Если вы принимаете космическую инфляцию и квантовую физику, выхода нет. Мультивселенная реальна.
Смотрите на Вселенную сколько хотите, используя сколь угодно мощные технологии, и вы никогда не найдете преимущества. Пространство продолжается, насколько мы можем видеть, и куда бы мы ни посмотрели, мы видим одни и те же вещи: материю и излучение. Во всех направлениях мы находим одни и те же контрольные признаки расширяющейся Вселенной: остаточное излучение горячего, плотного состояния; галактики, которые меняются в размере, массе и количестве; элементов, содержание которых меняется по мере того, как звезды живут и умирают.
Но что находится за пределами нашей наблюдаемой Вселенной? Есть ли бездна небытия за пределами световых сигналов, которые могли достичь нас со времен Большого взрыва? Может быть, существует еще одна Вселенная, подобная нашей, за пределами наших возможностей наблюдения? Или существует Мультивселенная, таинственная по своей природе и навсегда невидимая?
Если с нашим пониманием Вселенной что-то не так, ответом должна быть Мультивселенная. Вот почему.
Мультивселенная - чрезвычайно спорная идея, но по своей сути это очень простая концепция. Подобно тому, как Земля не занимает особого положения во Вселенной, равно как и Солнце, Млечный Путь или любое другое место, Мультивселенная идет еще дальше и утверждает, что во всей видимой Вселенной нет ничего особенного.
Мультивселенная - это идея о том, что наша Вселенная и все, что в ней содержится, - это всего лишь маленькая часть более крупной структуры. Эта более крупная сущность заключает в себе нашу наблюдаемую Вселенную как небольшую часть большей Вселенной, которая простирается за пределы наших наблюдений. Вся эта структура - ненаблюдаемая Вселенная - сама по себе может быть частью большего пространства-времени, включающего в себя множество других, несвязанных Вселенных, которые могут быть похожи или не быть похожими на Вселенную, в которой мы живем.
Если это и есть идея Мультивселенной, я могу понять ваш скептицизм по поводу того, что мы можем каким-то образом узнать, существует она или нет. В конце концов, физика и астрономия - это науки, которые полагаются на измеримое, экспериментальное или иное наблюдательное подтверждение. Если мы ищем свидетельство чего-то, что существует за пределами нашей видимой Вселенной и не оставляет в ней следов, кажется, что идею Мультивселенной принципиально невозможно проверить.
Но есть множество вещей, которые мы не можем наблюдать, но которые, как мы знаем, должны быть правдой. За десятилетия до того, как мы непосредственно обнаружили гравитационные волны, мы знали, что они должны существовать, потому что наблюдали их эффекты. У двойных пульсаров - вращающихся нейтронных звезд, вращающихся вокруг друг друга - , наблюдалось сокращение периодов обращения. Что-то должно уносить энергию, и это соответствовало предсказаниям о гравитационных волнах.
Хотя мы, безусловно, приветствовали подтверждение того, что LIGO и Virgo предоставили гравитационные волны посредством прямого обнаружения, мы уже знали, что они должны существовать из-за этого косвенного доказательства. Те, кто будет утверждать, что косвенные доказательства не являются индикатором гравитационных волн, возможно, все еще не убеждены в том, что их излучают двойные пульсары; LIGO и Virgo не видели гравитационные волны, исходящие от двойных пульсаров, которые мы наблюдали.
Итак, если мы не можем наблюдать Мультивселенную напрямую, то какие у нас есть косвенные доказательства ее существования? Откуда мы знаем, что помимо той части, которую мы можем наблюдать, есть еще ненаблюдаемая Вселенная, и откуда мы знаем, что то, что мы называем нашей Вселенной, вероятно, всего лишь одна из многих, встроенных в Мультивселенную?
Мы смотрим на саму Вселенную и делаем выводы о ее природе на основе того, что показывают наблюдения о ней.
Когда мы смотрим на край наблюдаемой Вселенной, мы обнаруживаем, что световые лучи, испускаемые с самых ранних времен - из Космического Микроволнового Фона - , создают на небе особые узоры. Эти закономерности не только раскрывают флуктуации плотности и температуры, с которыми родилась Вселенная, а также материальный и энергетический состав Вселенной, но также и геометрию самого пространства.
Из этого мы можем заключить, что пространство искривлено не положительно (как сфера) и не отрицательно (как седло), а пространственно плоско, что указывает на то, что ненаблюдаемая Вселенная, вероятно, простирается далеко за пределы части мы можем получить доступ. Он никогда не изгибается сам по себе, никогда не повторяется, и в нем нет пустых промежутков. Если она изогнута, то ее диаметр в сотни раз больше, чем та часть, которую мы видим.
С каждой проходящей секундой нам открывается все больше Вселенной, такой же, как наша собственная, в соответствии с этой картиной.
Это может указывать на то, что за пределами той части нашей Вселенной, к которой мы можем получить доступ, есть еще ненаблюдаемая Вселенная, но это не доказывает этого и не дает доказательств существования Мультивселенной. Однако есть две концепции в физике, которые вне всяких разумных сомнений установлены: космическая инфляция и квантовая физика.
Космическая инфляция - это теория, которая привела к горячему Большому Взрыву. Вместо того, чтобы начинать с сингулярности, существует физический предел того, насколько горячими и плотными могли быть начальные, ранние стадии нашей расширяющейся Вселенной. Если бы мы достигли сколь угодно высоких температур в прошлом, были бы четкие сигнатуры, которых здесь нет:
- большие по амплитуде колебания температуры на ранней стадии,
- колебания плотности семян, ограниченные масштабом космического горизонта,
- и оставшиеся высокоэнергетические реликвии ранних времен, такие как магнитные монополи.
