Калі мы бачым што-небудзь накшталт шарыка, ураўнаважанага хіста на вяршыні ўзгорка, гэта, як мы называем, дакладна наладжаны стан, альбо стан нестабільнай раўнавагі. Значна больш устойлівае становішча - каб мяч быў апушчаны дзесьці ўнізе даліны. Кожны раз, калі мы сутыкаемся з дакладна наладжанай фізічнай сітуацыяй, ёсць важкія прычыны шукаць фізічна матываваныя тлумачэнні. (LUIS ÁLVAREZ-GAUMÉ & JOHN ELLIS, ФІЗЫКА ПРЫРЫДЫ 7, 2–3 (2011))

Дакладная настройка сапраўды з'яўляецца праблемай у фізіцы

Калі Сусвет дае нам падказкі, мы ігнаруем іх на свой страх і рызыку.

Калі вы навукова падыходзіце да свету, вы імкніцеся атрымаць веды пра тое, як ён працуе, задаючы яму пытанні пра сябе. Вы назіраеце за яго паводзінамі; вы праводзіце над ім эксперыменты; вы вымяраеце канкрэтныя колькасці, якія вас цікавяць. Калі вы правільна задаваеце пытанні, вы можаце пачаць атрымліваць інфармацыю пра тое, якія фізічныя з'явы кіруюць паводзінамі, якое выявілася ў кожным з вашых расследаванняў.

Вялікую частку часу вашы вынікі навучаць вас чамусьці пэўнаму пра Сусвет. Але час ад часу вы знойдзеце тое, што здаецца занадта добрым, каб быць праўдай. Вы вымяраеце тое, што збянтэжыць вас адным з двух спосабаў: альбо дзве рэчы, якія выглядаюць не звязанымі паміж сабой, ідэальна (або амаль ідэальна) аднолькавыя, альбо дзве рэчы, якія з'яўляюцца звязанымі, незвычайна адрозніваюцца. Гэта вядома як "налада", і гэта сапраўды праблема ў фізіцы.

Струнны пейзаж можа быць цікавай ідэяй, поўнай тэарэтычнага патэнцыялу, але ён не можа растлумачыць, чаму значэнне такога тонка наладжанага параметра, як касмалагічная пастаянная (ці значэнне цёмнай энергіі), мае значэнне, якое ён мае. Тым не менш, разуменне таго, чаму гэтая каштоўнасць набывае менавіта тую, якую яна робіць, - гэта ўдакладненне пытання, на які большасць навукоўцаў мяркуе, што мае фізічна матываваны адказ. (Універсітэт Кембрыда)

Вам нават не трэба глядзець на фізіку, каб зразумець, чаму гэта так. Уявіце сабе, замест таго, каб вы глядзелі на чыстую вартасць некаторых самых багатых людзей у свеце, як гэта грунтуецца на спісе мільярдэраў Forbes. Калі б вы выбралі два выпадкова, што б вы чакалі? Вядома, вы маглі б чакаць, што кожная з іх будзе каштаваць па меншай меры адзін мільярд долараў, але вы таксама чакаеце, што паміж гэтымі двума велічынямі будзе вялікая розніца.

Калі першы мільянер каштуе суму A, а другі - суму B, тады розніца паміж імі складае C, дзе A - B = C. Без дадатковых ведаў вы павінны мець магчымасць выказаць здагадку пра C: гэта не павінна быць нашмат меншай, чым альбо A, альбо B. Іншымі словамі, калі A і B у мільярдах даляраў, то, верагодна, C будзе мець (або блізкае да) значэнне мільярдаў.

Калі вы маеце два вялікія лікі ў цэлым і прымаеце іх розніцу, адрозненне будзе такога ж парадку, што і арыгінальныя лікі. (Э. SIEGEL / ДАДЗЕНЫ ФОРБАЎ)

Напрыклад, A можа быць Пат Стрыкер (№ 703 у гэтым спісе), коштам, скажам, 3592,327,960 долараў. І B можа быць Дэвід Гефэн (№ 190), коштам $ 8 467103 235. Розніца паміж імі, альбо A - B, складае тады - 4 874 775 275 долараў. C мае стрэл 50/50 як станоўчы, так і адмоўны, але ў большасці выпадкаў ён павінен быць аднолькавага ўзроўню (у межах каэфіцыента 10 і каля) як А, так і В.

