Нам не нужно множество миров квантовой механики, чтобы иметь больше Вселенных, чем мы знаем, что с ними делать.
«Вселенная - это все, что есть, было или будет». Это кажется разумным заявлением, не так ли? Это, безусловно, соответствует нашему пониманию слова Вселенная, которое подразумевает, что это все пространство и вся материя и энергия в нем. Мы, безусловно, живем во Вселенной и можем видеть ее огромное количество: около 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Спустя 13,8 миллиарда лет после горячего Большого взрыва и расширения ткани пространства за все это время это абсолютный предел того, как далеко мы можем видеть.
Но что скрывается за этим? Есть ли еще Вселенная, подобная нашей? Ответ: да, должно быть. Но должно быть нечто большее: более крупная пространственно-временная структура, в которую встроено огромное, бессчетное количество Вселенных. Если наши лучшие теории верны, одной нашей Вселенной недостаточно. Вот почему.
Представьте, что вы вернулись к началу Вселенной, какой мы ее знаем: к началу горячего Большого Взрыва. Как бы это выглядело? Вы окажетесь погруженным в горячую ванну частиц, античастиц и излучения. Все они были бы безмассовыми и, следовательно, двигались бы со скоростью света, поскольку бозон Хиггса еще не придал массы Вселенной. А температура и энергия этих частиц будут исключительно высокими: около 1028 К, плюс-минус немного. Все, что энергетически разрешено, будет существовать, и столкновения частиц - , включая спонтанное рождение и аннигиляцию пар частица/античастица - , будут происходить быстро, часто и неуклонно.
С этого момента мы обычно запускаем часы вперед во времени, наблюдая, как Вселенная расширяется, охлаждается, создает больше материи, чем антиматерии, и в конечном итоге формирует ядра, атомы, гравитационные сгустки, звезды, галактики и спустя достаточно времени люди.
А что, если бы мы пошли другим путем? Что, если вместо этого мы вернемся назад и спросим, откуда возникли условия, которые мы называем горячим Большим взрывом? Мы придем к странному, почти инопланетному положению вещей: периоду космической инфляции. Вместо энергии во Вселенной, связанной с частицами, античастицами и излучением, это была бы энергия, присущая самой ткани пространства. Последствия космической инфляции глубоки, но не всегда интуитивны.
Если Вселенная имеет всю свою энергию, завернутую в форму, присущую самому пространству, она все равно расширяется, но не охлаждается и не становится менее плотной, как Вселенная после Большого Взрыва. Вместо этого он расширяется экспоненциально, что означает, что он удваивается в размере по прошествии небольшого, но фиксированного промежутка времени: где-то около 10^-35 секунд. Следовательно, за время 10^-34 секунды Вселенная увеличилась в размере в 2¹⁰, или 1024 раза. За время 10^-33 секунды она увеличилась в 2¹⁰⁰, или ~10³⁰. И так далее.
Ключевая реализация инфляции заключается в том, что плотность энергии остается постоянной. По мере увеличения объема Вселенной энергия, присущая пространству в каждой области, остается неизменной. Когда Вселенная раздувается, она просто создает все больше и больше Вселенной, которая все еще раздувается.
«Ну и что, - скажете вы, - ведь все равно же вселенная одна, да?»
Может быть это. Объем Вселенной увеличивается колоссально, неумолимо и безгранично, но не до бесконечности. Это происходит только до тех пор, пока инфляция не прекратится. А когда она заканчивается, вся энергия, присущая космосу, превращается в частицы, античастицы и излучение: конец инфляции совпадает с началом горячего Большого взрыва.
Это основы того, что делает инфляция. Если мы посмотрим, как это работает физически, то сможем представить себе инфляцию как поле: шар, который находится на вершине холма. Холм должен быть особенно плоским на вершине, чтобы мяч мог проводить там много времени. Мяч неизбежно катится вниз к долине внизу, но он должен катиться медленно: только когда мяч находится на вершине плоской части холма, может произойти надувание. Когда шарик скатывается в долину, инфляция заканчивается, рождая Вселенную, наполненную частицами, античастицами и излучением: начинается горячий Большой Взрыв.
