Наши лучшие физические теории предсказывают существование мультивселенной. Но если мы не можем это проверить, действительно ли это научно?
Вселенная - это все, что когда-либо было, все, что есть, и все, что когда-либо будет. По крайней мере, так нам говорят, и именно это подразумевает само слово «Вселенная». Но какова бы ни была истинная природа Вселенной, наша способность собирать информацию о ней фундаментально ограничена.
Прошло всего 13,8 миллиардов лет после Большого Взрыва, и максимальная скорость, с которой может перемещаться любая информация - скорость света , - конечна. Несмотря на то, что вся Вселенная сама по себе действительно может быть бесконечной, наблюдаемая Вселенная ограничена. Однако, согласно ведущим идеям теоретической физики, наша Вселенная может быть всего лишь одной крошечной областью гораздо большей мультивселенной, внутри которой содержится множество Вселенных, возможно, даже бесконечное число. Что-то из этого является настоящей наукой, а что-то - не более чем спекулятивное принятие желаемого за действительное. Вот как определить, что есть что. Но сначала немного предыстории.
Сегодня во Вселенной есть несколько фактов, которые относительно легко наблюдать, по крайней мере, с помощью научных средств мирового класса. Мы знаем, что Вселенная расширяется: мы можем измерить свойства галактик, которые учат нас как их расстоянию, так и тому, насколько быстро они удаляются от нас. Чем дальше они находятся, тем быстрее они кажутся отступающими. В контексте общей теории относительности это означает, что Вселенная расширяется.
И если Вселенная расширяется сегодня, значит, в прошлом она была меньше и плотнее. Экстраполируйте достаточно далеко назад, и вы обнаружите, что вещи также более однородны (поскольку гравитации требуется время, чтобы заставить вещи слипаться вместе) и горячее (поскольку меньшие длины волн для света означают более высокие энергии/температуры). Это возвращает нас к Большому Взрыву.
Но Большой Взрыв не был началом Вселенной! Мы можем только экстраполировать назад к определенной эпохе времени, прежде чем предсказания Большого Взрыва не оправдаются. Есть ряд вещей, которые мы наблюдаем во Вселенной, которые Большой Взрыв не может объяснить, но новая теория, которая устанавливает Большой Взрыв - космическую инфляцию - может.
В 1980-х годах было разработано большое количество теоретических следствий инфляции, в том числе:
- как должны выглядеть затравки для крупномасштабной структуры,
- что флуктуации температуры и плотности должны существовать в масштабах, превышающих космический горизонт,
- что все области пространства, даже с флуктуациями, должны иметь постоянную энтропию,
- и что должна быть максимальная температура, достигнутая горячим Большим Взрывом.
В 1990-х, 2000-х и 2010-х годах эти четыре предсказания были подтверждены наблюдениями с большой точностью. Космическая инфляция - победитель.
Инфляция говорит нам, что до Большого взрыва Вселенная не была заполнена частицами, античастицами и излучением. Вместо этого он был наполнен энергией, присущей самому пространству, и эта энергия заставляла пространство расширяться с быстрой, неумолимой и экспоненциальной скоростью. В какой-то момент инфляция заканчивается, и вся (или почти вся) эта энергия превращается в материю и энергию, что приводит к горячему Большому взрыву. Конец инфляции и то, что известно как повторное нагревание нашей Вселенной, знаменует собой начало горячего Большого взрыва. Большой взрыв все еще происходит, но это еще не самое начало.
Если бы это была полная история, все, что у нас было бы, было бы одной чрезвычайно большой Вселенной. У нее были бы везде одни и те же свойства, везде одни и те же законы, а части, которые находятся за пределами нашего видимого горизонта, были бы похожи на то, где мы находимся, но ее нельзя было бы с полным основанием назвать мультивселенной.
До тех пор, пока вы не вспомните, что все, что существует физически, должно быть по своей природе квантовым. Даже инфляция со всеми окружающими ее неизвестными должна быть квантовым полем.
Если затем вы потребуете, чтобы инфляция обладала свойствами, которыми обладают все квантовые поля:
- что его свойства имеют присущие им неопределенности,
- поле описывается волновой функцией,
- и значения этого поля могут меняться во времени,
вы пришли к неожиданному выводу.