Але гэта не заўсёды будзе. Напрыклад, большасць з 2200 мільярдэраў у свеце каштуе менш за 2 мільярды долараў, а сотні - ад 1 да 1,2 мільярда долараў. Калі вы выпадкова выбралі два з іх наўздагад, гэта не здзівіць вас страшна, калі розніца ў іх чыстай кошце складзе ўсяго некалькі дзясяткаў мільёнаў долараў.

Прадпрымальнікі Тайлер Уінклвосс і Кэмеран Уінклвосс абмяркоўваюць біткойн з Марыяй Барцірама на студыях FOX 11 снежня 2017 года. У першых у свеце

Аднак гэта можа вас здзівіць, калі розніца паміж імі складала ўсяго некалькі тысяч долараў альбо была роўная нулю. "Як малаверагодна", можна падумаць. Але ўсё-ткі ўсё малаверагодна.

У рэшце рэшт, вы не ведаеце, якія мільярдэры былі ў вашым спісе. Вы былі б узрушаныя, калі даведаліся пра двайнят Winklevoss - Кэмерана і Тайлера, першых мільярдэраў Биткойна - якія мелі аднолькавую чыстую вартасць? Ці тое, што браты Колісан, Патрык і Джон (сузаснавальнікі Stripe), мелі чыстую вартасць, якая адрознівалася ўсяго некалькімі сотнямі долараў?

Не, гэта не будзе асабліва дзіўна. Увогуле, калі A вялікі і B вялікі, то A - B таксама будзе вялікім, калі толькі не існуе прычын, каб A і B былі вельмі блізка адзін да аднаго. Размеркаванне мільярдэраў не цалкам выпадковае, бо могуць быць прычыны двух, здавалася б, не звязаных паміж сабой значэнняў. (Што тычыцца чыстага кошту Уинклевосса або Калізіі, то тут ёсць літаральна крывавыя адносіны!)

Чаканыя лёсы Сусвету (тры лепшыя ілюстрацыі) адпавядаюць Сусвету, дзе матэрыя і энергія аб'ядноўваюцца ў барацьбе з пачатковай хуткасцю пашырэння. У нашай назіральнай Сусвеце касмічнае паскарэнне выклікана нейкай цёмнай энергіяй, якая да гэтага часу невытлумачальная. Усе гэтыя Сусведы кіруюцца раўнаннямі Фрыдмана, якія адносяць пашырэнне Сусвету да розных тыпаў матэрыі і энергіі, прысутных у ёй. Тут ёсць відавочная праблема налады, але можа паўстаць асноўная прычына. (Э. СІГЕЛ / У ГАЛАКСІІ)

У Сусвеце ёсць шмат рэчаў, якія дакладныя. Сама Сусвет, якая пашыраецца, - фантастычны прыклад. У самы ранні момант гарачага Вялікага выбуху тканіна прасторы сама па сабе пашыралася з пэўнай хуткасцю (хуткасцю пашырэння Хабла), якая здарылася велізарнай. У той жа час Сусвет была напоўнена велізарнай колькасцю энергіі ў выглядзе часціц, антычасцінак і выпраменьвання.

Сусвет, якая пашыраецца, у асноўным гэта гонка паміж гэтымі двума канкуруючымі сіламі:

  • пачатковая хуткасць пашырэння, якая працуе, каб разбіць усё на часткі,
  • і гравітацыя ўсіх розных відаў энергіі, якая дзейнічае, каб зрабіць усё назад разам,

з Вялікім выбухам служыць стартавым пісталетам. Цікава, што для таго, каб завесці Сусвет, які мы маем сёння, гэтыя два нумары, якія, здаецца, не звязаныя паміж сабой, павінны быць дапрацаваны неверагоднай колькасцю.

Калі б Сусвет мела толькі крыху больш высокую шчыльнасць (чырвоны), яна б узгадвала ўжо; калі б ён меў толькі крыху меншую шчыльнасць, ён пашырыўся б значна хутчэй і стаў значна большым. (Падручнік па казмалогіі NED WIGHT WIGHT)

Гэтая галаваломка вядомая як праблема плоскасці, як Сусвет, дзе так выдатна выдатна балансуюць энергія і хуткасць пашырэння. Сёння мы можам таксама вымераць крывізну Сусвету рознымі метадамі, напрыклад, вывучаючы заканамернасці ваганняў касмічнага мікрахвалевага фону.