Опять же, пока все хорошо. У нас одна Вселенная, она раздувается, инфляция заканчивается, мы получаем горячий Большой Взрыв, и все счастливы.
Пока вы не вспомните одно важное предостережение, которое мы до сих пор игнорировали: все, что физически существует, включая все частицы и поля, должно быть квантовым по своей природе. Квантовые частицы - это странные, противоречащие здравому смыслу сущности, которые не всегда ведут себя как частицы, но также обладают волнообразными свойствами. И одна из самых важных вещей, которую делают квантовые частицы всякий раз, когда вы помещаете одну из них в любое место во Вселенной, заключается в том, что их положение больше не фиксировано, а скорее описывается распределением вероятностей. И чем дольше вы ждете, тем больше расширяется волновая функция, описывающая, где находится частица.
Это не имеет большого значения для свободного электрона в нашей Вселенной сегодня, но это ужасно важно для инфляции! Представьте, что вы находитесь на вершине этого холма и медленно катитесь к долине. В то же время ваша позиция имеет вероятность рассредоточения, и хотя есть конечный шанс, что вы окажетесь ближе к долине, чем в противном случае, есть также шанс, что вы окажетесь выше в гору. чем вы начали.
А теперь самое интересное: поскольку ваше пространство расширяется и раздувается, в разных областях пространства могут происходить разные вещи. Давайте представим, что прошло достаточно времени, и теперь существуют пять разных областей, каждая из которых имеет тот же размер, что и исходная область. Что произойдет, если мы позволим им беспорядочно распространяться?
В некоторых из них инфляция заканчивается. В других инфляция продолжается, но похоже, что она близка к завершению. А в других она продолжается даже сильнее, чем без растекания и перекатывания вообще.
Когда вы вычисляете вероятности практически для всех жизнеспособных моделей инфляции, вы обнаружите, что количество пространства, в котором инфляция происходит и не заканчивается, всегда увеличивается с течением времени. Неизбежно будут регионы, где инфляция закончится, а там, где она закончится, произойдет горячий Большой взрыв. Но за пределами каждого из этих регионов будет место, где инфляция не закончилась, и пространство там продолжает раздуваться. С каждым новым мгновением, которое приносит время, есть конечная вероятность того, что инфляция прекратится, но еще больше шансов, что она продолжится, в далеком будущем.
Таким образом, мы получаем пространство-время, в котором в любое время инфляция заканчивается в нескольких регионах, а там, где она заканчивается, мы получаем горячий Большой взрыв. Каждая из этих областей будет окружена более широким пространством-временем, которое продолжает раздуваться, где в каждой из раздувающихся областей несколько небольших участков увидят прекращение инфляции и последующий горячий Большой Взрыв. Каждый из этих различных горячих Больших взрывов породит свою собственную наблюдаемую Вселенную, как и наша, с разной отправной точкой и разными специфическими начальными условиями для каждой области. Они будут разделены более расширяющимся пространством, и никакие две Вселенные никогда не будут сталкиваться или взаимодействовать друг с другом.
Откуда берутся концепции вечной инфляции, мультивселенной и существования множества несвязанных Вселенных.
Если принять, что инфляция - это этап, который произошел в прошлом Вселенной до горячего Большого Взрыва, и что сама Вселенная по своей природе является квантовой, существование мультивселенной неизбежно. Несмотря на то, что мы не можем наблюдать эти другие Вселенные, мы можем наблюдать огромное количество свидетельств инфляции, косвенно указывающих на ее неизбежность. Мы также можем наблюдать огромное количество свидетельств того, что сама Вселенная является квантовой, хотя у нас нет доказательств того, что сама инфляция ведет себя как квантовое поле. Если сложить эти кусочки воедино, это однозначно приведет к предсказанию, что наша Вселенная должна быть лишь одной из бесчисленного множества Вселенных, и все они заключены в вечно раздувающемся, расширяющемся фоне.
Одной Вселенной недостаточно. Несмотря на то, что мы не можем его обнаружить, предсказание мультивселенной неизбежно.