Какие идеи вероятны, какие спекулятивны, а какие - чистой воды вымысел?
«Думай налево, думай правильно, думай низко и думай высоко. О, мысли, которые можно придумать, если только постараться!» - Доктор Сьюз
Снова конец недели, и так же, как и в течение последних 44 недель подряд, я просмотрел ваши вопросы и предложения и выбрал мой любимый из ваших материалов для этого еженедельная колонка «Спросите Итана»! На этой неделе честь принадлежит Джереми, который хочет узнать больше о Мультивселенной. Он спрашивает:
Можете ли вы подробнее объяснить теорию мультивселенной? Будут ли в каждой мультивселенной свои законы природы? Или все они по-прежнему будут действовать по тем же фундаментальным законам, что и мы? Или оба? Все ли они происходят из того, что мы считаем своим центром, или у каждого из них есть свое собственное начало расширения/большого взрыва?
Здесь много тем для обсуждения, поэтому давайте начнем с твердой основы: Вселенная, которую мы знаем, любим и можем наблюдать. Давайте взглянем.
Каждая точка, которую вы видите в этом видео, представляет собой галактику, содержащую от многих миллионов до триллионов звезд; самые большие из них в тысячи раз превышают массу нашего Млечного Пути. И тем не менее, этот удивительный полет через Вселенную показывает нам только около 0,0002% галактик, видимых нам в нашей Вселенной!
Глядя на ничем не примечательный небольшой участок неба, который, кажется, не имеет каких-либо примечательных особенностей - ни ярких звезд, ни близлежащих галактик, ни пыли или нейтральных газовых облаков - и направляя Хаббл Космический телескоп на нем в общей сложности 23 днястоит времени, мы смогли обнаружить более 5000 галактик, присутствующих в далекой Вселенной. Поскольку для покрытия всего неба потребовалось бы 32 миллиона таких областей, мы знаем, что сегодня в нашей Вселенной насчитывается по меньшей мере сотни миллиардов галактик.
В самых больших масштабах диапазон нашего космического зрения простирается примерно на 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Кроме того, мы ограничены только тем фактом, что Вселенная имеет конечный возраст и конечна скорость света.
Но - насколько нам известно - Вселенная продолжается дальше этого! Насколько нас учат наши наблюдения, нет ничего особенного ни в нашем местоположении в пространстве, ни в том, что мы видим; Вселенная кажется примерно одинаковой по структуре, плотности и всем свойствам, куда бы мы ни посмотрели.
Мы можем даже взглянуть на космический микроволновый фон (CMB), оставшееся излучение, когда Вселенная была настолько горячей, что не могла образовывать нейтральные атомы, потому что они мгновенно разлетались на части.
Это снимок излучения во Вселенной с расстояния почти 46 миллиардов световых лет во всех направлениях; он был испущен всего через 380 000 лет после Большого Взрыва. Все, что мы видим, указывает на то, что Вселенная не только везде примерно одинакова по своей плотности и свойствам, но мы узнаем, что законы физики одинаковы во всем мире. Вселенная, а также то, что Вселенная не повторяет саму себя подобно замкнутой поверхности.
И это говорит нам о том, что область Вселенной, которую мы можем видеть - наша наблюдаемая Вселенная - , это всего лишь часть всей нашей Вселенной, которая находится там. Все звезды, галактики и излучения, которые когда-либо достигали Млечного Пути за все время существования Вселенной, мы совершенно уверены, это лишь часть того, что было создано в результате того, что мы называем Большим взрывом.
И, несмотря на неизвестные размеры нашей Вселенной, все наши наблюдения говорят нам, что независимо от того, насколько велика она на самом деле, каждая ее часть (включая любую область, не наблюдаемую нами) имеет следующие свойства:
- Везде и всегда действуют одни и те же законы физики,
- Каждый регион имеет уникальную историю и причинно-следственную связь (то есть не может обмениваться информацией) с любым другим регионом, и
- Все это произошло из одного и того же события, которое мы отождествляем с Большим взрывом.
Другими словами, даже за пределами наблюдаемой Вселенной есть еще одна часть той же Вселенной, или того, что мы должны назвать Мультивселенной 0-го уровня, что вовсе не мультивселенная!
И тем не менее, мы думаем, что существует Мультивселенная, а не только наша Вселенная, из-за того, как мы думаем, что наша Вселенная возникла.
Видите ли, Вселенная расширяется сегодня - и с момента Большого Взрыва - в прямой зависимости от количества материи и энергии, присутствующих во Вселенной. Когда оно было моложе, горячее, плотнее и энергичнее, скорость расширения была выше. Сегодня плотность энергии ниже, чем когда-либо, и продолжает уменьшаться, асимптотически приближаясь к небольшому, но отличному от нуля значению.
Это ненулевое значение энергии, к которому он стремится, известно как темная энергия и является энергией, присущей самому пространству. Она очень мала, но материя и излучение продолжают разбавляться в нашей постоянно расширяющейся Вселенной, а темная энергия остается неизменной. В результате темная энергия уже стала самым важным источником скорости расширения нашей Вселенной.
Самое удивительное в этом то, что это именно то, что Вселенная делала до Большого Взрыва, только с гораздо большей энергией и с гораздо большей скоростью! Это был период, известный как Космическая Инфляция.
Инфляция вызывает экспоненциальное расширение любого пространства-времени, на которое она воздействует, и если это происходило в прошлом с большим количеством энергии, это экспоненциальное расширение было чрезвычайно быстрым! Всего за 10^-32 секунды область размером с субатомную частицу расширилась бы и стала больше, чем наша наблюдаемая Вселенная сегодня.
