В нашей Вселенной есть только одна Земля и только один “вы”. Но в бескрайней мультивселенной возможности становятся поистине безграничными. Давайте отправимся в увлекательное путешествие по теориям, гипотезам и научным идеям, которые позволяют нам представить существование параллельных миров и наших двойников.
Содержание
Необратимость времени и квантовая неопределенность
В нашей повседневной жизни мы привыкли к тому, что время течет только в одном направлении. Открытый пакет чипсов уже не вернуть в исходное состояние, срубленное дерево не поставить обратно. Даже на квантовом уровне, измерив спин частицы, мы не можем вернуть ее в прежнее состояние неопределенности.
Но что если где-то за пределами нашей наблюдаемой Вселенной существуют ее точные копии? Могли бы в них события развиваться по-другому? И что это значило бы для квантовых частиц, деревьев, пакетов с чипсами и даже целых людей?
Чтобы разобраться в этих вопросах, нам нужно погрузиться в несколько ключевых концепций:
- Бесконечная Вселенная
- Теория струн
- Альтернативные версии нас самих
- Различные фундаментальные константы
Все это связано с грандиозной идеей мультивселенной. Но когда ученые говорят о ней, они обычно подразумевают два разных понятия.
Квантовая мультивселенная
Первое – это квантовая мультивселенная. Она основана на представлении о том, что при взаимодействии двух частиц нет предопределенного исхода. Вместо этого существует целый спектр возможностей.
Иногда эти возможности дискретны: электрон может иметь спин “вверх” или “вниз”. Пока мы не измерим его спин, электрон находится в суперпозиции обоих состояний одновременно.
В других случаях возможности непрерывны. Например, при аннигиляции электрона и позитрона образуются два фотона, летящие в противоположных направлениях. Но конкретная ориентация их траекторий в пространстве может быть любой.
При каждом квантовом взаимодействии мы не можем предсказать точный результат. Мы можем лишь описать спектр возможных исходов и их вероятности. Только выполнив измерение, мы узнаем, какой именно вариант реализовался в нашей Вселенной.
В квантовой механике это описывается с помощью волновых уравнений. Вместо того чтобы иметь четкие свойства вроде определенного положения, частицы существуют в суперпозиции состояний. Каждое возможное значение характеристики имеет свой вес вероятности. Эти сущности распространяются как волны, не принимая определенных значений, пока мы не производим измерение или не вызываем взаимодействие.
Идея квантовой мультивселенной предполагает, что все возможные исходы реализуются, но в разных вселенных. То, что мы наблюдаем как “измерение” с конкретным результатом – лишь одна из бесчисленных реализаций. Математически эти вселенные образуют структуру, называемую гильбертовым пространством.
Инфляционная мультивселенная
Второе понимание мультивселенной пришло из теории космической инфляции. Согласно ей, до Большого взрыва пространство не было заполнено частицами материи и излучения. Вместо этого в нем присутствовала энергия, неотделимая от самой ткани пространства.
В таких условиях пространство расширялось экспоненциально: за определенный короткий промежуток времени все три измерения удваивались, затем снова удваивались и так далее. Это позволило крошечной области пространства “раздуться” до колоссальных размеров.
Когда инфляция в конкретной области заканчивается, энергия пространства преобразуется в материю и излучение. Это знаменует начало горячего Большого взрыва.
Теория космической инфляции дает нам “инфляционную мультивселенную”. Хотя идея квантовой мультивселенной существовала с 1950-х годов, только с появлением концепции космической инфляции эти “параллельные вселенные” получили потенциальное место для существования.
Инфляционная мультивселенная недостаточно велика, чтобы вместить все возможные исходы квантовой мультивселенной. Но если предположить, что:
- инфляция продолжалась бесконечно долго в прошлом, или
- Вселенная, включая область, прошедшую через инфляцию, изначально была бесконечной,
то появляется возможность для реализации всех квантовых исходов.
Таким образом, квантовая мультивселенная – это идея о существовании “разных версий” нас самих или нашей реальности. А инфляционная мультивселенная описывает, насколько велик общий объем всех типов пространства и достаточно ли он велик, чтобы вместить все эти возможности.
Если мы примем, что инфляционная мультивселенная действительно бесконечна, то квантовая мультивселенная становится реальной возможностью. В этом случае где-то могут существовать не просто наши копии, а бесконечное число таких копий.
Теория струн и ландшафт возможностей
Но какое отношение ко всему этому имеет теория струн? В нашей наблюдаемой Вселенной фундаментальные константы одинаковы везде и во все времена. Мы не понимаем, что определяет их значения – они словно заданы Богом. Эти константы просто имеют те значения, которые имеют, и нет причин ожидать, что они могли бы быть другими за пределами наблюдаемой Вселенной.
Однако если объединить идеи теории струн с космической инфляцией, эти константы действительно могут различаться в разных областях мультивселенной.
Вы могли слышать о “ландшафте теории струн” или об идее, что согласно теории струн существует около 10 в 500 степени возможных вселенных. Это связано с тем, что в теории струн фундаментальные константы определяются не просто измерениями, а так называемыми “ожидаемыми значениями струнных вакуумов”.
Представьте, что вселенная подобна шарику, катящемуся по холмистому ландшафту. В конечном итоге он остановится в одной из долин. Теория струн предполагает, что из некоторого высокоэнергетического состояния (где шарик мог бы попасть во многие разные долины, как в рулетке) по мере снижения энергии вселенной шарик попадает в одну конкретную долину.
