Неужели наша вселенная лишь одна из многих? Учёные отвечают да

Современная теория космологии поддерживает гипотезу, что наша вселенная может быть лишь одной из большой совокупности вселенных, известной как мультивселенная. Алан Гут, физик из Массачусетского технологического института (МТИ), предположил, что новые вселенные (также известные как «карманные вселенные»)  возникают постоянно, но их нельзя обнаружить из нашей вселенной.

«С этой точки зрения природа дает множество попыток, и вселенная является экспериментом, который повторяется снова и снова, при этом каждый раз с несколько другими законами физики, или даже совершенно другими законами физики», – говорит Яффе.

Некоторые из этих вселенных разрушаются мгновенно после формирования, в других же силы притяжения между частицами настолько слабые, что они не смогут образовать атомы или молекулы. Тем не менее, если условия будут подходящие, материя объединится в галактики и планеты, и, если в этих мирах будут присутствовать необходимые элементы, то в них может развиваться разумная жизнь.

Некоторые физики создали теорию, что только те вселенные, в которых законы физики существуют «в должном виде», могут поддерживать жизнь, и что, если мир в этих вселенных немного отличается от нашего мира, то разумная жизнь невозможна. В этом случае наши законы физики могут объясняться «антропным принципом», что означает, то, что законы существуют именно в таком виде, иначе, если бы они были другими, то некому было бы их обнаруживать.

Роберт Яффе, профессор физики из МТИ, и его коллеги предположили, что это объяснение с помощью «антропного принципа» должно быть подвергнуто более тщательному изучению и решили исследовать, могут ли вселенные с другими законами физики поддерживать жизнь.

Физики МТИ показали, что вселенные, совершенно отличающиеся от нашей, все же имеют элементы, аналогичные углероду, водороду и кислороду и могут, следовательно, способствовать появлению форм жизни, совершенно аналогичных нашим, даже когда массы элементарных частиц, называемых кварки, значительно изменяются.

Яффе и его коллеги предположили, что это объяснение с помощью «антропного принципа» должно быть подвергнуто более тщательному изучению, поэтому они  и решили исследовать, могут ли вселенные с другими законами физики поддерживать жизнь. В отличие от других теорий, в которых изменение одной лишь константы обычно порождает неприспособленную для жизни вселенную, они исследовали влияние более, чем одной константы.

Существует ли жизнь где-либо еще в нашей вселенной – это давняя загадка. Но для некоторых ученых существует другой, не менее интересный вопрос: может ли существовать жизнь во вселенной, существенно отличающейся от нашей?

В недавно изданной сенсационной статье с иллюстрациями на обложке издания «Сайентифик американ» (Scientific American) ученые Яффе, Алеандро Дженкинс, доктор наук и бывший сотрудник МТИ, и Итамар Кимчи, недавний выпускник МТИ, показали, что вселенные, совершенно отличающиеся от нашей, все же имеют элементы, аналогичные углероду, водороду и кислороду и следовательно, могут способствовать развитию форм жизни, аналогичных нашим.

Даже когда массы элементарных частиц значительно изменяются, жизнь все же может возникнуть.

«Вы можете изменить [массы элементарных частиц; прим. mixednews] их на значительную величину, не исключая возможности органической химии во вселенной», говорит Дженкинс.

Хотя аномальные формы жизни могут существовать во вселенных, отличающихся от нашей, Яффе и его коллеги сосредоточились на изучении жизни, основанной на углеродной химии. Они определили как «подходящие для жизни» те вселенные, в которых могут существовать стабильные формы водорода, углерода и кислорода.

«Если у вас не будет стабильного объекта с химическими свойствами водорода, то у вас не будет углеводорода, либо не будет сложных углеводов, и, следовательно, не будет жизни», – говорит Яффе. «То же самое относится к углероду и кислороду. Помимо этих трех элементов мы предполагаем, что оставшиеся элементы – это детали», – говорят ученые.

Они намеревались рассмотреть, что могло бы произойти с этими элементами, если бы массы элементарных частиц изменились. Существует шесть типов кварков, которые создают группы протонов, нейтронов и электронов. Команда МТИ сфокусировалась на изучении «верхних», «нижних» и «странных» кварков, самых общих и наиболее легких кварков, которые соединяются и образуют протоны, нейтроны и тесно связанные с ними частицы, называемые «гипероны».

В нашей вселенной «нижний» кварк почти в два раза тяжелее, чем «верхний» кварк, что приводит к нейтронам, которые на 0.1 процента тяжелее, чем протоны. Яффе и его коллеги смоделировали одну семью вселенных, в которой «нижний» кварк был легче, чем «верхний» кварк, и протоны были почти на процент тяжелее, чем нейтроны. В этом сценарии водород более не являлся бы стабильным, но его несколько более тяжелые изотопы, дейтерий либо тритий, смогли бы существовать. Изотоп углерода, известный как углерод-14, также являлся бы стабильным, как и какой-либо другой изотоп кислорода, поэтому необходимые для жизни органические реакции были бы возможны.

Команда ученых обнаружила несколько других подходящих вселенных, включая семью, где «верхние» и «странные» кварки имеет почти ту же массу (в нашей вселенной, «странные» кварки намного тяжелее и могут порождаться только при столкновениях с высокими энергиями), тогда как «нижние» кварки намного легче. В подобной вселенной атомные ядра состояли бы из нейтронов и гиперона, называемого «сигма-минус», который заместил бы протоны. Они опубликовали результаты своих исследований в журнале «Физикал ревью D» (Physical Review D) в прошлом году.

Яффе и его коллеги сконцентрировались на кварках, так как они знают достаточно об их взаимодействиях для прогнозирования, что произойдет, когда их массы изменятся. «Тем не менее, любая попытка исследовать данную проблему в более широком контексте будет достаточно сложной», – говорит Яффе, так как физики ограничены в своих возможностях по прогнозированию последствий изменения большинства других законов физики и констант.

Группа исследователей из национальной лаборатории Лоуренса Беркли выполнила взаимосвязанные исследования, изучая вопрос, какие вселенные могут возникнуть, даже если не хватает одного из четырех фундаментальных взаимодействий (всего существует четыре фундаментальных взаимодействия, по мере увеличения интенсивности: гравитационное, слабое, электромагнитное и сильное; прим. mixednews) нашей вселенной, а именно, слабого взаимодействия, которое делает возможными реакции, в результате которых нейтроны превращаются в протоны и наоборот. Исследователи показали, что «тонкая настройка» трех других фундаментальных взаимодействий смогла бы компенсировать отсутствующее слабое взаимодействие, а также позволила бы создавать стабильные элементы.

Эта научная работа и исследование МТИ отличаются от большинства других научных работ в этой области в том, что ученые проанализировали более, чем одну константу. «Обычно исследователи изменяют одну константу и анализируют результаты, которые отличаются от результатов при изменении нескольких констант», – говорит профессор физики в Калтек Марк Вайз, который не участвовал в вышеизложенных исследованиях. Изменение лишь одной константы обычно порождает неприспособленную для жизни вселенную, что может привести к ошибочному выводу, что любые другие подходящие вселенные невозможны.

Одним физическим параметром, который оказывается исключительно точно «подстроенным», является космологическая постоянная. Это степень давления, оказываемая вакуумом, который вызывает расширение либо сжатие вселенной. Когда постоянная является положительной величиной, пространство расширяется, когда отрицательной, то вселенная схлопывается. В нашей вселенной космологическая постоянная является положительной, но очень малой величиной, при этом любое большее значение данной постоянной вызвало бы слишком быстрое расширение вселенной с дальнейшим образованием новых галактических систем. Тем не менее, Вайз и его коллеги показали, что теоретически возможно, чтобы изменения в первичных космологических возмущениях плотности смогли компенсировать небольшие изменения значения космологической постоянной.

В итоге, не существует способа, чтобы точно узнать, существуют ли другие вселенные, либо какую жизнь они несут в себе. Но это вряд ли остановит ученых-физиков от изучения возможностей и получения дальнейших сведений о нашей собственной вселенной.