Эти подписи отсутствуют. Колебания температуры находятся на уровне 0,003%; флуктуации плотности превышают масштаб космического горизонта; ограничения на монополии и другие реликвии невероятно строгие. Тот факт, что этих сигнатур нет, имеет для них огромное значение: Вселенная никогда не достигала столь сколь угодно высоких температур. Что-то еще предшествовало горячему Большому Взрыву, чтобы установить это.
Вот тут-то и появляется космическая инфляция. Теория, появившаяся в начале 1980-х годов, была разработана для решения ряда загадок, связанных с Большим взрывом, но сделала то, на что вы надеетесь в любой новой физической теории: она сделала измеримые, проверяемые предсказания наблюдаемых сигнатур, которые появятся в нашей Вселенной.
Мы видим предсказанное отсутствие пространственной кривизны; мы видим адиабатический характер флуктуаций, с которыми родилась Вселенная; мы обнаружили спектр и величину первоначальных колебаний, которые совпадают с предсказаниями инфляции; мы видели сверхгоризонтные флуктуации, которые, как предсказывает инфляция, должны возникнуть.
Возможно, мы не все знаем об инфляции, но у нас есть очень убедительный набор доказательств, подтверждающих период в ранней Вселенной, когда она происходила. Она создала и привела к Большому взрыву, а также предсказывает набор и спектр флуктуаций, которые породили семена структуры, выросшей в космическую паутину, которую мы наблюдаем сегодня. Насколько нам известно, только инфляция дает нам предсказания для нашей Вселенной, которые совпадают с тем, что мы наблюдаем.
«Итак, большое дело», - скажете вы. «Вы взяли небольшой участок пространства, позволили инфляции расширить его до очень большого объема, и наша наблюдаемая, видимая Вселенная содержится внутри этого объема. Даже если с этим все в порядке, это лишь говорит нам о том, что наша ненаблюдаемая Вселенная простирается далеко за пределы видимой части. Ты вовсе не создал Мультивселенную.»
И все это будет правильно. Но помните, нам нужно добавить еще один компонент: квантовую физику.
Инфляция рассматривается как поле, как и все известные нам кванты во Вселенной, подчиняющееся правилам квантовой теории поля. В квантовой Вселенной существует множество контринтуитивных правил, которым следует следовать, но наиболее подходящим для наших целей является правило, регулирующее квантовую неопределенность.
Хотя мы обычно рассматриваем неопределенность как взаимно возникающую между двумя переменными - импульсом и положением, энергией и временем, угловым моментом взаимно перпендикулярных направлений и т. д. - существует также неотъемлемая неопределенность в значении квантового поля. С течением времени значение поля, которое раньше было окончательным, теперь имеет менее определенное значение; вы можете приписать ему только вероятности.
Другими словами, значение любого квантового поля распространяется во времени.
А теперь давайте объединим это: у нас есть раздувающаяся Вселенная, с одной стороны, и квантовая физика, с другой. Мы можем представить себе инфляцию как шар, очень медленно катящийся по вершине плоского холма. Пока мяч остается на вершине холма, инфляция продолжается. Однако, когда мяч достигает конца плоской части, он скатывается в долину внизу, которая преобразует энергию самого инфляционного поля в материю и энергию.
Это преобразование означает конец космической инфляции посредством процесса, известного как повторное нагревание, и приводит к горячему Большому взрыву, с которым мы все знакомы. Но вот в чем дело: когда ваша Вселенная раздувается, величина поля меняется медленно. В разных регионах раздувания значение поля разбросано случайным образом на разную величину и в разных направлениях. В некоторых регионах инфляция заканчивается быстро; в других он заканчивается медленнее.
Это ключевой момент, который говорит нам, почему Мультивселенная неизбежна! Там, где инфляция заканчивается сразу, мы получаем горячий Большой Взрыв и большую Вселенную, где небольшая ее часть может быть похожа на нашу собственную наблюдаемую Вселенную. Но есть и другие регионы, за пределами региона, где она заканчивается, где инфляция продолжается дольше.
Там, где квантовое распространение происходит правильным образом, на этом может закончиться инфляция, что приведет к горячему Большому Взрыву и еще большей Вселенной, небольшая часть которой может быть похожа на нашу наблюдаемую Вселенную.
Но в других регионах пока не только инфляция, но и рост. Вы можете рассчитать скорость, с которой раздуваются области, и сравнить их со скоростью, с которой формируются новые Вселенные и происходят горячие Большие Взрывы. Во всех случаях, когда инфляция дает вам прогнозы, соответствующие наблюдаемой Вселенной, мы выращиваем новые Вселенные и новые инфляционные области быстрее, чем инфляция может закончиться.
Эта картина огромных Вселенных, намного больших, чем скудная часть, которую мы наблюдаем, постоянно создаваемая в этом экспоненциально расширяющемся пространстве, и есть Мультивселенная. Это не новое, поддающееся проверке научное предсказание, а скорее неизбежное теоретическое следствие, основанное на законах физики, как они понимаются сегодня. Неизвестно, идентичны ли законы физики нашим законам в этих других Вселенных.
Если у вас инфляционная Вселенная, управляемая квантовой физикой, Мультивселенная неизбежна. Как всегда, мы постоянно собираем как можно больше новых убедительных доказательств, чтобы лучше понять всю вселенную. Может оказаться, что инфляция неверна, что квантовая физика неверна или что применение этих правил так, как мы это делаем, имеет какой-то фундаментальный недостаток. Но пока все сходится. Если с нами что-то не так, Мультивселенная неизбежна, а Вселенная, в которой мы живем, - всего лишь крошечная ее часть.