Почему физики считают, что мы живем в Мультивселенной?

Несмотря на научный прогресс и последние достижения человечества, наши знания о Вселенной крайне малы. Причина, отчасти, заключается в том, что мы с трудом можем представить себе такие концепции (или понятия), как, например, бесконечность или Большой взрыв, а также то, что было до него. В поисках ответов на важнейшие вопросы ученые рассматривают даже самые противоречивые и спорные теории. Одной из таких является теория Мультивселенной. Некоторые основоположники теории инфляции, в том числе физик из Стэнфордского университета Андрей Линде, выдвинули идею о том, что квантовые флуктуации во время инфляции породили не только галактики, но и целые вселенные. Из этой статьи вы узнаете, почему теории Мультивселенной стоит уделить внимание.

Согласно космологической модели горячей Вселенной, эволюция Вселенной начинается с состояния плотной горячей плазмы, которая состоит из элементарных частиц и протекает при дальнейшем расширении Вселенной.

Популярная теория

Прежде чем погрузиться в тонкости увлекательной теории Мультивселенной, напомню, что инфляционная модель Вселенной — это гипотеза о физическом состоянии и законе расширения молодой Вселенной (вскоре после Большого взрыва), которая противоречит космологической модели горячей Вселенной. Дело в том, что эта общепринятая модель не лишена недостатков, многие из которых были решены в 1980-х годах ХХ века именно в результате построения инфляционной модели Вселенной.

Примечательно, что какой бы далекой наука о Вселенной не казалась неискушенному читателю, популярная культура совместно с учеными проделали по-настоящему потрясающую работу. Так, в последние годы жизни выдающийся физик-теоретик Стивен Хокинг трудился над темами, от которых у большинства исследователей – по их же признанию – «болит голова»: Хокинг в соавторстве с физиком Томасом Хертогом из Католического университета Левена в Бельгии работали над уже знаменитой статьей, посвященной проблеме Мультивселенной.

Как это часто случается в эпоху фейковых новостей и дезинформции, из-за того, что работа Хокинга и Хертога была размещена на сервере препринтов Airxiv (на этом сервере ученые обмениваются черновиками статей, прежде чем они будут опубликованы в рецензируемых научных журналах), это породило множество безосновательных сообщений о том, что Стивен Хокинг предсказал конец света а заодно предложил способ обнаружения альтернативных вселенных.

На самом же деле само исследование, опубликованное позже в журнале Journal of High Energy Physics, не столь сенсационно. В работе речь идет о парадоксе: если Большой Взрыв породил бесконечные вселенные с неисчерпаемым числом вариаций законов физики, то как ученые могут надеяться ответить на фундаментальные вопросы о том, почему наша Вселенная выглядит именно так как выглядит?

На фото британский физик-теоретик, космолог и астрофизик, писатель Стивен Хокинг

Когда Вселенная возникла, а это произошло примерно 13,8 миллиардов лет назад, она подверглась инфляционно-экспоненциальному расширению за очень короткий промежуток времени. В ходе этого процесса, крошечные квантовые флуктуации в пространстве были увеличены до космических размеров, создавая семена структур, которые станут галактиками и осветят вселенную. Однако, и это еще более удивительно, физик Андрей Линде предполагает, что инфляция по-прежнему происходит. Еще несколько лет назад в интервью The Washington Post он сравнил космос с постоянно растущим куском швейцарского сыра.

Похожие на дырки в сыре «карманные вселенные» – это места, где локальная инфляция прекратилась, позволяя материи конденсироваться, а звездам и галактикам образовываться. Мы вполне можем жить в одном из этих карманов, оторванные от бесконечных альтернативных вселенных, существующих вокруг нас, и пребывающие в блаженном неведении.

Андрей Линде, профессор Стэндфордского университета, основоположник теории инфляционного расширения Вселенной, предусматривающей наличие множественной вселенной, или Мультивселенной.

И да, если эта идея слишком сильно вас удивляет, вы не одиноки. Некоторые космологи всерьез опасаются «вечной инфляции» — и Мультивселенной, которая может возникнуть из нее. Во-первых, если различные карманные вселенные разъединены, то как мы вообще сможем проверить, что они существуют? Во-вторых, бесконечная Мультивселенная не поддается математическому анализу, что затрудняет использование модели для понимания того, как все работает и взаимодействует в космосе. Вопросов действительно очень много, так что давайте попробуем разобраться в этой увлекательной и популярной теории.

