компьютерных симуляций на JUQUUEN в Исследовательском центре Юлиха профессор Мейсснер и его коллеги изменили значения масс легких кварков, обнаруженных в природе, чтобы определить, как сильно изменение повлияет на образование углерода или кислорода внутри массивных звезд.

«Изменения масс легких кварков на 2-3 процента вряд ли будут катастрофическими для образования жизненно важного углерода или кислорода», — к такому выводу пришли ученые.

Обращаясь к генерации ядер первых двух элементов периодической таблицы в процессе Большого Взрыва, Мейсснер отмечает: «Из наблюдаемых концентраций элементов и того факта, что свободный нейтрон распадается примерно за 882 секунды, а оставшиеся в живых нейтроны в основном захватываются в 4He, можно найти строгие границы вариаций масс легких кварков».

«Таком образом, нуклеосинтез Большого Взрыва установил на самом деле очень жесткие ограничения на вариации масс легких кварков. Эта демонстрация невероятно тонкой настройки поддерживает антропный принцип в нашей Вселенной. Очевидно, можно также задуматься о множественных вселенных, в которых различные фундаментальные параметры принимают иные от наших значения, что говорит о создании среды, отличной от нашей», — подводит итоги Мейсснер.

Профессор Стивен Хокинг утверждает, что даже небольшие изменения в фундаментальных константах, позволяющих развиться жизни, в этой гипотетической мультивселенной «могли привести к появлению вселенных, которые хотя и могут быть очень красивы, но в которых не будет никого, кто мог бы удивиться их красоте».

Мейсснер соглашается: «В таком смысле у нашей Вселенной есть приоритет, и его можно назвать основой для так называемого антропного принципа».