З'яўленне ваганняў з рознымі вуглавымі памерамі ў CMB прыводзіць да розных сцэнарыяў прасторавай крывізны. У цяперашні час Сусвет здаецца плоскім, але мы вымяраем толькі да ўзроўню 0,4%. На больш дакладным узроўні мы можам выявіць нейкі ўзровень уласнай крывізны. (SMOOT GROUP НА ПРАЦЫ ЛАВРАНСІ BERKELEY)

Параўноўваючы назіранні, якія мы робім з тэарэтычнымі прагнозамі таго, як павінны выглядаць гэтыя ваганні ў Сусвеце з рознай колькасцю крывізны, мы можам вызначыць, што Сусвет надзвычай прасторава плоскі нават сёння. Калі мы экстрапалюем на самыя раннія этапы гарачага Вялікага выбуху на аснове нашых сучасных назіранняў, мы даведаемся, што пачатковая хуткасць пашырэння і пачатковая шчыльнасць энергіі павінны быць збалансаваны прыблізна да 50 значных лічбаў.

Арбіты васьмі асноўных планет адрозніваюцца па эксцэнтрычнасці і розніцы паміж перыгеліем (бліжэйшы падыход) і афеліёнам (найбліжэйшая адлегласць) адносна Сонца. Няма фундаментальнай прычыны, па якой некаторыя арбіты планеты больш-менш эксцэнтрычныя, чым адна; гэта проста вынік першапачатковых умоў, з якіх сфармавалася Сонечная сістэма. (НАСА / JPL-CALTECH / Р. ХУРТ)

Калі мы сутыкаемся з такой галаваломкай, у нас ёсць два варыянты таго, як дзейнічаць. Першы - канстатаваць, што такая наладка - гэта проста вынік першапачатковых умоў, неабходных для атрымання вынікаў, якія мы маем сёння. У рэшце рэшт, ёсць шмат супадзенняў, якія мы назіраем сёння, калі дзве рэчы выглядаюць цесна звязанымі, таму што яны былі створаны даўно, з правільнымі ўмовамі, якія прывядуць іх да з'яўлення сённяшняга дня.

Напрыклад, Венера круціцца на Сонцы ў эліптычнай форме, падобнай на арбіту ўсіх планет. Але Венера мае найменшую працэнтную розніцу паміж сваім найбліжэйшым набліжэннем да Сонца (перыгеліем) і калі яна дасягае самай далёкай адлегласці ад Сонца (афелія) любой з планет.

Чаму Венера круглая і менш эліптычная, чым любая з іншых планет? Гэта проста звязана з першапачатковымі ўмовамі матэрыялу, якія спарадзілі Сонечную сістэму. Нептун - другі па крузе, пасля якога ідзе Зямля. Найменш круглая планета? Меркурый, далей Марс, а потым Сатурн. Не было механізму, які выклікаў бы гэтыя дзівацтвы; мы назіраем вынікі, якія мы назіраем сёння з-за (здавалася б, выпадковых) першапачатковых умоў, з якімі нарадзілася наша Сонечная сістэма.

Здаецца, гэтая скальная фармацыя, вядомая пад назвай Збалансаваная скала ў Нацыянальным парку арк, знаходзіцца ў няўстойлівым раўнавазе, як быццам бы хтосьці там яе склаў і выдатна збалансаваў. Аднак гэта не проста супадзенне, а хутчэй вынік асноўных геалагічных і эрозійных працэсаў, якія спарадзілі структуру, якую мы бачым сёння. (GETTY)

Але гэта і непрывабны, і немудрагелісты шлях, паколькі ён мяркуе, што не існуе асноўнай прычыны, якая прывяла б да эфекту, які мы назіраем. Альтэрнатыўны варыянт - выказаць здагадку, што існуе нейкі механізм, які выклікаў відавочную дапрацоўку, якую мы бачым сёння.

Напрыклад, калі вы паглядзіце на велізарную скалу, ураўнаважаную на судаку, вы думаеце, што нешта выклікала менавіта так. Гэта можа быць таму, што хтосьці старанна размясціў яго і збалансаваў, альбо таму, што эрозія і выветрыванне адбыліся такім чынам, што гэтая структура развівалася натуральным чынам. Дакладная настройка не павінна мець на ўвазе дакладную наладу, а хутчэй, каб быў фізічны механізм, які ляжыць у аснове таго, што сёе-тое выглядае дакладным. Эфект можа выглядаць як малаверагоднае супадзенне, але гэта можа быць не так, калі ёсць прычына, якая адказвае за эфект, які мы бачым.

