Тонкая настройка Вселенной (от ) — концепция в теоретической физике, согласно которой в основе Вселенной и ряда её составляющих лежат не произвольные, а строго определённые значения фундаментальных констант, входящих в физические законы. В состав минимального списка этих фундаментальных мировых констант обычно включают скорость света (c), гравитационную постоянную (G), постоянную Планка (ℎ), массы электрона и протона и элементарный заряд (e).
Замечено, что изменение значения констант в пределах порядка или исключение одного из внутренних квантовых чисел ведёт к невозможности существования атомов, звёзд, галактик и жизни. В связи с этим возникают две проблемы:
Все ли константы независимы друг от друга? Если нет, их количество можно уменьшить. Случайны ли наблюдаемые нами значения фундаментальных констант, или существуют неизвестные нам законы, делающие одни значения более вероятными, чем другие?
Концепция тонкой настройки Вселенной стала обсуждаться учёными, философами и теологами в первой половине 1970-х годовClark, Kelly James. Readings in the Philosophy of Religion. — Broadview Press, 2000. — P. 54., хотя её отдельные аспекты затрагивались и ранее. Причина тонкой настройки неизвестна, существует лишь несколько гипотетических объяснений. Ряд учёных и философов (Пол Дэвис, , Ричард Суинбёрн и др.) полагает, что в основе существующих закономерностей лежит гипотетический разумный замысел. Другие учёные (Мартин Рис, Леонард Сасскинд, Виктор Стенджер, Игорь Новиков, Андрей Линде и др.) считают тонкую настройку случайным образованием в гипотетической мультивселенной. Суть этой гипотезы состоит в том, что существует огромное множество (не менее 10500) вселенных (или областей мультивселенной) со всевозможными значениями констант и начальных условий. И естественно ожидать, что среди этого множества наверняка найдётся и такая вселенная, где значения констант подходят для образования звёзд, галактик и жизни.
Существуют и другие предположения — в частности, более общая теория («теория всего») или космологический естественный отбор Ли Смолина. Философ , занимающийся вопросами взаимодействия религии и науки, предложил следующие три аспекта тонкой настройки Вселенной: настройка законов природы, настройка констант и настройка начальных условий Вселенной.
Основные аспекты Выдвинутая Полем Дираком гипотеза об изменчивости некоторых констант послужила толчком к многочисленным экспериментальным исследованиям, которые показали с большой точностью, что признаки изменения какой-либо из констант на протяжении цикла расширения Вселенной отсутствуют — кроме постоянной тонкой структуры и отношения масс электрона и протона, стабильность значений которых были подвергнуты сомнению. (Наблюдения линий поглощения в спектре далёкой галактики показывают, что отношение масс протона и электрона 7 млрд. лет назад отличалось от сегодняшнего не более, чем на 10–7). В 1980 году советский исследователь Иосиф Розенталь выдвинул постулат, который условно назвал принципом целесообразности. Его смысл заключался в том, что основные физические закономерности, наряду с численными значениями констант, являются не только достаточными, но и необходимыми для существования основных состояний материи (ядер, атомов, звёзд и галактик). По мнению Розенталя, «критичность существования» основных состояний позволяет выдвинуть сильные аргументы в пользу принципа целесообразности.
Современная проблема тонкой настройки задана вопросом: почему наша Вселенная является именно такой. Эта концепция утверждает, что если бы ряд параметров (физических констант и исходных характеристик в моделях Большого Взрыва) был бы слегка иным, то не могла бы возникнуть жизнь и всё многообразие в целом. Однако, вследствие существования так называемых свободных параметров, наша Вселенная не может быть описана исключительно в рамках общей теории относительности и квантовой механики: такие параметры, как, например, масса протона или гравитационная постоянная, были названы свободными, поскольку не могут быть выведены из принятой ныне теории и должны быть определены «вручную». Как считает Ник Бостром, тонкая настройка требует объяснения в той мере, в какой она соотносится с излишком свободных параметров и, в конечном счёте, с отсутствием простоты. В соответствующих предположениях часто применяется вероятностная логика и бритва Оккама.
