Decennia lang hebben verschillende natuurkundigen getheoretiseerd dat zelfs de kleinste veranderingen in de fundamentele natuurwetten het bestaan ​​van leven onmogelijk zouden maken. Dit idee, ook bekend als het argument van het "fijn afgestemde universum", suggereert dat het voorkomen van leven in het universum erg gevoelig is voor de waarden van bepaalde fundamentele fysica. Verander een van deze waarden (zoals de logica gaat), en het leven zou niet bestaan, wat betekent dat we heel veel geluk moeten hebben om hier te zijn.

Maar kan dit echt het geval zijn, of is het mogelijk dat leven kan ontstaan ​​onder verschillende fysieke constanten, en we weten het gewoon niet? Deze vraag werd onlangs behandeld door Luke A. Barnes, een postdoctoraal onderzoeker aan het Sidney Institute for Astronomy (SIA) in Australië. In zijn boek 'A Fortunate Universe:Life in a Finely Tuned Cosmos' betoogden hij en Sydney, professor in de astrofysica, Geraint F. Lewis, dat een nauwkeurig afgestemd universum vanuit natuurkundig oogpunt logisch is.

De auteurs vatten deze argumenten ook samen in een uitgenodigde bijdrage, die verscheen in de Routledge Companion to Philosophy of Physics (1st ed.). In dit artikel, getiteld "The Fine-Tuning of the Universe for Life", legt Barnes uit hoe "fine- tuning" bestaat uit het verklaren van waarnemingen door gebruik te maken van een "verdachte nauwkeurige veronderstelling". Dit, zo stelt hij, is door de geschiedenis heen symptomatisch geweest voor onvolledige theorieën en is een veelvoorkomend kenmerk van de moderne kosmologie en deeltjesfysica.

In sommige opzichten is dit idee vergelijkbaar met het antropische principe, dat stelt dat elke poging om de eigenschappen van het universum te verklaren ons bestaan ​​als levensvormen niet kan negeren. Dit staat in schril contrast met het kosmologische principe - ook wel het Copernicaanse principe genoemd, genoemd naar Nicolaus Copernicus, die het heliocentrische model van het universum formuleerde - dat stelt dat er niets unieks of speciaals is aan de mens of onze plaats in het universum.

In een eerder artikel betoogden Barnes en Lewis dat het antropische principe verre van een geval van arrogantie of 'vermomde religie' is, maar een noodzakelijk onderdeel van de wetenschap is. Toen ze het samenvallen tussen het bestaan ​​van de mensheid en een universum dat oud genoeg is en wordt geregeerd door natuurkunde die de opkomst van intelligent leven (d.w.z. wij) bevordert, aan de orde stellen, hebben ze een eenvoudige stelregel afgeleid:"Elk verslag van het toeval moet overwegen hoe het universum wezens maakt die [het] kunnen meten."

Maar zoals Barnes via e-mail aan Universe Today uitlegde, zijn er enkele significante verschillen tussen het antropische principe en het verfijnde universum:

"Ik begrijp de relatie tussen fine-tuning en het antropische principe als volgt. Fine-tuning verwijst naar het feit dat kleine veranderingen in de constanten van de natuur zouden hebben geresulteerd in een universum dat niet in staat is leven te ondersteunen. Het antropische principe zegt dat als fysiek leven -vormen bestaan, moeten ze waarnemen dat ze zich in een universum bevinden dat in staat is hun bestaan ​​in stand te houden."

Anders gezegd, Barnes stelt dat het antropische principe een niet-falsifieerbare uitspraak is (ook wel een tautologie genoemd) die het resultaat is van het 'selectie-effect' van ons eigen bestaan. Aangezien we geen populatie van intelligent leven en beschavingen hebben om uit te kiezen, kan het principe zelf niet worden vervalst. Ondertussen, zegt Barnes, is het finetuning-argument een "verrassend feit over de natuurwetten zoals wij die kennen."

Het verfijnde universum-argument dateert uit de jaren zeventig toen de natuurkunde begon op te merken dat kleine veranderingen in de fundamentele constanten van de natuur, of in de beginomstandigheden van het universum, het leven zoals wij dat kennen zouden uitsluiten. Als de kosmos en de wetten van de fysica zelf anders waren geëvolueerd, zou de stabiliteit die nodig is voor het bestaan ​​van levende wezens (in al hun complexiteit) niet mogelijk zijn.

Maar zoals Barnes opmerkt in zijn samenvattende artikel, druist deze logica in tegen hetzelfde oude probleem. Net als het geocentrische model van de oudheid bevat het verdacht nauwkeurige aannames, die hij vervolgens stuk voor stuk aan de orde stelt. De eerste heeft te maken met de kosmologische constante (CC), een idee dat Einstein in 1917 voorstelde als een tijdelijke toevoeging aan zijn veldvergelijkingen voor de algemene relativiteitstheorie. Aangeduid door het personage Lambda, was de CC een kracht die "zwaartekracht zou compenseren" en er zo voor zou zorgen dat het universum statisch bleef (een populaire opvatting in die tijd).

Terwijl Einstein een paar jaar later de CC dumpte toen hij hoorde dat astronomen hadden bewezen dat het heelal uitdijt, is het idee sinds de jaren negentig opnieuw geïnterpreteerd. Met het besef dat de kosmische expansie versnelt, begonnen natuurkundigen te postuleren dat Einstein's CC de mysterieuze kracht zou kunnen zijn die bekend staat als "donkere energie" (DE). Dit leidde tot de algemeen aanvaarde kosmologische theorie die bekend staat als het lambda koude donkere materie (LCDM) model.

De CC vertegenwoordigt echter ook een van de belangrijkste theoretische problemen in de moderne natuurkunde. Net als donkere materie werd het bestaan ​​van DE of een opnieuw uitgevonden CC voorgesteld om het verschil tussen waarnemingen en theoretische voorspellingen te verklaren. Net als de 'epicycles' van Ptolemaeus die werden gebruikt om waarnemingen te rationaliseren die niet in overeenstemming waren met het geocentrische model, is de CC een aanname die 'verdacht nauwkeurig' is.

Daarnaast zijn er de inconsistenties die CC heeft met de kwantumveldentheorie (QFT), die deeltjes beschrijft als configuraties van een veld. Volgens QFT zal een bepaalde configuratie die bekend staat als een "vacuümtoestand" nog steeds bestaan ​​in de afwezigheid van deeltjes. Maar als we theorieën over CC en DE mogen geloven, zou dit betekenen dat er een aanzienlijke hoeveelheid energie in de vacuümtoestand is.

De enige manier om dit uit te leggen in termen die acceptabel zijn voor QFT en de algemene relativiteitstheorie, is door aan te nemen dat de bijdragen van vacuümenergie en kwantumvelden elkaar opheffen. Nogmaals, dit vereist een "verdacht nauwkeurig" samenvallen tussen verschillende onafhankelijke factoren. In een andere geest vertelt het standaardmodel van de deeltjesfysica ons dat materie bestaat uit 25 verschillende soorten subatomaire deeltjes, verdeeld in vier groepen (quarks, leptonen, ijkbosonen en scalaire bosonen).

Het bestaan ​​van deze deeltjes en hun respectievelijke eigenschappen (massa, lading en spin) zijn allemaal geverifieerd door middel van rigoureuze experimenten. De kleinste afwijking van een van deze eigenschappen zou een significante invloed hebben op hoe ze op elkaar inwerken en zich gedragen, wat leidt tot de volledige instabiliteit van materie. Hetzelfde geldt voor de dimensionaliteit van ruimtetijd, waar drie dimensies van ruimte (zoals gepostuleerd door Newton) nodig zijn voor stabiele atomen en stabiele planetaire banen.

Een universum met drie ruimtelijke dimensies en één dimensie van tijd (zoals beschreven door de algemene relativiteitstheorie) is ook essentieel. Meer, zegt Barnes, en atomaire systemen konden niet stabiel blijven. Met andere woorden, hoewel de CC theoretische problemen kan oproepen, zijn het standaardmodel en de dimensionaliteit van ruimte-tijd consistent met het verfijnde model. Zoals Barnes het uitdrukte:

"De kosmologische constante is onverklaarbaar in onze vergelijkingen en is slechts in een zeer klein bereik consistent met een universum dat leven toelaat. De waarde ervan is een ongemotiveerde en nauwkeurige veronderstelling, in de constante van de standaardmodellen van deeltjesfysica en kosmologie. Veel van de andere constanten van het standaardmodel zijn hetzelfde."

De vraag is dan:hoe lost men deze problemen op in onze conventionele modellen? Wat zou anders het feit kunnen verklaren dat ons universum leven toelaat, terwijl variaties van de kleinste soort dat onmogelijk zouden maken? Hierop suggereren Barnes en Lewis dat het Multiversum te hulp zou kunnen komen. "Misschien is het multiversum - ons universum laat bij toeval leven toe, en er zijn nog veel meer gevarieerde universums," zei hij.

Maar in de tussentijd is er nog steeds de mogelijkheid dat eventuele inconsistenties of ongerijmdheden aangeven wat de waarheid is. Net als Copernicus, die zich realiseerde dat de bewegingen van de planeten (waarvoor epicycli en equanten nodig waren om logisch te zijn) in feite een indicatie waren dat het model verkeerd was, kan fijnafstelling een indicatie zijn van fysica die verder gaat dan het standaardmodel of dat het model zelf revisie.

"Ik denk dat fine-tuning in het algemeen een aanwijzing is voor een diepere verklaring. Kleine kansen kunnen gewoon kleine kansen zijn, of ze kunnen worden gegenereerd door een aantal onjuiste veronderstellingen," voegde Barnes eraan toe. "Het interessante aan de fijnafstemming van de fundamentele constanten is dat ze zich op dit moment op de onderste verdieping van wetenschappelijke verklaringen bevinden. Ze zijn zo diep als de natuurkunde gaat (tenminste, terwijl het wordt ondersteund door bewijs.)"

Barnes en Lewis zijn ook verantwoordelijk voor "The Cosmic Revolutionary's Handbook:(Or:How to Beat the Big Bang)", waarin hun theorieën over kosmologie en het verfijnde model (gepubliceerd in 2019) nader worden toegelicht.