Geek Picnic Online 2020

Теория Мультивселенной сегодня настолько популярна, что стала главной темой крупного европейского научно-популярного фестиваля (традиционно open air), посвященного современным технологиям, науке и творчеству Geek Picnic Online 2020. Среди приглашенных 122 спикеров были профессор Линде – его лекцию на русском языке можно посмотреть здесь, а также ирландский писатель фантаст Йен Макдональд. Как пишут организаторы фестиваля в официальном паблике мероприятия во Вконтакте, лекция Макдональда будет опубликована позже.

Скриншот лекции Андрея Линде, посвященной Мультивселенной

Как объясняет Линде, согласно теории Большого взрыва, после своего рождения Вселенная была очень маленькая, но в какой-то момент начала расширяться. При этом, в ранней Вселенной было намного больше энергии, чем сегодня. Часть этой энергии впоследствии ушла на расширение Вселенной. Однако главный вопрос заключается в том, откуда взялась вся эта энергия.

Представьте, что вечером ваши карманы пусты, а на утро в них лежит миллиард долларов, – говорит Линде. Но ведь в реальной жизни ничего подобного не происходит. Важно понимать, что все процессы, из-за которых родилась Вселенная, начались спонтанно.

Сегодня мы видим лишь малую часть Вселенной. Ученые называют доступную для наблюдений Вселенную "наблюдаемой Вселенной".

Инфляционная модель Вселенной

В самом начале, когда размер Вселенной не превышал и сантиметра, в ней находилось примерно 10 в 90 степени областей, которые никак не соприкасались друг с другом. Но почему и как в таком случае, они вдруг «поняли», что Вселенной пора расширяться? На самом деле это известная космологическая проблема, которая называется проблемой горизонта (horizon problem). Она возникает из-за сложности объяснения наблюдаемой однородности причинно несвязных областей пространства в отсутствие механизма, задающего одинаковые начальные условия.

Итак, если с помощью телескопа попробовать заглянуть в прошлое, то мы увидим свет от Большого взрыва, которому потребовалось 13,8 миллиардов лет чтобы добраться до нас. Однако Линде указывает на то, что мы видим Вселенную ограниченно. Угол обзора проще всего представить вытянув обе руки влево и вправо – суть в том, что мы находимся в центре и не видим того, что находится за пределами кончиков пальцев обеих рук. Более того, ни правая ни левая рука «понятия не имеет о том, что делает другая».

Наблюдаемую Вселенную проще всего представить в виде сферы, за пределами которой находится неизвестность. На изображении наблюдаемая Вселенная в логарифмическом масштабе.

Следующим не менее важным вопросом является причина, по которой наша Вселенная не вращается. Напомню, все массивные космические объекты от планет до Солнца вращаются, даже сверхмассивные черные дыры в ядрах галактик. При этом, в какое бы направление не посмотрел наблюдатель с Земли – вверх, вниз, влево или вправо – он увидит равные расстояния. Ученые называют это изотропностью – одинаковостью физических свойств во всех направлениях, а также симметрией по отношению к выбору направления.

Выходит, наша Вселенная и правда настолько странная, что ответить на огромное количество вопросов с помощью одной только теории Большого взрыва нельзя. И в самом деле, как объяснить, что Вселенная находясь в вакууме продолжает расширяться с ускорением? Ведь в вакууме нет никаких частиц вообще!

Вакуум — пространство без вещества. В прикладной физике под вакуумом понимают среду, состоящую из газа при давлении значительно ниже атмосферного.

Ответ кроется в физике элементарных частиц. Так, Лоуренс Краусс – физик-теоретик и президент Origins Project Foundation написал книгу, посвященную этому вопросу, она так и называется – «Все из ничего. Как возникла Вселенная,» рекомендуем к прочтению. Андрей Линде в свою очередь считает, что некоторые частицы в вакууме обладают энергетическим зарядом и могут появиться в результате распада вакуума.

Вселенная из ничего

Итак, давайте представим один кубический метр в виде ящика, заполненного конфетами, с условием, что в одном кубическом метре помещается 1000 конфет. Но что получится, если этот кубический метр станет больше в 10 раз? Ответ, кажется, прост – внутри по-прежнему будет 1000 конфет. Но из-за того, что объем вырос в тысячу раз, на один кубический метр будет приходиться только одна конфета. Это кажется логичным, однако у реальности свои правила: в одном кубическом метре содержится постоянно расширяющийся вакуум.

В какой-то момент его объем становится в тысячу раз больше изначального, после чего вакуум распадается. В результате плотность энергии внутри одного воображаемого ящика такая же, как и до расширения – вакуум не изменился, хотя наш ящик увеличился в 10 раз. Похоже на какую-то магию, не так ли? Как объясняет сам Линде, когда Вселенная расширяется в постоянном вакууме, энергия материи экспоненциально возрастает, в отличие от энергии гравитации. В результате вакуум распадается высвобождая «1000 конфет» – протонов, электронов и других частиц, а их количество становится пропорциональным объему Вселенной.

Таким образом, если экспоненциальный рост продолжается, возрастает и количество частиц. Постоянное расширение, между тем, не говорит нам ни слова о форме Вселенной. Хотя нам с вами на самом деле абсолютно все равно какой она формы, ведь с позиции наблюдателя Вселенная кажется плоской. Именно так – в более-менее упрощенном изложении выглядит теория инфляционной Вселенной, впервые выдвинутая Аланом Гутом, американским физиком и космологом в 1981 году. Примечательно, что в конце научной работы Гут пишет примерно следующее:

Существует небольшая проблема, которая заключается в том, что распад вакуума – процесс, необходимый для появления материи – очень похож на чан с кипящей водой. А как выглядит кипящая вода? Правильно – пузырек здесь, пузырек там и так далее.

Гут также утверждает, что эти пузырьки сталкиваются в кипящей Вселенной и делают все процессы, в ней происходящие, хаотичными и… бесполезными. Но как это может быть? Попытки Гута найти ответ на этот вопрос привлекли внимание других ученых. В результате в свет вышло сразу две работы – первая, написанная Аланом Гутом в соавторстве с Эриком Вайнбергом в 1981 году, а вторая – и есть та самая работа Стивена Хокинга в соавторстве с Томасом Хертогом.

Примечательно, что обе статьи пришли к одному и тому же выводу – теория инфляционной Вселенной не состоятельна. Однако Гут связался с Андреем Линде, в результате чего профессор Стэндфордского университета создал новую модель инфляционной Вселенной, за что был отмечен премией имени Георгия Гамова. Но при чем тут Мультивселенная?

Линде считает, что наша Вселенная похожа на балерину, которая перестав вращаться раскинула руки в разные стороны и замерла на месте. Это, безусловно, кажется невозможным, так как нарушает все известные законы физики. Однако использование новой модели инфляционной Вселенной позволяет многое узнать о Вселенной. О том, кто и почему впервые выдвинул теорию Мультивселенной, читайте в нашем материале.

Что такое Мультивселенная?

Вот мы и подошли к самому интересному – почему спикер Geek Picnic 2020 Андрей Линде, а вместе с ним и писатель-фантаст Йен Макдональд, считает, что мы живем в Мультивселенной? Профессор Стэндфордского университета полагает, что Мультивселенная является ответом на вопрос о том… какого цвета наша Вселенная. Если она черная, то это необходимо доказать, точно так же, как если бы мы считали, что ее цвет белый или желтый. Помните чан с бурлящей водой? Представьте, что если наша Вселенная белого цвета, а профессор Линде считает именно так, другие пузырьки могут быть черными, красными, желтыми, синими, зелеными и так далее. А значит, мы живем в Мультивселенной.

По мнению профессора, находясь в белой области пространства (белой Вселенной) мы не видим другие ее области (красные, фиолетовые, коричневые и др). В свою очередь, в каждой Вселенной должен быть наблюдатель, который попытается объяснить почему его Вселенная, например, красная. Таким образом, мы просто не можем исключить возможность существования красной, желтой, синей, голубой и прочих вселенных.

И если все вышеперечисленное кажется вам не достаточно головокружительным, представьте, что Россия – это единственная страна, о существовании которой мы знаем. В попытках понять, почему Россия устроена так, как устроена, ученые будут искать ответы на вопросы о ее природе и происхождении. Ровно то же самое будут делать ученые из Китая, Великобритании, Индии, США и любой другой страны. Главное условие в этом примере звучит так – жители разных стран не знают о существовании друг друга. Так и Мультивселенная – находясь в белой вселенной мы не знаем, что существуют, например, красные, черные и зеленые.

Мы так мало знаем о Вселенной, что не можем исключить того, что она может быть голограммой

Возвращаясь к Началу начал – Большому взрыву, Линде сравнивает рождение Вселенной из ничего (в результате распада вакуума) с разными состоянии одного вещества – Н2О. Вода, как известно, может находиться в трех состояниях – жидком, газообразном (пар, туман) и твердом (снег, лед, град), а значит и сам вакуум, породивший Вселенную, может иметь разные состояния. Из этого, как вы, вероятно, уже поняли – и следует вывод о множественности миров.