Если объединить инфляцию и теорию струн, можно представить сценарий, где инфляция создает множество высокоэнергетических состояний. Когда инфляция заканчивается и происходит горячий Большой взрыв, каждая из этих “детских вселенных” получает свой уникальный набор значений струнных вакуумов. Это приводит к различным фундаментальным константам в каждой области мультивселенной.
Эти “детские вселенные” затем развиваются по своим собственным законам и правилам, отличным от тех, к которым мы привыкли в нашей наблюдаемой Вселенной. Если существует 10^500 возможных струнных вакуумов (хотя многие рассчитали гораздо большее число), то только одна из 10^500 “детских вселенных” будет похожа на нашу.
Реальность и спекуляции
Инфляционная мультивселенная считается вполне реальной на основе современных знаний физики. Простое объединение квантовой теории поля и теории инфляции, которые хорошо подтверждены научными данными, неизбежно приводит к идее разъединенных областей пространства, каждая из которых имеет свой горячий Большой взрыв, но разделенных областями продолжающейся инфляции.
Однако что можно сказать о спекуляциях, которые мы строим на этом фундаменте?
Теория струн, несмотря на множество сторонников и перспективность в качестве теории квантовой гравитации, остается в категории спекулятивных теорий. Нет известных предсказаний теории струн, которые бы отличались от предсказаний наших лучших современных физических теорий. У нас нет способа проверить эти конкурирующие предсказания.
Более того, даже если теория струн верна, и идея струнного ландшафта корректна, нет гарантии, что процесс космической инфляции достаточно энергичен, чтобы “сбросить” значения фундаментальных констант. В струнной мультивселенной вполне может оказаться, что все области мультивселенной и каждая “детская вселенная” имеют те же значения фундаментальных констант, что и наша Вселенная.
Причина этого не всегда осознается. В теории инфляции есть энергетическая шкала, на которой происходит инфляция. Когда инфляция заканчивается, эта энергия преобразуется в материю и излучение в виде частиц и античастиц. Изучая флуктуации космического микроволнового фона, мы можем оценить, насколько “горячей” была Вселенная на самых ранних стадиях Большого взрыва. Согласно данным спутников WMAP и Planck, эта энергетическая шкала находится ниже 10^16 ГэВ, что менее одной тысячной энергии, необходимой для достижения планковской шкалы.
Планковская шкала важна, потому что это не только энергетический уровень, на котором перестают работать известные нам законы физики (и где потребовалась бы теория квантовой гравитации), но и уровень, на котором, предположительно, вступает в игру теория струн. Если инфляция происходит при энергиях значительно ниже планковской шкалы, нет оснований полагать, что она способна:
- определять или изменять фундаментальные константы,
- помещать одну “детскую вселенную” в другое значение струнного вакуума, чем другую,
- или исследовать различные аспекты струнного ландшафта.
На основе того, что мы можем наблюдать, у нас нет убедительных причин быть уверенными, что инфляция вообще способна влиять на значения фундаментальных констант. Это просто неподтвержденное предположение о реальности, как и большая часть теории струн.
Заключение: между фантазией и реальностью
Теория струн представляет собой невероятно богатую теорию с гораздо более сложным набором взаимосвязей между частицами, полями и взаимодействиями, чем Вселенная, которую мы знаем и любим. Это теория как минимум 10-мерного пространства-времени, в отличие от нашей 4-мерной Вселенной. Она включает сотни дополнительных степеней свободы, которые соответствуют потенциальным взаимодействиям, частицам и полям, выходящим далеко за пределы того, что существует в нашей реальности.
В большинстве случаев в рамках теории струн сложно даже получить вселенную, в которой возможно формирование хотя бы одного атома. Чаще всего гипотетическая вселенная либо рассеивается настолько быстро, что ни одна пара квантов не успевает провзаимодействовать, либо схлопывается так стремительно, что ничего сложнее атома просто не успевает сформироваться.
И все же, если инфляционная мультивселенная действительно бесконечна – либо по пространственной протяженности, либо по длительности – то где-то в ней должны существовать точные копии нашей Вселенной, включая копии нас самих, идентичные нам в данный момент. Если теория струн и идея полностью заселенного струнного ландшафта в инфляционной мультивселенной верны, то там могут быть и почти идентичные версии нас.
Однако важно помнить, что хотя инфляционная мультивселенная предоставляет постоянно растущее пространство для реализации всех этих возможностей, число возможных исходов для вселенной, наполненной материей и излучением, растет еще быстрее. Дискретные и непрерывные возможности для каждого квантового процесса приводят к более быстрому росту числа вариантов, чем скорость, с которой инфляция генерирует новое пространство для их существования. С течением времени доля вселенных, допускающих “копию” нашей наблюдаемой Вселенной, становится все меньше и меньше, всегда стремясь к нулю.
Параллельные вселенные – это увлекательный мысленный эксперимент и игровая площадка для теоретических физиков. Но важно помнить, что пока нет никаких доказательств связи этих идей с реальностью, которую мы населяем. Теория позволяет нам представлять миры и вселенные, которые могли бы быть, но большинство из них, а возможно и все, – это миры и вселенные, которых никогда не было.
Читайте также: Вселенная может быть похожа на причудливый, искривлённый лабиринт