Трёхмерность пространства
Уравнения, описывающие гравитационное или электрическое поле точечного источника, можно легко обобщить на случай пространства с другим числом измерений и найти их решения для этого случая. Как отмечает П. Дэвис, из этих решений видно, что в пространстве с n измерениями можно обнаружить закон обратной степени n−1. В частности, в трёхмерном пространстве n−1=2 и в нём справедлив закон обратных квадратов. В 1917 году Пауль Эренфест, решая уравнение Пуассона для потенциала электромагнитных сил в n-мерном пространстве, получил обобщение закона Кулона и подтвердил более раннее предположение Канта о том, что в трёхмерном пространстве «сила действия обратно пропорциональна квадрату расстояния». Эренфест обнаружил, что орбиты теряют свою устойчивость в четырёх и более пространственных измерениях. В четырёхмерном пространстве, например, где гравитационное поле Солнца будет действовать на планеты по , планеты, двигаясь по спиральным траекториям, довольно быстро упали бы на Солнце и были бы им поглощены.
Отмечено также, что в пространствах с чётным числом измерений не могут распространяться «чистые» волны. Поскольку за волной обязательно возникают возмущения, вызывающие реверберацию, чётко сформированные сигналы нельзя передавать, в частности, по двухмерной поверхности (например, по резиновому покрытию). Анализируя этот вопрос, английский учёный Джеральд Уитроу в 1955 году заключил, что высшие формы жизни были бы невозможны в пространствах чётной размерности, поскольку живым организмам для согласованных действий необходимы эффективная передача и обработка информации. В 1963 году было показаноTangherlini F. R. Atoms in Higher Dimensions // Nuovo Cimento. — 1963. — Vol. 14 (27). — P. 636., что при числе измерений больше трёх атомные орбитали вокруг атомных ядер станут нестабильными и электроны либо упадут в атомное ядро, либо рассеются.
Величины констант Среди базовых физических констант, для которых были просчитаны изменения величин, можно выделить слабое взаимодействие и космологическую постоянную. Тогда как ядерные реакции обычно протекают быстро, малая величина слабого взаимодействия позволяет резко замедлить ядерные процессы в звёздах до порядка 5 миллиардов лет (в частности, в звёздах типа Солнца) и тем самым, как считается, создать необходимый срок для возникновения разумной жизни земного типа (посредством замедления протон-протонного цикла, чья скорость обеспечивает долгую жизнь звёзд). При этом величина слабого взаимодействия должна быть действительно малой для обеспечения стабильности нейтрона, но не слишком малой — в противном случае число образовывающихся в звезде нейтрино будет очень маленьким, а внешние слои взрывающихся звёзд не получили бы от нейтрино достаточной энергии для разлёта в космосе.
В научно-популярной книге «Мистер Томпкинс в Стране чудес» Георгий Гамов рассмотрел следствия изменения скорости света, гравитационной постоянной и постоянной Планка. Скорость света была уменьшена, тогда как значения двух остальных констант были увеличены. По этой причине велосипедист, например, при ускорении начнёт видеть значительно укороченные здания. Охотникам станет труднее отстреливать дичь, поскольку их позиции будут нестабильными из-за принципа неопределённости Гейзенберга.
Следствия изменения некоторых физических параметров
Параметр При увеличении При уменьшении
Сильное взаимодействие Невозможность образования водорода, нестабильность атомных ядер у многих жизненно важных химических элементов Невозможность образования химических элементов тяжелее водорода
Слабое взаимодействие Излишек гелия во время Большого взрыва, избыток тяжёлых элементов в звёздах, невозможность взрывов сверхновых, невозможность появления жизни Недостаток гелия при Большом взрыве, невозможность взрывов сверхновых, невозможность появления жизни
Гравитационная постоянная Слишком горячие звёзды и их нестабильность Слишком холодные звёзды, исключающие возможность термоядерной реакции
Постоянная электромагнитного взаимодействия Недостаточно прочные химические связи, нестабильность элементов тяжелее бора Недостаточно прочные химические связи
Период полураспада бериллия-8 Слишком быстрый синтез тяжёлых элементов, ведущий к недостаточному их образованию для жизни Невозможность образования углерода и некоторых других важных химических элементов
Уровень энтропии во Вселенной Невозможность звездообразования в галактиках Невозможность образования протогалактик
Характеристики элементарных частиц В стандартной модели бозон Хиггса, взаимодействуя с самим собой, испускает и поглощает частицы, энергия которых проявляется как масса. В рамках этой модели тонкая настройка необходима элементарным частицам для удержания их масс от поглощения или более высокими энергиями объединения (проблема калибровочной иерархии). Этому было предложено несколько возможных объяснений (техницвет, суперсимметрия и др.), но все они пока не получили экспериментального подтверждения. Замечено также, что если бы у элементарных частиц отсутствовал спин, не было бы, в частности, электромагнитного и гравитационного взаимодействий. Отсутствие изоспина у адронов привело бы к отсутствию сложных стабильных ядер.