Инфляция не заканчивается везде сразу, а скорее в отдельных, разрозненных местах в любой момент времени, в то время как пространство между этими местами продолжает раздуваться. Должно быть множество огромных областей пространства, где заканчивается инфляция и начинается горячий Большой Взрыв, но они никогда не могут столкнуться друг с другом, поскольку разделены областями расширяющегося пространства. Где бы ни началась инфляция, она практически гарантированно будет продолжаться вечно, по крайней мере, местами.
Там, где для нас заканчивается инфляция, мы получаем горячий Большой Взрыв. Та часть Вселенной, которую мы наблюдаем, является лишь частью этой области, где закончилась инфляция, за которой находится более ненаблюдаемая Вселенная. Но существует бесчисленное множество регионов, не связанных друг с другом, с одной и той же историей.
Это идея мультивселенной. Как видите, она основана на двух независимых, хорошо зарекомендовавших себя и широко признанных аспектах теоретической физики: квантовой природе всего и свойствах космической инфляции. Нет никакого известного способа измерить его, как нет способа измерить ненаблюдаемую часть нашей Вселенной. Но две лежащие в его основе теории, инфляционная и квантовая физика, доказали свою состоятельность. Если они правы, то мультивселенная является неизбежным следствием этого, и мы живем в ней.
Ну и что? Это не так много, не так ли? Существует множество неизбежных теоретических следствий, о которых мы не можем знать наверняка, потому что не можем их проверить. Мультивселенная - одна из длинной череды таких. Это не особенно полезное осознание, просто интересное предсказание, вытекающее из этих теорий.
Так почему же так много физиков-теоретиков пишут статьи о мультивселенной? О параллельных Вселенных и их связи с нашей через эту мультивселенную? Почему они утверждают, что мультивселенная связана со струнным ландшафтом, космологической постоянной и даже с тем, что наша Вселенная тонко настроена на жизнь?
Потому что, несмотря на то, что это явно плохая идея, у них нет ничего лучше.
В контексте теории струн существует огромный набор параметров, которые в принципе могут принимать почти любые значения. Теория не делает для них никаких предсказаний, поэтому нам приходится вводить их вручную: математические ожидания строкового вакуума. Если вы слышали о невероятно больших числах, таких как знаменитое 10⁵⁰⁰, которое появляется в теории струн, они имеют в виду возможные значения струнного вакуума. Мы не знаем, что они из себя представляют и почему у них такие ценности. Никто не знает, как их вычислить.
Итак, вместо этого некоторые люди говорят: «Это мультивселенная!» Ход мыслей выглядит так:
- Мы не знаем, почему фундаментальные константы имеют именно такие значения.
- Мы не знаем, почему законы физики такие, какие они есть.
- Теория струн - это структура, которая может дать нам наши законы физики с нашими фундаментальными константами, но она может дать нам другие законы и/или другие константы.
- Поэтому, если у нас есть огромная мультивселенная, где множество разных областей имеют разные законы и/или константы, одна из них может быть нашей.
Большая проблема заключается не только в том, что это чрезвычайно спекулятивно, но и в том, что, учитывая инфляцию и квантовую физику, которые мы знаем, нет причин предполагать, что инфляционное пространство-время имеет разные законы или константы в разных регионах.
Не впечатлил этот ход рассуждений? Практически никто другой.
Как я уже объяснял ранее, Мультивселенная сама по себе не является научной теорией. Скорее, это теоретическое следствие законов физики, как они лучше всего понимаются сегодня. Возможно, это даже неизбежное следствие этих законов: если у вас есть инфляционная Вселенная, управляемая квантовой физикой, это то, к чему вы в значительной степени придёте. Но - как и Теория Струн - у неё есть несколько больших проблем: она не предсказывает ничего из того, что мы наблюдаем и не можем объяснить без неё, и не предсказывает ничего определённого, что мы можем пойти и поискать.
В этой физической Вселенной важно наблюдать все, что мы можем, и измерять каждый бит знания, который мы можем собрать. Только на основе полного набора доступных данных мы можем надеяться когда-либо сделать обоснованные научные выводы о природе нашей Вселенной. Некоторые из этих выводов будут иметь значения, которые мы, возможно, не сможем измерить: из этого вытекает существование мультивселенной. Но когда люди затем утверждают, что они могут делать выводы о фундаментальных константах, законах физики или значениях вакуума струн, они больше не занимаются наукой; они спекулируют. Принятие желаемого за действительное не может заменить данные, эксперименты или наблюдения. Пока у нас их нет, имейте в виду, что мультивселенная является следствием лучших научных достижений, доступных на сегодняшний день, но она не делает никаких научных предсказаний, которые мы могли бы проверить.