Иллюстрация множества независимых Вселенных, не объединённых причинными связями в постоянно расширяющемся космическом океане – одно из представлений об идее Мультивселенной
Представьте, что Вселенная, наблюдаемая нами, от края до края – всего лишь капля в космическом океане. Что за пределами нашего поля зрения есть ещё космос, ещё звёзды, ещё галактики, ещё больше всего, возможно, на бессчетные миллиарды световых лет дальше, чем мы когда-либо сможем увидеть. И, хотя ненаблюдаемая Вселенная велика, существует ещё бессчётное количество других Вселенных, похожих на неё – некоторые из них крупнее и старше, некоторые – меньше и моложе – протянувшиеся на огромных просторах пространства-времени. И хотя эти Вселенные расширяются неизбежно и быстро, содержащее их пространство-время расширяется ещё быстрее, разводя их дальше друг от друга, гарантируя, что никакая пара Вселенных никогда не встретится. Звучит, как фантастика: это научная идея Мультивселенной. Но если наука окажется правильной, то это будет не просто надёжная идея, это будет неизбежная последовательность фундаментальных законов.
Концепция художника о логарифмическом представлении наблюдаемой Вселенной. Мы ограничены возможностью заглядывать в прошлое количеством времени, прошедшим со времён горячего Большого взрыва: 13,8 млрд лет, или, если учесть расширение Вселенной, то 46 млрд световых лет.
Идея мультивселенной растёт из физики, необходимой для описания Вселенной, которую мы сегодня видим и населяем. Куда бы мы ни взглянули на небе, мы видим звёзды и галактики, скапливающиеся вместе в гигантскую космическую паутину. Но чем дальше в космос мы заглядываем, тем дальше мы смотрим и во времени. Более удалённые галактики видятся нам более молодыми, и поэтому, менее развитыми. В их звёздах меньше тяжёлых элементов, их видимый размер меньше, поскольку они претерпели меньше слияний, там больше спиральных меньше эллиптических галактик (им нужно время на формирование после слияний), и так далее. Если мы дойдём до пределов наших способностей видеть, вы обнаружим самые первые звёзды Вселенной, а за этим – царство тьмы, в котором единственным светом будет остаточное свечение Большого взрыва.
Глядя на всё более удалённые объекты Вселенной, мы смотрим в прошлое, вплоть до того времени, когда ещё не было атомов, вплоть до Большого взрыва
Но Большой взрыв, случившийся одновременно во всей Вселенной 13,8 млрд лет назад, не был началом пространства и времени, а стал началом нашей наблюдаемой Вселенной. До него существовала эпоха космической инфляции, в которой пространство расширялось экспоненциально, и было заполнено энергией, присущей ткани пространства-времени. Космическая инфляция – это пример теории, которая сопутствовала основной, а затем затмила её, ибо она:
- Согласовывалась со всеми успехами Большого взрыва и объяла всю современную космологию.
- Объяснила несколько проблем, с которыми не мог справиться Большой взрыв, включая: почему температура по всей Вселенной одинакова, почему она пространственно плоская, почему не существует остаточных высокоэнергетических реликтов вроде магнитных монополей.
- Сделала множество новых предсказаний, которые можно проверить через наблюдения, и большая часть из них уже подтвердилась.
Но инфляция предсказывает ещё одно следствие, по поводу которого мы не знаем, сможем ли мы подтвердить его, или нет: мультивселенную.
Инфляция заставляет пространство экспоненциально расширяться, что очень быстро может привести к тому, что любое искривлённое пространство будет казаться плоским
Инфляция работает так, что заставляет космос расширяться с экспоненциальной скоростью. Всё то, что существовало до Большого взрыва, становится гораздо, гораздо, гораздо больше по размеру. Пока всё ясно: это объясняет, почему у нас такая однородная и большая Вселенная. В конце инфляции Вселенная заполняется материей и излучением, и именно это мы видим как горячий Большой взрыв. Но вот, что странно. Чтобы инфляция закончилась, то квантовое поле, которое за неё отвечает, должно перейти из высокоэнергетического нестабильного состояния, подпитывающего инфляцию, в состояние равновесия с низкой энергией. Этот переход и «скатывание» с холма в низину и заставляет инфляцию заканчиваться и породить горячий Большой взрыв.