Говоря о Мультивселенной важно понимать, что какой бы удивительной, непонятной, хаотичной и местами безумной не казалась нам эта теория, с точки зрения физики существование Мультивселенной возможно. Отчасти и по этой причине тоже ученые работают над «теорией всего» – теорией, которая смогла бы в полной мере ответить на все вопросы современной физики, включая существование Мультивселенной. По мнению профессора Линде, ближе всего подобрались физики, изучающие теорию струн. Но это уже совсем другая история.

Реальность или фантастика?

Так как человечество находится в самом начале пути познания себя, а следом и Вселенной, мы должны проверять даже самые безумные теории. Все потому, что вопросов сегодня намного больше чем ответов, а истина зачастую скрывается там, куда мы боимся заглянуть. Вот почему научная фантастика является отличным мысленным экспериментом, который, возможно, поможет нам лучше понять Вселенную.

Выступая на Geek Picnic Online 2020 фантаст Йен Макдональд, автор таких произведений как «Бразилья», «Волчья Луна», «Дом дервиша» и др., рассказал о том, почему считает, что мы живем в Мультивселенной. По мнению писателя, сама идея Мультивселенной актуальна для мира, в котором мы живем сегодня. Слово «Мультивселенная» содержит в себе множество понятий и мы просто не можем выбрать все и сразу. Каждый, как утверждает Макдональд, выбирает для себя что-то определенное, например, спорт, научную фантастику или моду. И это одновременно хорошо и плохо.

На фото писатель-фантаст Иен Макдональд

Нам легче объединяться и формировать сообщества, но в то же время, наша жизнь запечатывается в этих частных вселенных, и мы не знаем, что происходит вне их. В социальном, культурном, политическом и экономическом плане мы живем в отдельных параллельных мирах, которые иногда разделяют общие пространства (например, города, улицы, общественные пространства)

Йен Макдональд, Geek Picnic Online 2020

Согласитесь, развивая мысль Макдональда мы рано или поздно придем к размышлениям физиков-теоретиков об устройстве Вселенной. А также, безусловно, и о нашем обществе, о чем себе вдоволь позволил поразмышлять Макдональд в своих произведениях.

Что касается теоретической физики, то в упоминающейся выше работе Хокинга и Хертога исследователи опираются на идею, разработанную еще в 1980-х, известную под названием «Голографическая Вселенная», которая предполагает, что Вселенную можно рассматривать как голограмму и что трехмерная реальность может быть математически свернута только в два измерения (указаны именно два измерения. Это сделано для того, чтобы облегчить вычисления). В результате исследователям удалось навести хоть какой-то порядок в обширной, непостижимой и не побоюсь этого слова безумной теории Мультивселенной.

Кипящие пузырьки о которых говорил Линде можно представить как карманные вселенные (о чем говорится в начале статье) с той лишь разницей, что в этой модели вселенных меньше и они обладают определенными фундаментальными качествами, что значительно облегчает их анализ. Важно понимать, что работа выдающегося британского физика-теоритика (речь о Стивене Хокинге) и его коллег не сводится к единой, уникальной Вселенной, однако их открытия предполагают значительное сокращение Мультивселенной до гораздо меньшего диапазона возможных вселенных. Это означает, что вместо 1000 конфет в воображаемом ящике, физики рассматривают 10.

Возможно, существуют миры, в которых нас с вами не существует

Газета The Washington Post в статье посвященной работе Хокинга и Хертога приводит слова космолога из университета Северной Каролины Кэти Мак о том, что предложенная модель еще не полностью разработана. «Это скорее упрощенная версия чего-то, чтобы просто посмотреть и попытаться понять что происходит» – считает Мак. Выходит, совсем неудивительно, что последняя работа Хокинга зависит от концепций, до сих пор не получивших широкого признания и новейших математических инструментов.

Важно также понимать, что эта работа не является решением всех проблем во Вселенной. Безусловно, она интригует, захватывает и заставляет нас мыслить непривычными категориями. Теория Мультивселенной – это потенциальный путь, по которому можно идти даже несмотря на то, что ученые понятия не имеют, куда и к чему их это приведет. «Стивен Хокинг был человеком», — говорит Линде. «Он не был гением, который ежедневно говорит исключительно правильные вещи и боролся с теми же научными проблемами, с которыми борются все физики».

Опубліковано на сайті: 2020-08-30