В последнее время среди физиков-теоретиков и космологов набирает силу гипотеза, которая ещё недавно казалась уделом фантастов и философов. Согласно этой точке зрения, наша Вселенная — лишь одна из бесчисленного множества других, каждая со своими законами физики, константами и даже формами жизни. И самое удивительное: к этому выводу учёные пришли не из любви к экзотике, а вынужденно — через уравнения, которые отказывались работать иначе.
Мысль о том, что всё, что мы когда-либо видели, трогали или знали, может быть лишь одним маленьким уголком гораздо большей реальности, вызывает тихое беспокойство. Но это не поэтическая метафора. Это серьёзное научное предположение, подтверждённое уравнениями, защищённое в рецензируемых журналах и преследуемое одними из самых строгих умов в современной физике.
Вопрос о параллельных вселенных не нов, но он стал значительно более точным. То, что когда-то было прерогативой философов и писателей-фантастов, переместилось в область космологии, квантовой механики и абстрактной математики. Главный тезис заключается не в том, что другая вселенная «может существовать где-то там». Более глубокое утверждение состоит в том, что физические законы нашей собственной Вселенной, доведённые до своих логических заключений, как будто требуют этого.
Когда математика начинает указывать вовне
Намёк на существование мультивселенной исходит не из одного источника. Он возникает как минимум из трёх отдельных областей физики: квантовой механики, инфляционной космологии и теории струн. Каждая из них пришла к одному и тому же неудобному предположению независимо. Каждая использует разные уравнения. Каждая приходит к версии одного и того же вывода.
Наука и философия вместе составляют два главных крыла великого поиска понимания реальности. Концепция, известная в физике как потенциальное «уравнение Бога» — окончательное выражение, объединяющее все законы природы в одном математическом выражении, — призвана пролить свет на эту тайну. Что делает идею мультивселенной особенно поразительной, так это то, что она не была придумана, чтобы быть экзотической. Она возникла как побочный продукт попыток заставить работать другие вещи.
В некоторых интерпретациях квантовой механики, таких как многомировая интерпретация и теория пилотной волны, Вселенная может быть описана одним гигантским уравнением, известным как квантовая волновая функция. И каждый раз, когда квантовый процесс происходит где-либо во Вселенной, эта волновая функция расщепляется надвое, что означает, что параллельные вселенные постоянно создаются. Это не метафора. Это математика, прочитанная буквально.
Хью Эверетт и уравнение, которое никто не хотел принимать
В 1957 году аспирант по имени Хью Эверетт III представил докторскую диссертацию, которую физическое сообщество в значительной степени игнорировало в течение многих лет. Его предложение было прямолинейным по форме и радикальным по смыслу: волновая функция квантовой механики на самом деле никогда не схлопывается. Каждый возможный исход каждого квантового события просто происходит, каждый в своей собственной ветвящейся версии реальности.
Многомировая интерпретация, предложенная Эвереттом, гласит, что когда происходит квантовое измерение, Вселенная расщепляется на множество ветвей, каждая из которых представляет собой различный исход. В каждой ветви создаётся параллельная реальность, где измеряемая величина принимает конкретное значение. У этой интерпретации много противников, но со временем она становится всё менее маргинальной. Всё больше физиков готовы открыто поддерживать её, отчасти потому, что альтернативы — такие как бомовская механика и теория динамического коллапса — имеют проблемы с теорией относительности или громоздки для вычислений. Идея Эверетта выжила не потому, что её было легко принять, а потому что её было действительно трудно отвергнуть.
Макс Тегмарк и гипотеза математической Вселенной
В физике и космологии гипотеза математической Вселенной, также известная как теория окончательного ансамбля, представляет собой спекулятивную «теорию всего», предложенную космологом Максом Тегмарком. Её центральное утверждение обманчиво просто: наша физическая реальность не просто описывается математикой. Она и есть математика. Вселенная не просто подчиняется уравнениям. Она сама является уравнением.
Тегмарк утверждает, что физическая реальность фундаментально является математической структурой. Его гипотеза постулирует, что наша внешняя физическая реальность является абстрактным математическим объектом, независимым от человеческого восприятия, и что все математические структуры существуют как отдельные вселенные в мультивселенной четвёртого уровня. Каждая самосогласованная математическая структура, с этой точки зрения, физически существует где-то.
Тегмарк вдохновлялся интерпретацией многих миров Хью Эверетта, которая постулирует, что все квантовые исходы происходят в ветвящихся параллельных реальностях. Он также опирался на инфляционную космологию Алана Гута 1981 года, которая объясняет однородность Вселенной быстрым ранним расширением и подразумевает вечную инфляцию, порождающую пузырьковые вселенные с различными свойствами. Эти столпы стали основой его построений.
Вечная инфляция: Вселенная, которая никогда не перестаёт расширяться
Космическая инфляция решает проблему, с которой физики столкнулись в связи с Большим взрывом: почему наша Вселенная выглядит настолько однородной во всех направлениях, даже в регионах, которые никогда не могли контактировать друг с другом? Ответ включает необычайно быстрое расширение в первые доли секунды существования Вселенной. Инфляция элегантно объяснила однородность. Но у неё также был неудобный побочный эффект.
Согласно теории вечной инфляции, пузырьковые вселенные, отличные от нашей, теоретически постоянно формируются, движимые энергией, присущей самому пространству. Подобно мыльным пузырям, пузырьковые вселенные, которые растут слишком близко друг к другу, могут и действительно слипаются, хотя бы на мгновение. Инфляционный механизм, однажды запущенный, не останавливается просто так. Он продолжает порождать новые регионы, новые пузыри, новые вселенные.