Если бы инфляция была классическим полем, инфляция длилась бы, пока значение поля оставалось большим, но когда значение, скатившись вниз, уменьшилось бы, инфляция бы остановилась и заново нагрела Вселенную
Но какое бы поле ни отвечало за инфляцию, оно, как и все остальные поля, подчиняющиеся законам физики, оно должно быть по природе своей квантовым. Как все квантовые поля, оно описывается волновой функцией, вероятность которой распределяется во времени. Если значение поля достаточно медленно скатывается с холма, тогда квантовое размытие волновой функции будет идти быстрее, чем скатывание, что означает, что инфляция, вероятно, и даже возможно, проскочит мимо точки окончания и породит Большой взрыв с течением времени.
Если инфляция – это квантовое поле, тогда его значение распределяется по времени, и в разных участках пространства возникают различные реализации значения поля. Во многих участках значение поля окажется равным низу долины, и инфляция закончится, а во множестве других инфляция будет продолжаться произвольно долго.
Поскольку пространство во время инфляции расширяется с экспоненциальной скоростью, со временем будет возникать экспоненциально большое количество участков пространства. В некоторых регионах инфляция закончится: там, где значение поля скатится вниз, на дно долины. В других инфляция будет продолжаться, и порождать всё больше пространства, окружающего все регионы, в которых инфляция закончилась. Скорость инфляции гораздо больше, чем максимальная скорость расширения заполненной материей и энергией Вселенной, поэтому, расширяющиеся регионы довольно быстро начнут преобладать над всем остальным. Согласно правдоподобным механизмам, дающим нам достаточно большое значение инфляции для порождения наблюдаемой Вселенной, существует гораздо больше регионов пространства, окружающих наш – где инфляция окончилась – в которых инфляция не заканчивается.
Там, где происходит инфляция (голубые кубики), она порождает экспоненциально большее количество регионов пространства с каждым моментом времени. Даже если найдётся много регионов, в которых инфляция закончилась (отмечены красными крестиками), будет гораздо больше регионов, в которых инфляция будет продолжаться в будущее. И тот факт, что это никогда не заканчивается, делает инфляцию «бесконечной» после того, как она начнётся.
Отсюда и происходит явление, известное, как бесконечная инфляция. Там, где она заканчивается, мы получаем горячий Большой взрыв и Вселенную, в которой мы можем наблюдать ту часть, где мы находимся (такие участки отмечены красными крестиками на картинке выше). Но там, где инфляция не заканчивается, появляется ещё больше расширяющегося пространства, в результате чего появляются как участки, где горячий Большой взрыв, когда он произойдёт, не будет причинно связан с нашим участком, так и участки, где инфляция продолжится. И так далее.
Какой бы ни была огромной наблюдаемая часть Вселенной, это лишь крохотная часть того, что должно существовать кроме неё.
Именно эта картина, огромных Вселенных, куда как больших по размеру, чем та часть, что мы можем наблюдать, постоянно появляющихся в экспоненциально расширяющемся пространстве, и описывает мультивселенную. Важно понять, что сама по себе мультивселенная не является научной теорией. Она не делает предсказаний каких-либо наблюдаемых явлений, к которым мы могли бы получить доступ из нашего уголка пространства. Вместо этого, мультивселенная – это теоретическое предсказание, вытекающее из законов физики, понимаемых нами сегодня наилучшим образом. Возможно, она – неизбежное следствие этих законов: если у вас есть инфляционная Вселенная, управляемая квантовой физикой, то вам предрешено прийти именно к такому выводу.
Хотя в расширяющемся пространстве-времени предсказывается существование множества независимых Вселенных, инфляция никогда не заканчивается везде одновременно, это происходит только в определённых и независимых участках, разделённых продолжающим расширяться пространством. Отсюда и проистекает научная мотивация идеи мультивселенной.
Возможно, что наше понимание состояния, бывшего до Большого взрыва, неверно, и что наши идеи по поводу инфляции совершенно неприменимы. В этом случае существование мультивселенной не является неизбежным. Но предсказание бесконечно расширяющегося состояния, где постоянно рождаются и отделяются друг от друга несчётное количество карманных вселенных, является прямым следствием наших лучших на сегодняшний день теорий, если они верны.
Что же тогда такое мультивселенная? Она может выходить за пределы физики и стать первым встреченным нами метафизическим явлением, следующим из физики. Мы впервые понимаем ограничения того, чему нас может научить Вселенная. Существует необходимая нам информация, но мы никогда не сможем её получить, чтобы поднять идею до состояния проверяемой науки. До тех пор мы можем предсказывать, но ни подтвердить, ни опровергнуть тот факт, что наша Вселенная – лишь малая часть грандиозной мультивселенной.
По материалам: habr.ru
