Антропный принцип

Многие вселенные в заданной мультивселенной обречены на безжизненность. Как мы видели, причина в том, что при отклонении значений фундаментальных параметров от наблюдаемых значений разрушаются условия, благоприятствующие возникновению жизни.82 Сам факт нашего существования означает, что мы никогда не сможем оказаться в любой из таких безжизненных областей, и поэтому нечего дальше объяснять, почему мы не видим свойственную им комбинацию параметров. Если есть некий вариант мультивселенной, из которого гарантированно следует существование единственной вселенной с благоприятными условиями для возникновения жизни, то нам повезло. Мы сможем математически вывести свойства такой вселенной. Если они отличаются от измеряемых свойств нашей Вселенной, то этот вариант мультивселенной будет отброшен. Если же полученные свойства согласуются с нашими, это станет впечатляющим подтверждением антропного подхода, а также приведёт к неимоверному расширению существующей картины мира.

В более правдоподобном случае, когда вселенная с благоприятными условиями для возникновения жизни не является единственной, ряд теоретиков (таких как Стивен Вайнберг, Андрей Линде, Александр Виленкин, Джордж Эфстатиу и многие другие) ратуют за расширенный статистический подход. Вместо вычисления относительного соотношения разных вселенных в рамках мультивселенной, они предлагают вычислить число их обитателей — физики обычно называют их наблюдателями, — которые могли бы оказаться в той или иной вселенной. В некоторых вселенных условия вряд ли совместимы с жизнью, поэтому наблюдателей там будет немного, подобно случайному кактусу в безжизненной пустыне; вселенные с более благоприятными условиями будут изобиловать наблюдателями. Идея в том, что подобно тому как на основе данных по переписи собак можно предсказать, какая собака нам встретится сегодня, на основе данных по переписи наблюдателей можно предсказывать свойства, которые типичный житель мультивселенной — например, вы и я, согласно логике этого подхода, — ожидает увидеть.

Конкретный пример был проанализирован в 1997 году Вайнбергом и его соавторами Хьюго Мартелом и Полем Шапиро. Рассмотрев мультивселенную с космологической постоянной, варьирующейся от одной вселенной к другой, они вычислили, насколько возможной будет жизнь в каждой из них. Эта трудная задача поддалась решению при помощи трюка, предложенного Вайнбергом (см. главу 6): вместо жизни как таковой надо рассматривать образование галактик. Чем больше галактик, тем больше планетарных систем и, следовательно, согласно исходному предположению, бо́льшая вероятность жизни, например, разумной жизни. Тогда, как выяснил в 1987 году Вайнберг, даже совсем крошечная космологическая постоянная порождает достаточное гравитационное отталкивание, способное нарушить образование галактик, поэтому имеет смысл рассматривать лишь те области мультивселенной, в которых космологическая постоянная достаточно мала. Отрицательная космологическая постоянная соответствует вселенным, которые схлопываются прежде, чем успевают образоваться галактики, поэтому подобными областями мультивселенной также можно пренебречь. Таким образом, антропный принцип фокусирует наше внимание на части мультивселенной с очень узким диапазоном значений космологической постоянной; как обсуждалось в главе 6, вычисления показывают, что если в заданной вселенной имеются галактики, то её космологическая постоянная не должна превосходить приблизительно двухсоткратную критическую плотность (что эквивалентно по массе примерно 10−27 грамма на кубический сантиметр пространства, или что составляет примерно 10−121 в планковских единицах).83

Для вселенных, космологическая постоянная которых находится в этих пределах, Вайнберг, Мартел и Шапиро провели более подробные вычисления. Они выяснили, какая доля материи в каждой такой вселенной будет слипаться в сгустки в течение космологической эволюции, что является ключевым шагом на пути образования галактик. Они обнаружили, что если значение космологической постоянной находится очень близко к верхней границе допустимого диапазона, будет образовываться сравнительно немного сгустков материи, потому что отталкивающее действие космологической постоянной будет проявляться подобно сильному ветру, разгоняющему сгустки пыли. Если же значение космологической постоянной находится вблизи нижней границы допустимого диапазона, то есть нуля, то может возникнуть значительное количество сгустков материи, потому что разрушительное влияние космологической постоянной минимизировано. Это означает, что с высокой долей вероятности вы окажетесь во вселенной, космологическая постоянная которой почти равна нулю, так как подобные вселенные содержат большое количество галактик, а потому, следуя логике этого подхода, велик шанс возникновения жизни. Есть совсем небольшая вероятность оказаться во вселенной с космологической постоянной вблизи верхней границы допустимого диапазона значений, что составляет примерно 10−121, ибо такие вселенные населены небольшим количеством галактик. И существует некая скромная вероятность того, что вы окажетесь во вселенной с промежуточной космологической постоянной между двумя крайними значениями.

Используя количественные данные этих результатов, Вайнберг и его соавторы рассчитали космический аналог встречи с 27-килограммовым лабрадором во время обычной прогулки по району, то есть они вычислили значение космологической постоянной, каким оно видится среднестатистическому наблюдателю мультивселенной. И каким был ответ? Чуть больше найденного в измерениях по сверхновым, но примерно того же порядка. Они оценили, что примерно от 1 из 10 до 1 из 20 обитателей мультивселенной будут ощущать примерно то же, что и мы, измеряя при этом значение космологической постоянной в их вселенных, равное 10−123.

И хотя нам бы хотелось видеть более высокий процент, полученный результат всё равно впечатляет. До этих вычислений несоответствие между теорией и экспериментом составляло примерно 120 порядков величины, что, несомненно, указывало на громадный провал в наших знаниях. Однако подход Вайнберга и его соавторов продемонстрировал, что оказаться во вселенной с космологической постоянной, значение которой сопоставимо с измеряемым нами, не более удивительно, грубо говоря, чем натолкнуться на ши-тцу в районе, где преобладают лабрадоры. Иными словами, совсем не удивительно. Мы можем утверждать, что в рамках мультивселенного подхода то значение космологической постоянной, что мы наблюдаем, никак нельзя рассматривать как свидетельство нашего глубокого непонимания, а это громадный шаг вперёд.

Однако более детальный анализ выявил интересные тонкости, которые некоторые склонны рассматривать как слабое место этого результата. Ради простоты Вайнберг и его соавторы полагали, что в мультивселенной только значение космологической постоянной варьируется от вселенной ко вселенной; другие физические параметры считались фиксированными. Макс Тегмарк и Мартин Риз заметили, что если рассмотреть вариации не только значений космологической постоянной, но и, скажем, вариации размера исходных квантовых флуктуаций от вселенной ко вселенной, то конечный ответ будет другим. Напомним, что такие флуктуации являются первичными зёрнышками, из которых возникнут галактики: крохотные квантовые колебания, растянутые инфляцией, приводят к случайному набору областей, плотность вещества в которых чуть выше или чуть ниже среднего значения. Области с высокой плотностью сильнее притягивают материю по соседству, поэтому растут ещё быстрее, превращаясь в конце концов в галактики. Тегмарк и Риз указали, что первичные зёрнышки вещества легче противостоят гравитационному отталкиванию, порождаемому космологической постоянной, подобно тому как большая куча листьев лучше противостоит напорам ветра. Таким образом, мультивселенная, в которой варьируются как размеры первичных зёрнышек, так и значения космологической постоянной, будет содержать вселенные, в которых большие значения космологической постоянной окажутся скомпенсированы большим размером первичных зёрнышек; такая комбинация будет совместима с образованием галактик и, следовательно, — с жизнью как таковой. В мультивселенной такого сорта типичный наблюдатель увидит увеличенное значение космологической постоянной, что в свою очередь приводит к уменьшению — скорее всего, резкому — доли наблюдателей, которые обнаружат, что их космологическая постоянная так же мала, как наша собственная.

Преданные сторонники мультивселенной ссылаются на результат, полученный Вайнбергом и его соавторами, как на большой успех антропного принципа. А противники парируют результатами, полученными Тегмарком и Ризом и принижающими весомость антропных доводов. На самом деле, споры пока преждевременны. Это всё в высшей степени предварительные и пробные вычисления, которые в лучшем случае дают повод задуматься над самим антропным принципом. При определённых ограничениях из них следует, что антропный подход позволяет уложиться в диапазон измеряемых значений космологической постоянной; но стоит немножко ослабить эти ограничения, и вычисления мгновенно приводят к существенному росту диапазона допустимых значений. Такая чувствительность означает, что для более подробных вычислений в теории с мультивселенной потребуется более точное понимание характеристик составляющих вселенных и того, как они варьируются, что должно в конце концов привести к замене произвольных допущений чёткими теоретическими указаниями. Всё это очень важно для того, чтобы теория мультивселенной позволяла сделать определённые предсказания.

Учёные упорно трудятся над достижением этой цели, однако им предстоит ещё много чего преодолеть.84

Предсказания в мультивселенной IV: