Характеристика Вселенной как тонко настроенной призвана объяснить, почему известные константы природы , такие как заряд электрона , гравитационная постоянная и т. п., имеют свои измеренные значения, а не какие-то другие произвольные значения. Согласно гипотезе «тонко настроенной Вселенной», если бы значения этих констант слишком отличались от того, что они есть, «жизнь, какой мы ее знаем», не могла бы существовать. [1] [2] [3] [4] На практике эта гипотеза формулируется в терминах безразмерных физических констант . [5]
В 1913 году химик Лоуренс Джозеф Хендерсон написал книгу «Пригодность окружающей среды», одну из первых книг, посвященных тонкой настройке во вселенной. Хендерсон обсуждает важность воды и окружающей среды для живых существ, указывая на то, что жизнь, существующая на Земле, полностью зависит от весьма специфических условий окружающей среды Земли, особенно от распространенности и свойств воды. [6]
В 1961 году физик Роберт Х. Дикке заявил, что определенные силы в физике, такие как гравитация и электромагнетизм , должны быть идеально настроены для того, чтобы жизнь существовала во Вселенной. [7] [8] Фред Хойл также выступал за тонко настроенную Вселенную в своей книге 1983 года «Разумная Вселенная» . [9] Хойл писал: «Список антропных свойств, очевидных случайностей небиологического характера, без которых углеродная и, следовательно, человеческая жизнь не могли бы существовать, велик и впечатляет». [10]
Вера в тонко настроенную Вселенную привела к ожиданию, что Большой адронный коллайдер предоставит доказательства физики за пределами Стандартной модели , такие как суперсимметрия , [11] но к 2012 году он не предоставил доказательств суперсимметрии в энергетических масштабах, которые он мог исследовать. [12]
Физик Пол Дэвис сказал: «Сейчас существует широкое согласие среди физиков и космологов, что Вселенная в нескольких отношениях «тонко настроена» для жизни. Но вывод не столько в том, что Вселенная тонко настроена для жизни; скорее, она тонко настроена для строительных блоков и сред, которые требуются для жизни». [13] Он также сказал, что « « антропное » рассуждение не в состоянии провести различие между минимально биофильными вселенными, в которых жизнь разрешена, но возможна лишь в минимальной степени, и оптимально биофильными вселенными, в которых жизнь процветает, потому что биогенез происходит часто». [14] Среди ученых, которые находят доказательства убедительными, были предложены различные естественные объяснения , такие как существование множественных вселенных, вводящих ошибку выживаемости в соответствии с антропным принципом . [5]
Предпосылка утверждения о тонко настроенной вселенной заключается в том, что небольшое изменение нескольких физических констант сделало бы вселенную радикально иной. Стивен Хокинг заметил: «Законы науки, как мы их знаем в настоящее время, содержат много фундаментальных чисел, таких как размер электрического заряда электрона и соотношение масс протона и электрона. ... Примечательным фактом является то, что значения этих чисел, по-видимому, были очень тонко настроены, чтобы сделать возможным развитие жизни». [4]
Например, если бы сильное ядерное взаимодействие было на 2% сильнее, чем оно есть (т. е. если бы константа связи, представляющая его силу, была бы на 2% больше), в то время как другие константы остались бы неизменными, дипротоны были бы стабильными; по словам Дэвиса, в них бы сплавлялся водород вместо дейтерия и гелия . [15] Это радикально изменило бы физику звезд и, предположительно, исключило бы существование жизни, подобной той, что мы наблюдаем на Земле. Существование дипротона замкнуло бы медленный синтез водорода в дейтерий. Водород сплавлялся бы так легко, что, вероятно, весь водород во Вселенной был бы израсходован в первые несколько минут после Большого взрыва . [15] Этот «аргумент дипротона» оспаривается другими физиками, которые подсчитали, что пока увеличение силы составляет менее 50%, звездный синтез может происходить, несмотря на существование стабильных дипротонов. [16]
Точная формулировка идеи затруднена тем фактом, что пока неизвестно, сколько существует независимых физических констант. Стандартная модель физики элементарных частиц имеет 25 свободно настраиваемых параметров, а общая теория относительности имеет еще один, космологическую постоянную , которая, как известно, не равна нулю , но имеет чрезвычайно малую величину. Поскольку физики не разработали эмпирически успешную теорию квантовой гравитации , не существует известного способа объединить квантовую механику, от которой зависит стандартная модель, и общую теорию относительности. [17]
Без знания этой более полной теории, предположительно лежащей в основе стандартной модели, невозможно окончательно подсчитать количество действительно независимых физических констант. В некоторых теориях-кандидатах количество независимых физических констант может быть всего лишь одной. Например, космологическая константа может быть фундаментальной константой, но были также предприняты попытки вычислить ее из других констант, и, по словам автора одного такого расчета, «малое значение космологической константы говорит нам, что между всеми параметрами Стандартной модели физики элементарных частиц , голой космологической константой и неизвестной физикой существует удивительно точное и совершенно неожиданное соотношение». [17]
Мартин Рис формулирует тонкую настройку Вселенной в терминах следующих шести безразмерных физических констант. [1] [18]
Макс Тегмарк утверждал, что если существует более одного временного измерения, то поведение физических систем не может быть надежно предсказано на основе знания соответствующих частных дифференциальных уравнений . В такой вселенной не могла бы возникнуть разумная жизнь, способная манипулировать технологиями. Более того, протоны и электроны были бы нестабильны и могли бы распадаться на частицы, имеющие большую массу, чем они сами. Это не проблема, если частицы имеют достаточно низкую температуру. [23]
Более старый пример — состояние Хойла , третье по низшей энергии состояние ядра углерода-12 , с энергией 7,656 МэВ над основным уровнем. [24] Согласно одному расчету, если бы уровень энергии состояния был ниже 7,3 или выше 7,9 МэВ, углерода было бы недостаточно для поддержания жизни. Чтобы объяснить обилие углерода во Вселенной, состояние Хойла должно быть дополнительно настроено на значение между 7,596 и 7,716 МэВ. Аналогичный расчет, фокусирующийся на основных фундаментальных константах, которые приводят к различным уровням энергии, приходит к выводу, что сильное взаимодействие должно быть настроено с точностью не менее 0,5%, а электромагнитное взаимодействие — с точностью не менее 4%, чтобы предотвратить значительное падение производства углерода или кислорода. [25]
Некоторые объяснения тонкой настройки натуралистичны . [26] Во-первых, тонкая настройка может быть иллюзией: более фундаментальная физика может объяснить кажущуюся тонкую настройку физических параметров в нашем текущем понимании, ограничивая значения, которые эти параметры, вероятно, будут принимать. Как выразился Лоуренс Краусс , «определенные величины казались необъяснимыми и тонко настроенными, и как только мы их понимаем, они не кажутся такими уж тонко настроенными. Нам нужна некоторая историческая перспектива». [22] Некоторые утверждают, что возможно, что окончательная фундаментальная теория всего объяснит основные причины кажущейся тонкой настройки каждого параметра. [27] [22]
Тем не менее, по мере развития современной космологии были предложены различные гипотезы, не предполагающие скрытый порядок. Одна из них — мультивселенная , где фундаментальные физические константы постулируются как имеющие разные значения за пределами нашей собственной вселенной. [28] [29] Согласно этой гипотезе, отдельные части реальности будут иметь совершенно разные характеристики. В таких сценариях появление тонкой настройки объясняется как следствие слабого антропного принципа и смещения отбора , в частности смещения выживаемости . Только те вселенные с фундаментальными константами, которые являются гостеприимными для жизни, например, на Земле, могут содержать формы жизни, способные наблюдать вселенную и размышлять над вопросом тонкой настройки в первую очередь. [30] Чжи-Вэй Ван и Сэмюэл Л. Браунштейн утверждают, что кажущаяся тонкая настройка фундаментальных констант может быть связана с нашим непониманием этих констант. [31]
Если вселенная — это всего лишь одна из многих и, возможно, бесконечных вселенных, каждая из которых имеет различные физические явления и константы, неудивительно, что существует вселенная, гостеприимная для разумной жизни. Поэтому некоторые версии гипотезы мультивселенной дают простое объяснение любой тонкой настройки, [5] в то время как анализ Вана и Браунштейна оспаривает точку зрения, что наша вселенная уникальна в своей способности поддерживать жизнь. [31]
Идея мультивселенной привела к значительным исследованиям антропного принципа и представляла особый интерес для физиков-частиц, поскольку теории всего , по-видимому, генерируют большое количество вселенных, в которых физические константы сильно различаются. Хотя нет никаких доказательств существования мультивселенной, некоторые версии теории делают предсказания, некоторые исследователи, изучающие М-теорию и утечки гравитации, надеются вскоре увидеть некоторые доказательства. [32] По словам Лоры Мерсини-Хоутон , холодное пятно WMAP может предоставить проверяемые эмпирические доказательства параллельной вселенной . [33] Варианты этого подхода включают в себя понятие космологического естественного отбора Ли Смолина , экпиротической вселенной и теории пузырьковой вселенной . [32] : 220–221
Было высказано предположение, что привлечение мультивселенной для объяснения тонкой настройки является формой обратной ошибки игрока . [34] [35]
Стивен Хокинг и Томас Хертог предположили, что начальные условия Вселенной состояли из суперпозиции многих возможных начальных условий, лишь малая часть которых способствовала условиям, наблюдаемым сегодня. [36] Согласно их теории, «тонко настроенные» физические константы Вселенной неизбежны, поскольку Вселенная «выбирает» только те истории, которые привели к нынешним условиям. Таким образом, космология сверху вниз дает антропное объяснение того, почему эта Вселенная допускает материю и жизнь, не прибегая к мультивселенной. [37]
Некоторые формы аргументов тонкой настройки относительно формирования жизни предполагают, что возможны только формы жизни на основе углерода, предположение, которое иногда называют углеродным шовинизмом . [38] Концептуально, альтернативная биохимия или другие формы жизни возможны. [39]
Одна из гипотез заключается в том, что вневселенские инопланетяне спроектировали вселенную. Некоторые полагают, что это решило бы проблему того, как мог бы появиться дизайнер или команда дизайнеров, способных точно настроить вселенную. [40] Космолог Алан Гут полагает, что со временем люди смогут создавать новые вселенные. [41] Подразумевается, что предыдущие разумные существа могли создать нашу вселенную. [42] Эта идея приводит к возможности того, что вневселенский дизайнер/дизайнеры сами являются продуктом эволюционного процесса в своей собственной вселенной, которая, следовательно, сама должна быть способна поддерживать жизнь. Это также поднимает вопрос о том, откуда взялась эта вселенная, что приводит к бесконечному регрессу . Теория дизайнера Вселенной Джона Гриббина предполагает, что развитая цивилизация могла намеренно создать вселенную в другой части мультивселенной, и что эта цивилизация могла стать причиной Большого взрыва. [43]
Гипотеза моделирования утверждает, что Вселенная тонко настроена просто потому, что более технологически продвинутые операторы моделирования запрограммировали ее таким образом. [44]
Грэм Прист , Марк Коливан , Джей Л. Гарфилд и другие выступили против предположения, что «законы физики или граничные условия Вселенной могли бы быть иными, чем они есть». [45]
Некоторые ученые, теологи и философы , а также определенные религиозные группы утверждают, что провидение или творение ответственны за тонкую настройку. [46] [ 47] [48] [49] [50] Христианский философ Элвин Плантинга утверждает, что случайность, примененная к единственной и неповторимой вселенной, лишь поднимает вопрос о том, почему эта вселенная может быть настолько «счастливой», что имеет точные условия, поддерживающие жизнь, по крайней мере, в каком-то месте (на Земле) и в какое-то время (в пределах миллионов лет от настоящего).
Одна из реакций на эти, очевидно, колоссальные совпадения — рассматривать их как подтверждение теистического утверждения о том, что вселенная была создана личным Богом, и как материал для должным образом сдержанного теистического аргумента — отсюда и аргумент тонкой настройки. Как будто существует большое количество циферблатов, которые должны быть настроены в чрезвычайно узких пределах, чтобы жизнь была возможна в нашей вселенной. Крайне маловероятно, что это должно произойти случайно, но гораздо более вероятно, что это должно произойти, если есть такая личность, как Бог.
— Элвин Плантинга, «Путаница Докинза: натурализм до абсурда » [51]
Уильям Лейн Крейг , философ и христианский апологет , приводит эту тонкую настройку Вселенной как доказательство существования Бога или некой формы разума, способного манипулировать (или проектировать) базовую физику , управляющую Вселенной. [52] Философ и теолог Ричард Суинберн приходит к выводу о дизайне, используя байесовскую вероятность . [53] Ученый и теолог Алистер Макграт заметил, что тонкая настройка углерода даже отвечает за способность природы настраивать себя в какой-то степени.
Весь биологический эволюционный процесс зависит от необычной химии углерода, которая позволяет ему связываться с самим собой, а также с другими элементами, создавая очень сложные молекулы, которые стабильны при преобладающих земных температурах и способны передавать генетическую информацию (особенно ДНК). [...] Хотя можно утверждать, что природа создает свою собственную тонкую настройку, это может быть сделано только в том случае, если изначальные составляющие вселенной таковы, что эволюционный процесс может быть инициирован. Уникальная химия углерода является конечной основой способности природы настраивать себя. [54] [55]
Физик-теоретик и англиканский священник Джон Полкингхорн заявил: «Антропная тонкая настройка слишком замечательна, чтобы ее можно было списать на счастливую случайность». [56] Теолог и философ Эндрю Лоук утверждает, что существует только пять возможных категорий гипотез относительно тонкой настройки и порядка: (i) случайность, (ii) регулярность, (iii) комбинации регулярности и случайности, (iv) беспричинность и (v) замысел, и что только замысел дает исключительно логическое объяснение порядка во вселенной. [57] Он утверждает, что космологический аргумент Калама усиливает телеологический аргумент, отвечая на вопрос « Кто спроектировал Дизайнера? ». [57] Креационист Хью Росс выдвигает ряд гипотез тонкой настройки. [58] [59] Одна из них — существование того, что Росс называет «жизненно важными ядами», которые являются элементарными питательными веществами, вредными в больших количествах, но необходимыми для жизни животных в меньших количествах. [60]
Робин Коллинз утверждает, что вселенная тонко настроена для научной открываемости, и что эта тонкая настройка не может быть объяснена гипотезой мультивселенной. [61] По мнению Коллинза, законы вселенной, фундаментальные параметры и начальные условия должны быть именно такими, чтобы вселенная была столь же открываемой, как наша. По мнению Коллинза, примеры тонкой настройки для открываемости включают:
Вопреки распространенному аргументу о том, что небольшое увеличение силы сильного взаимодействия приведет к уничтожению всего водорода в Большом взрыве из-за связывания дипротона и динейтрона с катастрофическим воздействием на жизнь, какой мы ее знаем, мы показываем, что при условии, что увеличение константы связи сильного взаимодействия составляет менее 50%, остается значительное количество водорода.
