Почему ученые убеждены в существовании Мультивселенной01.12.2023 01:01

Существование мультивселенной — амбициозная гипотеза, которую пока невозможно проверить напрямую, но она вызывает множество дискуссий в научном сообществе. Аргументы в ее пользу довольно убедительны, и в статье рассмотрим их.

MidjourneyИзображение сгенерировано в Midjourney

Вселенная одновременно рассказывает две истории о себе. Первую можно прочитать с помощью звезд и галактик, их состава, распределения, движения. Чтобы узнать вторую — потребуется немного больше усилий, потому что наблюдая далекие объекты, можно узнать о Вселенной прошлых эпох. 

Однако для полного понимания необходимо соединить эти наблюдения с теоретическими представлениями о Вселенной, основанными на законах физики и концепции Большого Взрыва. И когда мы это сделаем, то увидим убедительные аргументы в пользу того, что Большому Взрыву предшествовала особая фаза — космическая инфляция. Именно с ней приходит и идея мультивселенной. Вот почему многие физики утверждают, что мультивселенная, скорее всего, реальна.

Принцип расширения Вселенной

Модель, которую можно назвать «хлеб с изюмом», иллюстрирует принцип расширения Вселенной. В этой модели относительные расстояния между объектами увеличиваются по мере того, как пространство (или в нашей аналогии — тесто) расширяется. Чем дальше разнесены изюминки, тем сильнее будет наблюдаемое красное смещение к моменту прихода света к нам. Эта зависимость красного смещения от расстояния, которую предсказывает модель расширяющейся Вселенной, подтверждена наблюдениями и соответствует данным, которые известны с 1920-х годов. Фото: NASA/WMAP Science Team

Уже в 1920-х годах ученые собрали множество доказательств того, что многие спиральные и эллиптические объекты на небосклоне являются отдельными галактиками. Было также выяснено, что чем дальше расположена галактика, тем сильнее ее свет смещается в сторону более длинных волн. Первоначально предложили несколько толкований этого явления, но с приходом новых данных большинство вариантов отбросили. И в итоге преобладает одна концепция: Вселенная действительно расширяется, подобно хлебу, где галактики можно сравнить с изюминками в тесте.

Если сегодняшняя Вселенная находится в процессе расширения и излучение в ней смещается к более длинным волнам и уменьшенным энергиям, то в прошлом она, безусловно, была компактнее, плотнее, более однородной и горячей.

Три ключевых прогноза теории Большого Взрыва

В рамках концепции расширяющейся Вселенной, насыщенной материей и излучением, теория Большого Взрыва предлагает три ключевых прогноза.

  1. Космическая структура на макроскопическом уровне, где галактики формируются, эволюционируют и со временем создают все более плотные скопления.
  2. Фоновое излучение с низким уровнем энергии, являющееся наследием времени, когда в горячей ранней Вселенной только начали формироваться нейтральные атомы.
  3. Специфические пропорции наиболее легких элементов — водорода, гелия, лития и их разнообразных изотопов — которые присутствуют даже в тех местах, где звезды не рождались.

Все три прогноза, выдвинутые на основе теории Большого Взрыва, нашли свое экспериментальное подтверждение. Именно по этой причине данная теория остается основным научным объяснением происхождения нашей Вселенной, в то время как все альтернативные гипотезы были опровергнуты.

Начальные условия Большого Взрыва

Однако Большой Взрыв рассказывает только о том, какова была Вселенная на заре. Он не дает ответа на вопрос, почему у нее были именно такие характеристики. В мире физики, зная начальные условия и законы, которыми система руководствуется, можно с высокой степенью уверенности предсказать ее поведение в будущем.

Ученые выяснили, какие были начальные условия Большого Взрыва для формирования Вселенной:

  • максимальная температура должна была быть на порядок ниже планковского масштаба, где стандартные законы физики теряют свою силу;
  • Вселенная, вероятно, начиналась с плотностными флуктуациями, которые были приблизительно одинаковы на всех масштабах;
  • скорость ее расширения и общая плотность материи и энергии должны были быть идеально сбалансированы, причем с точностью до ~30 знаков после запятой;
  • Вселенная должна была иметь одинаковые начальные условия (температура, плотность и спектр флуктуаций) везде, даже в областях, которые не были причинно связаны между собой;
  • начальная энтропия должна была быть в триллионы раз ниже, чем сейчас.

Если три разные участки пространства никогда не взаимодействовали между собой, не обменивались информацией и не передавали друг другу сигналы, то откуда у них одинаковая температура? Этот вопрос стоит в центре проблемы начальных условий Большого Взрыва. Каким образом все эти области приобрели одну и ту же температуру, если изначально они были неоднородными? Источник: E. Siegel/За пределами Галактики

Теория космической инфляции

Каждый раз, когда мы задаемся вопросом о начальных условиях — фактически, почему наша система началась именно таким образом? — перед нами встают два пути ответа. Мы можем либо прибегнуть к неизвестному, утверждая, что это был единственный возможный вариант, и дальнейшие знания недоступны, либо мы можем искать механизм, который бы создавал и устанавливал необходимые условия.

В физике этот подход называется «обращением к динамике», и его цель — разработать механизм, который выполняет три ключевые задачи. Он должен:

  • сохранять все достижения модели, которую стремится заменить — в данном контексте, это Большой Взрыв. Все ключевые аспекты должны быть учтены в любом предложенном механизме;
  • объяснить то, чего не может объяснить Большой Взрыв: начальные условия Вселенной. Эти загадки, оставшиеся без ответа в рамках теории Большого Взрыва, должны быть решены новой концепцией;
  • предоставить новые прогнозы, отличные от прогнозов первоначальной теории, и эти прогнозы должны быть проверены на практике.

На сегодняшний день единственная теория, удовлетворяющая этим критериям, — это теория космической инфляции, которая показала впечатляющие результаты во всех трех направлениях.

Экспоненциальное расширение во время инфляции поражает своей неудержимостью. Приблизительно каждые ~10^-35 секунды объем конкретного участка пространства удваивается в каждом измерении. Это приводит к разведению частиц или излучений, и любая кривизна быстро становится практически плоской. Фото: E. Siegel (слева); Учебник по космологии Неда Райта (справа)

Сердцевиной теории инфляции является предположение, что до момента, когда Вселенная превратилась в горячую, плотную и насыщенную материей и излучением, она пребывала в состоянии, где доминировала колоссальная энергия, свойственная самому пространству — это могло быть поле или вакуумная энергия. Однако, в отличие от современной темной энергии с ее скромной плотностью энергии (примерно эквивалентной одному протону на кубический метр), плотность энергии в эпоху инфляции была астрономической — примерно в 10^25 раз выше, чем у темной энергии в наши дни.

Механизм расширения Вселенной во время инфляции

В расширяющейся Вселенной, насыщенной материей и излучением, объем увеличивается, но количество частиц остается стабильным, что ведет к уменьшению плотности. Так как плотность энергии связана со скоростью расширения, последняя со временем уменьшается. Однако если энергия — это неотъемлемая часть пространства, то плотность энергии остается неизменной, равно как и темп расширения. 

Мы сталкиваемся с явлением, которое получило название экспоненциального расширения: за кратчайший промежуток времени Вселенная удваивается, и этот процесс повторяется снова и снова. За доли секунды, область, первоначально меньше субатомной частицы, может достичь размеров современной видимой Вселенной.

На верхнем изображении видно, что современная Вселенная обладает однородными свойствами (в том числе температурой) везде, и это происходит потому, что все эти области исходно имели одинаковые характеристики. Среднее изображение демонстрирует, как пространство, первоначально имевшее любую кривизну, в процессе инфляции надувается настолько, что сегодня мы не в состоянии обнаружить эту кривизну, что решает проблему плоскости. На нижнем изображении видно, как реликты высокой энергии, существовавшие до инфляции, исчезают, что предоставляет ответ на проблему реликтов высокой энергии. Вот как инфляция решает три основные загадки, которые теория Большого Взрыва не может объяснить самостоятельно. Источник: E. Siegel/За пределами Галактики

В период инфляции Вселенная испытывает огромное расширение. В результате этого процесса достигается ряд ключевых моментов:

  • Вселенная растягивается до такой степени, что она становится практически плоской;
  • Первоначальные условия, которые существовали в области, где началась инфляция, распространяются по всей наблюдаемой Вселенной;
  • Микроскопические квантовые флуктуации растягиваются по Вселенной таким образом, что они становятся почти одинаковыми на всех масштабах, но немного уменьшаются на меньших масштабах к моменту завершения инфляции;
  • Вся энергия «инфляционного» поля преобразуется в материю и излучение, но достигает максимальной температуры, которая значительно ниже планковской шкалы, но сравнима с энергетической шкалой инфляции;
  • Формируется спектр плотностных и температурных флуктуаций на масштабах, превосходящих космический горизонт. Эти флуктуации являются адиабатическими (с постоянной энтропией) и не изотермическими (с постоянной температурой) во всех точках Вселенной.

Таким образом, инфляция воспроизводит все достижения теории Большого Взрыва без инфляции, предоставляет механизм для объяснения начальных условий Большого Взрыва и делает ряд новых прогнозов, которые отличаются от прогнозов теории без инфляции. С 1990-х годов и до наших дней прогнозы, основанные на инфляционной модели, подтверждаются наблюдениями, что выделяет их на фоне теории Большого Взрыва без инфляции.

Процесс воссоздания Вселенной

Существует определенный минимум инфляции, необходимый для воссоздания Вселенной, которую мы наблюдаем. Это подразумевает, что инфляция должна соответствовать ряду условий, чтобы быть успешной. Можно представить инфляцию как холм: находясь на его вершине, инфляция продолжается, но как только начинается движение вниз, инфляция завершается, превращая свою энергию в материю и излучение.

Во времена инфляции квантовые флуктуации распространяются по всей Вселенной. По ее завершении они преобразуются в флуктуации плотности. С течением времени это становится основой для формирования крупномасштабной структуры Вселенной, которую мы наблюдаем сегодня, а также для температурных флуктуаций в реликтовом излучении. Это наглядный пример воздействия квантовой природы реальности на Вселенную в целом. Фото: Е. Зигель; ESA/Planck и Межведомственная рабочая группа по исследованию реликтового излучения DOE/NASA/NSF

Рассмотрев этот процесс более детально, можно выявить определенные «конфигурации холма» или, как выразились бы физики, «потенциалы», которые эффективны, и те, которые не подходят. Главное здесь — вершина холма должна быть относительно плоской. Если представить инфляционное поле как шар, находящийся на вершине холма, то он должен медленно катиться в течение большей части инфляции, ускоряясь и быстро спускаясь в долину, завершая этот процесс. На основе этого мы можем определить, насколько плавно должна протекать инфляция, что, в свою очередь, говорит нам о форме потенциала. Если вершина достаточно плоская, инфляция может объяснить начало существования Вселенной.

Согласно базовой модели инфляции, все началось с вершины условного холма, где инфляция была в разгаре. Затем произошло движение вниз к долине, где инфляция завершилась, что, в свою очередь, привело к горячему Большому Взрыву. Если уровень этой долины не равен нулю, а имеет положительное значение, то возможно квантовое туннелирование к состоянию с более низким уровнем энергии. Это может иметь глубокие последствия для нашего понимания Вселенной. Фото: Е. Зигель, «За пределами Галактики»

Инфляция, как и все другие поля, которые известны, имеет квантовую природу. Это подразумевает, что многие из ее характеристик не являются абсолютно определенными, а скорее имеют вероятностный характер. Чем больше времени проходит, тем шире становится это вероятностное распределение. Вместо представления процесса как катания маленького шарика по холму, мы рассматриваем его как катание квантовой волновой функции.

Параллельно с этим происходит инфляция Вселенной, что предполагает ее экспоненциальное расширение в каждом из трех измерений. Представьте кубик размером 1×1х1, который мы условно назовем «Вселенной». В процессе инфляции этот кубик начинает увеличиваться. Если для удвоения его размера требуется определенный промежуток времени, то он превратится в куб 2×2х2, который займет объем в 8 исходных кубиков. Дайте этому процессу продолжиться, и у нас будет куб 4×4х4, занимающий объем в 64 исходных кубика. Повторите еще раз, и перед нами куб 8×8х8 с объемом в 512. Пройдя всего около 100 таких «временных удвоений», мы получим Вселенную, объем которой равен примерно 10^90 исходных кубиков.

Представьте инфляцию как квантовое поле. С течением времени значения этого поля начинают распределяться, и различные участки пространства начинают принимать разнообразные значения этого поля. В некоторых местах значение поля достигает дна долины, что приводит к завершению инфляции. Однако в еще большем числе регионов инфляция продолжает свое действие, продвигаясь неопределенно далеко во времени. Фото: Е. Зигель, «За пределами Галактики»

Теперь представьте себе ситуацию, когда в определенной области этот квантовый инфляционный «шарик» опускается в долину. В этом месте инфляция завершается, энергия поля превращается в материю и излучение, и здесь начинается то, что мы называем Большим Взрывом. Этот регион может иметь сложную форму, но ключевой момент заключается в том, что инфляция должна длиться достаточно долго, чтобы воссоздать те явления, которые мы наблюдаем во Вселенной. Возникает вопрос: что же происходит за границами этой области?

В областях, где инфляция еще действует (отмечены синими кубами), с каждым временным интервалом количество таких участков пространства растет экспоненциально. Даже если в некоторых местах инфляция прекращается (помечены красными Х), существует гораздо больше областей, где она продолжает свое действие. Этот бесконечный процесс делает инфляцию «вечной» с момента ее начала, что лежит в основе нашего современного понимания мультивселенной. Фото: Е. Зигель, «За пределами Галактики»

Если инфляция действительно длится достаточно долго, чтобы Вселенная могла обрести свои текущие характеристики, то за пределами тех областей, где инфляция прекращается, она, вероятно, продолжается. Рассматривая относительные размеры этих областей, можно прийти к выводу, что даже если области с завершенной инфляцией достаточно велики, чтобы соответствовать нашим наблюдениям, то области с продолжающейся инфляцией будут экспоненциально превосходить их по размеру.

Этот разрыв будет только увеличиваться. Даже при наличии бесконечного числа областей с завершенной инфляцией, существует еще большая бесконечность областей, где она не прекращается. К тому же, все эти области, где инфляция завершилась и где произошли Большие Взрывы, будут изолированы друг от друга, отделены дополнительными участками инфляционного пространства.

Другими словами, каждый Большой Взрыв создает свою «пузыревую» Вселенную, и эти пузыри никогда не пересекаются. В результате со временем число таких изолированных пузырей продолжает расти, и все они окружены вечно инфлирующим пространством.

Что же такое Мультивселенная

Есть предположение, что существует множество Вселенных, каждая из которых испытала свой собственный Большой Взрыв. Вместе они формируют то, что мы называем мультивселенной.

Это не подразумевает, что разные Вселенные обладают различными законами физики, или что все возможные квантовые сценарии реализуются в разных уголках мультивселенной. Это также не гарантирует реальность мультивселенной, так как это предположение, которое мы не можем экспериментально подтвердить или опровергнуть. Но если принять теорию инфляции, поддерживаемую текущими данными, то мультивселенная становится почти неизбежным выводом.

Многим это может показаться странным, и некоторые физики скептически настроены, но до тех пор, пока не будет предложена более убедительная альтернатива инфляции, мультивселенная останется частью научного мировоззрения.

Полный текст статьи читайте на Компьютерра