Из-за свойств квантовой теории поля, независимо от того, как началась инфляция, большинство областей пространства (после начала инфляции) будут продолжать инфляцию вечно, продолжая экспоненциальное расширение навсегда. Но этого явно не произошло в нашей части Вселенной; Инфляция в какой-то момент закончилась и породила Вселенную, в которой мы живем сегодня. Каким бы механизмом ни закончилась инфляция для нас, она должна иметь возможность закончиться и в любой другой области пространства!
Несмотря на то, что инфляционные регионы растут быстрее, чем те, где инфляция заканчивается, также должно быть огромное количество несвязанных областей пространства-времени, где инфляция заканчивается, отмеченных X ниже.
Эти отдельные регионы, не связанные друг с другом, испытывают Большой Взрыв, когда инфляция прекращается, независимо друг от друга. Это то, что мы называем Мультивселенной Уровня 1 На самом деле, мы обычно выделяем четыре различных уровня Мультивселенной, и этот первый - в контексте космической инфляции - наиболее определенно имеет место.
Итак, это ответ на последний вопрос Джереми: существуют вселенные, полностью отделенные от нашей собственной, в которых события Большого взрыва полностью независимы от того, который породил нашу Вселенную, какой мы ее знаем.
Но как насчет этих других вселенных? Правда ли, что у них должны быть такие же фундаментальные законы, как и у нас?
A Уровень 2 Мультивселенная предполагает, что физические константы разных Вселенных будут отличаться от наших собственных. Это основано на ряде важных предположений, о которых обычно не говорят.
- Что существует тип симметрии, который восстанавливается во время инфляции,
- Эта симметрия нарушается, когда инфляция заканчивается,
- Эта симметрия нарушается по-разному в разных Вселенных, и
- Нарушенная симметрия определяет фундаментальные константы Вселенной.
Давайте посмотрим, что мы знаем об инфляции и что происходит в конце ее.
Космическая инфляция обычно считается квантовым полем, которое имеет определенное неравновесное значение в течение большей части инфляции, но когда инфляция заканчивается, оно достигает равновесного значения. Из измерений реликтового излучения мы знаем, что ближе к концу инфляции его энергия была значительно ниже (примерно в 1000 раз) значения на шкале Планка, которое обычно считается энергией, при которой постоянная -определяющие симметрии будут нарушены. Только в случае оранжевой кривой, приведенной выше, и только в том случае, когда минимумы оранжевой кривой имеют отличные друг от друга значения, и, более того, только в случаях, когда инфляционное поле связано с различными фундаментальными константами, могут быть разрешены разные Вселенные. иметь разные константы.
На самом деле есть веские основания полагать, что другие случаи нарушения симметрии - электрослабого или нарушения симметрии Хиггса, например - , не приводят к изменениям в фундаментальных связях или константах: мы видели разные области где это произошло в нашей наблюдаемой Вселенной, и константы ничем не отличаются!
Итак, какой бы привлекательной ни была идея о том, что существуют другие Мультивселенные уровня 1 с константами, отличными от наших собственных, у нас есть хорошие физические причины, основанные на наблюдаемых доказательствах, чтобы думать, что это маловероятно, и ноль веских причин (потому что хотеть, чтобы это было так, не является веской причиной), чтобы думать, что это вероятно.
А что насчет мультивселенных более высокого уровня?
Вы сталкиваетесь с ними только в том случае, если готовы намеренно неверно интерпретировать многомировую интерпретацию квантовой механики.
Есть те, кто (ошибочно) утверждают, что каждый раз, когда принимается квантовое «решение», вы оказываетесь либо на пути одной Вселенной, либо другой, которая была полностью ей параллельна, пока это решение не было принято.
Хотя это романтическая и в некотором смысле привлекательная идея, это не то, что на самом деле утверждает физика! Существует множество членов, которые вносят ненулевой вклад в волновую функцию Вселенной, а не все существующие Вселенные, и когда вы проводите измерения, вы заставляете себя принимать одно, а не другое. Другими словами, физика многомировой интерпретации говорит нам, что квантовая волновая функция Вселенной может быть интерпретирована как по существу суперпозиция состояний, а не что все возможности происходят где-то во Вселенной. Многомировая интерпретация полностью верна (как и многие другие), но это не означает, что параллельные вселенные, идентичные нашей, обязательно существуют!
И, наконец, Мультивселенная 4-го уровня находится так далеко в стране необоснованных предположений, что не стоит рассматривать ее более подробно. чем предложение: в нем утверждается, что все мыслимые математические структуры, которые могли бы управлять Вселенной, существуют, и что все эти гипотетические вселенные существуют. Это нормально, если вы увлекаетесь воображаемыми идеями, но до тех пор, пока (и пока) вы не обнаружите мыслимое влияние этого на Вселенную в принципе, ваша идея не может считаться научной.
Итак, подведем итоги для Джереми:
- Наша Вселенная простирается на гораздо большую территорию, чем та ее часть, которую мы можем наблюдать, все создано в результате нашего Большого Взрыва и все подчиняется одним и тем же фундаментальным законам и константам,
- Из-за инфляции существуют другие Вселенные, с другими Большими Взрывами, но, скорее всего, с теми же фундаментальными законами и константами,
- Все они причинно отвязаны от нас и никоим образом не влияют на нас и не подвержены влиянию с нашей стороны, и
- Все они имеют свою уникальную историю, и у многих из них, вероятно, есть свои разумные наблюдатели, ищущие ответы на вопросы, подобные этому.
И вот как глубоко уходит мультивселенная! Спасибо Джереми за отличный вопрос, и если у вас есть вопросы или предложения для следующего «Спросите Итана», присылайте их. Следующий ответ может быть вашим!
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With A Bang в Scienceblogs!