Studie schlägt einen Test für das Anthropische Prinzip vor

Das Anthropische Prinzip – das besagt, dass das Universum, in dem wir leben, darauf abgestimmt ist, Leben zu beherbergen – wurde erstmals 1973 von Brandon Carter vorgeschlagen. Seitdem hat es erhebliche Debatten ausgelöst.

Jetzt wurde ein Artikel veröffentlicht in der Zeitschrift für Kosmologie und Astroteilchenphysikverfasst von Nemanja Kaloper, einem Physiker vom Department of Physics and Astronomy der University of California, Davis, und Alexander Westphal, einem Professor am Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY), beschreibt erstmals eine Möglichkeit, dies experimentell zu testen Annahme.

Das Anthropische Prinzip (AP) kann auf unterschiedliche Weise formuliert werden. Diese reichen von einer einfachen Beschreibung der Tatsachen – „Wenn wir es hier beobachten, hat sich das Universum unter den Bedingungen entwickelt, die für die Entstehung intelligenten Lebens notwendig sind“, bekannt als die schwache AP – bis zu etwas radikalerem: „Das Universum hatte.“ sich auf eine Weise zu entwickeln, die zu unserer Existenz führte.

Diese stärkere Interpretation, die sogenannte starke AP, stößt oft auf metaphysisches Terrain vor, suggeriert eine Art „Entwurf“ und geht über den Bereich der wissenschaftlichen Untersuchung des Universums hinaus.

Das Problem mit dem AP besteht nach Ansicht vieler Wissenschaftler darin, dass er als wissenschaftliches Instrument nicht besonders nützlich ist, da er keine überprüfbaren, quantifizierbaren Vorhersagen generiert, die sowohl unser Wissen erweitern als auch das Prinzip einer genauen Prüfung unterziehen könnten. Ohne dies bleibt es eher eine philosophische Vermutung als eine wissenschaftliche Hypothese.

Der AP legt jedoch nahe, dass die Entwicklung unseres Universums zu einem gastfreundlichen Ort für kohlenstoffbasiertes Leben mit einer Reihe ziemlich spezifischer Anfangsbedingungen begonnen haben muss. Wir schließen dies, indem wir beispielsweise die Werte bestimmter Konstanten beobachten, die in den Gleichungen zur Beschreibung des Universums verwendet werden – etwa die Gravitationskonstante, die Elektronenladung und das Plancksche Wirkungsquantum –, die „genau richtig“ sein müssen. Andernfalls hätten wir ein ganz anderes und vor allem unwirtliches Universum.

Indem wir die genauen Anfangsbedingungen ermittelten, die der AP impliziert, und auf der Grundlage aktueller physikalischer Modelle berechneten, wie sich das Universum zu seinem gegenwärtigen Zustand entwickelt hätte, konnten wir das Ergebnis mit tatsächlichen astronomischen Beobachtungen vergleichen. Jegliche Diskrepanzen zwischen Theorie und Realität wären ein Maß für die Gültigkeit des AP.

Die neue Arbeit von Nemanja Kaloper und Alexander Westphal bietet einige konkrete Vorhersagen, die in den kommenden Jahren durch Beobachtungen bestätigt werden könnten.

Um ihren Vorschlag zu verstehen, müssen einige Schlüsselelemente der kosmologischen Forschung skizziert werden:

Kosmische Inflation

In den frühesten Augenblicken seiner Existenz erlebte das Universum eine Periode schneller Expansion: In nur 10 bis 36 Sekunden wuchs es von einer verschwindend kleinen Größe (fast Null) auf eine makroskopische Größe (einige Theorien beschreiben es als die Größe einer Traube oder einer Traube). ein Fußball). Danach verlangsamte sich die Expansion und setzte sich mit ähnlichen Geschwindigkeiten fort wie heute.

Die Physik in dieser frühen Phase war höchst ungewöhnlich und wurde von Quantenphänomenen dominiert (die das Unendlich Kleine beherrschten), die die nachfolgende Entwicklung beeinflussten und die Bildung von Strukturen – Galaxien, Sternen usw. – ermöglichten, die wir heute sehen. Obwohl noch keine direkten Beweise für die kosmische Inflation gefunden wurden, handelt es sich um eine robuste Theorie, deren Bestätigung durch Beobachtungen in den kommenden Jahren erwartet wird.

Dunkle Materie

Sie haben wahrscheinlich schon davon gehört: Experimentelle Beobachtungen zeigen uns, dass ein erheblicher Teil des Universums – etwa fünf Sechstel seiner Materie – aus etwas besteht, das wir nicht direkt beobachten können. Wir nennen es Dunkle Materie, aber ihre wahre Natur bleibt unbekannt. Es wurden viele Hypothesen aufgestellt, die alle auf eine experimentelle Bestätigung warten, die in naher Zukunft erwartet wird.

Axionen

Einer der Kandidaten für Dunkle Materie ist das Axion. Diese Teilchen – oder wahrscheinlicher eine ganze Klasse von Teilchen – sind extrem leicht (viel leichter als zum Beispiel das Elektron). Axionen wurden ursprünglich vorgeschlagen, um ein Quantenphänomen zu erklären, das als CP-Symmetrieverletzung bekannt ist und an dem die schwache Kernwechselwirkung beteiligt ist, eine der vier Grundkräfte (die anderen sind Schwerkraft, Elektromagnetismus und die starke Kernwechselwirkung).

Allerdings stellten die Forscher fest, dass bestimmte Eigenschaften von Axionen – von denen angenommen wird, dass sie sich während der kosmischen Inflation in großer Menge gebildet haben – mit denen übereinstimmen, die für Dunkle Materie zu erwarten sind, wie etwa ihre minimalen Wechselwirkungen sowohl mit sich selbst als auch mit gewöhnlicher Materie. Beobachtungen von Schwarzen Löchern könnten deren Existenz in den kommenden Jahren bestätigen.

Beim Testen des AP müssen diese drei Elemente kombiniert werden.

„Es ist möglich, dass der LiteBIRD-Satellit urzeitliche Schwerewellen nahe den aktuellen Grenzwerten entdeckt, die einer Inflation im großen Maßstab entsprechen“, erklärt Kaloper. „Die meisten Kosmologen würden denken, dass dies eine Bestätigung der hohen Inflation ist.“ LiteBIRD (Lite (Light) Satellite for the Study of B-mode Polarization) ist ein Experiment, das die japanische Agentur für Luft- und Raumfahrtforschung (JAXA) im Jahr 2032 starten will.

„Es ist auch möglich, dass wir Anzeichen von ultraleichten Axionen entdecken, indem wir supermassereiche Schwarze Löcher im Universum untersuchen. Die Axionen beeinflussen das Spin-zu-Masse-Verhältnis von Schwarzen Löchern, und das konnte beobachtet werden“, fährt Kaloper fort. Viele Experimente untersuchen bereits Schwarze Löcher, weitere sollen in naher Zukunft in Betrieb gehen.

„Schließlich“, fügt Kaloper hinzu, „ist es möglich, dass zukünftige direkte Suchen nach dunkler Materie ergeben, dass dunkle Materie überwiegend nicht aus ultraleichten Axionen besteht. In diesem Fall würden wir annehmen, dass das anthropische Prinzip versagt.“

Dieses Ergebnis ist jedoch nicht garantiert.

„Wenn andererseits direkte Suchen nach Dunkler Materie ergeben, dass Dunkle Materie tatsächlich ein ultraleichtes Axion ist“, fährt Kaloper fort, „dann denke ich, dass wir uns darin einig sind, dass das anthropische Prinzip diesen Test tatsächlich bestanden hat; tatsächlich könnte dies passieren.“ .“

„Ich finde es besonders interessant, dass beide Optionen in nicht allzu ferner Zukunft experimentell getestet werden könnten“, schließt Kaloper.

„Und dass – soweit mein Mitarbeiter und ich wissen – unser spezifisches Beispiel der erste Fall ist, in dem das anthropische Prinzip tatsächlich den Test nicht bestehen könnte, anstatt einfach zu erklären, dass es nicht anwendbar ist.

„Der Punkt ist, dass das Vorhandensein von hochskaliger Inflation und ultraleichten Axionen mit Massen m > 10-19 eV bedeuten würde, dass Dunkle Materie ein Axion sein ‚muss‘: Für typische Anfangsbedingungen würden wir am Ende viel zu viel haben.“ Dunkle Materie, und wir bräuchten dringend das anthropische Prinzip, um sie einzudämmen.

„Um herauszufinden, dass es sich bei Axion nicht um Dunkle Materie handelt, würden wir daraus schließen, dass die Anfangsbedingungen nicht nur unwahrscheinlich waren (was anthropisch behoben werden kann), sondern äußerst unwahrscheinlich, was eigentlich nicht einmal in den Bereich anthropischer Überlegungen fällt.“

Wir müssen also noch ein paar Jahre, vielleicht sogar länger, warten, um alle notwendigen Beweise zu sammeln, um das anthropische Prinzip entweder zu falsifizieren oder zu bestätigen. Was aber, wenn sich herausstellt, dass es den Test nicht bestehen kann?

„Ohne eine der anderen Prämissen (Universalität der Schwerkraft, frühe Inflation und Superstrahlungsphänomene) zu ändern, würde das Scheitern unserer einfachen Formulierung der Anthropik darauf hindeuten, dass andere Regeln die Anfangsbedingungen regeln“, erklärt Kaloper.

„Entweder sind unterschiedliche Anfangsbedingungen nicht gleich wahrscheinlich, da einige durch neue Dynamiken beeinflusst werden, die noch nicht verstanden wurden, oder dass einige Anfangsbedingungen völlig unmöglich sind. Alternativ könnte die tatsächliche Theorie der Kosmologie komplizierter sein, als wir dachten.“

„Man könnte sich auch dramatischere Szenarien vorstellen, aber zumindest im Moment kommen mir diese wie Fantasieflüge vor“, schließt Kaloper.