Оба механизма вечной инфляции приводят к мозаичной структуре Вселенной, где причинно несвязанные термализованные области с различными значениями различных эффективных констант связи отделены друг от друга множеством инфлирующих участков. Эта мозаика — не косметическая спекуляция. Она напрямую следует из уравнений, управляющих тем, как инфляция заканчивается в разных областях пространства.
Ландшафт теории струн: невероятное число возможностей
Теория струн приходит к мультивселенной с совершенно другой стороны. Вместо того чтобы начинать с квантового измерения или инфляционной динамики, она начинается с геометрии дополнительных измерений. Теория требует больше, чем три пространственных измерения, и эти дополнительные измерения должны быть свёрнуты слишком малыми для обнаружения.
Теория струн требует дополнительных пространственных измерений, которые должны быть компактифицированы, свёрнуты слишком малыми для обнаружения. Количество способов, которыми эти измерения могут быть расположены, оценивается примерно в 10 в степени 500. Каждое расположение соответствует различному набору физических констант: различным массам частиц, различным силам связи, различному значению космологической постоянной. Это число, десять в степени пятьсот, не просто велико. Оно больше, чем число атомов в наблюдаемой Вселенной, на почти непостижимый порядок.
Общей чертой многих моделей теории струн является наличие «ландшафта» решений, соответствующих пространственно-временным конфигурациям, включающим различную размерность, различные типы фундаментальных частиц и различные значения определённых физических констант. Вечная инфляция превращает эту потенциальность в реальность, фактически создавая области пространства, реализующие каждую из этих возможностей. Другими словами, теория струн не просто допускает другие вселенные. Она, по-видимому, требует их.
Холодное пятно реликтового излучения: космический синяк
Одним из наиболее обсуждаемых доказательств существования параллельной вселенной является так называемое Холодное пятно в космическом микроволновом фоне — реликтовом излучении, оставшемся от Большого взрыва, которое представляет собой снимок Вселенной в младенчестве. Это излучение удивительно однородно. Но при рассмотрении с высоким разрешением эта однородность нарушается способом, который озадачивает астрономов уже много лет.
Подробные карты со спутников, таких как Planck, выявили загадочное и массивное Холодное пятно — область пространства, значительно более холодную, чем её окрестности. Некоторые космологи предполагают, что это пятно является синяком, оставшимся от столкновения с пузырьковой вселенной в мультивселенной во время раннего инфляционного периода нашего космоса. Метафора синяка удивительно точна. В некоторых сценариях мультивселенной наша пузырьковая вселенная могла столкнуться с другой пузырьковой вселенной в далёком прошлом. Теоретические работы показывают, что такое столкновение оставило бы синяк на реликтовом излучении, проявляющийся как большая дискообразная температурная аномалия.
Текущие теории происхождения Вселенной, включая теорию струн, предсказывают существование мультивселенной, содержащей множество пузырьковых вселенных. Эти пузырьковые вселенные будут в целом сталкиваться, причём столкновения создают космические следы, которые попадают в наш объём Хаббла и проявляются как необычно симметричные диски в космическом микроволновом фоне. Предварительные наблюдательные данные согласуются с наличием одного или нескольких таких возмущений на нашем небе. Слово «предварительные» важно. Это не подтверждение. Это сигнал, за которым стоит внимательно следить.
Квантовая волновая функция и проблема многих миров
Одна из причин, по которой многомировая интерпретация продолжает набирать сторонников среди физиков, заключается в том, что она не требует модификации существующих уравнений квантовой механики. Она воспринимает формализм серьёзно, без добавления дополнительных правил, чтобы измерения «схлопывались» в один исход. Эта математическая элегантность убедительна для значительного числа исследователей.
Многомировая интерпретация математически согласована с формализмом квантовой механики и не требует модификации её уравнений, хотя у неё есть и критики. Одна из главных критик — отсутствие эмпирических доказательств. И хотя она математически состоятельна, её пока невозможно проверить экспериментально.
Исследователи из Автономного университета Барселоны использовали симуляции, чтобы показать, что на больших масштабах устойчивая реальность с классическими чертами может возникать для широкого класса квантовых систем, независимо от их детальной микроструктуры. Их вывод предполагает, как возникновение нашего классического мира может быть объяснено в контексте многомировой интерпретации, в которой бесчисленные параллельные миры ответвляются друг от друга каждый раз, когда происходит измерение. Это значительный шаг к тому, чтобы сделать многомировую интерпретацию совместимой с твёрдым, определённым миром, который мы на самом деле переживаем.
Что физики ищут на самом деле
Команды ученых охотятся за специфическими сигнатурами в реликтовом излучении, которые были бы согласованы со столкновениями пузырей. Другие исследуют тонко настроенные значения физических констант, ища статистические распределения, которые имели бы больше смысла в рамках мультивселенной, чем в рамках одной Вселенной. Работа кропотливая и не всегда гламурная.
Многомировая теория обеспечила концептуальную основу для некоторых теорий в космологии и может оказаться полезной в попытках соединить квантовую физику с гравитацией, значительно влияя на тот вид единой теории квантовой гравитации, которую ищут физики. Мультивселенная — это не просто поиск других вселенных. Это попытка понять, почему наша Вселенная обладает именно теми свойствами, которыми обладает.