Інфляцыя прыводзіць да таго, што прастора пашыраецца ў геаметрычнай прагрэсіі, што можа вельмі хутка прывесці да таго, што любое раней выгнутае або нягладкае прастору выглядае плоскім. Калі Сусвет выгнутая, ён мае радыус крывізны, як мінімум, у сотні разоў большы, чым тое, што мы можам назіраць. (Э. SIEGEL (L); КУСМАЛОГІЯ НАЦІОНАЛЬНАГА ПРАВА (R))

Вяртаючыся да праблемы праблемы з плоскаступнёвасцю, лёгка тэарэтызаваць некаторыя патэнцыйныя тлумачэнні таго, што можа выклікаць сёння Сусвет. Магчыма, што пачатковая хуткасць пашырэння і пачатковая шчыльнасць энергіі Сусвету паўсталі з ранейшага стану, у выніку чаго гэтыя дзве велічыні былі звязаны і збалансаванымі.

Магчыма таксама, што да Вялікага выбуху існавала фаза Сусвету, якая хутка пашыралася і расцягвала Сусвет, так што ён не адрозніваўся ад ідэальна роўнага. Магчыма, што Сусвет сапраўды выгнуты, але што ён выгнуты ў значна большым маштабе, чым наша назіральная Сусвет дазваляе нам атрымаць доступ, гэтак жа, як вы не маглі вымераць крывізну Зямлі выключна, вывучыўшы свой уласны двор.

Уся справа ў дакладнай наладзе аргументу не ў тым, каб сцвярджаць, што ў нас дзіўнае супадзенне, і таму ўсё, што тлумачыць гэтае супадзенне, хутчэй за ўсё, будзе правільным. Хутчэй, гэта паказвае нам на розныя спосабы думаць пра інакш невытлумачальную галаваломку, каб паспрабаваць даць фізічнае тлумачэнне з'яве, якое не мае відавочнай прычыны.

Квантовыя ваганні, якія адбываюцца падчас інфляцыі, расцягваюцца па ўсёй Сусвету, і калі інфляцыя сканчаецца, яны становяцца ваганнямі шчыльнасці. З цягам часу гэта прыводзіць да буйнамаштабнай структуры Сусвету сёння, а таксама да ваганняў тэмпературы, назіраных у ЦМВ. Новыя прагнозы, такія, як гэтыя, неабходныя для дэманстрацыі абгрунтаванасці прапанаванага механізму дакладнай налады. (Э. СІГЕЛ, З ВЫПУСКІ, ЯКІЯ ПЕРАДАЧАЮЦЬ З ЕГА / ПЛАНК І ІНТЕРАГЕНЦЫЙНАЯ ЗАДАЧА НАДА НАСА / НАСА / НСФ НА КСБ

У навуцы наша мэта складаецца ў тым, каб апісаць усё, што мы назіраем альбо вымяраем ва Сусвеце, толькі прыродныя, фізічныя тлумачэнні. Калі мы бачым касмічнае супадзенне, мы абавязаны вывучыць усе магчымыя прычыны гэтага супадзення, бо адна з іх можа прывесці да наступнага вялікага прарыву. Гэта не азначае, што вам варта папрасіць канкрэтную тэорыю ці ідэю без дадатковых доказаў, але магчымыя рашэнні, якія мы можам тэарэтызаваць, падкажуць нам, дзе гэта можа быць разумным.

Як заўсёды, у нас ёсць жорсткія патрабаванні да любой такой тэорыі, якая ўключае паўтарэнне ўсіх поспехаў папярэдняй вядучай тэорыі, тлумачачы гэтыя новыя загадкі, а таксама робім новыя прагнозы адносна назіральных, вымерных велічынь, якія мы можам праверыць. Пакуль новая ідэя не атрымаецца на ўсіх трох франтах, гэта толькі здагадкі. Але гэтая здагадка ўсё яшчэ неверагодна каштоўная. Калі мы гэтым не займаемся, мы ўжо адмовіліся ад адкрыцця новых фундаментальных ісцін пра нашу рэчаіснасць.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан з'яўляецца аўтарам дзвюх кніг "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву".