Мультиверс — Мир Знаний

Мультиверс

ЗА РОЖДЕНИЕМ ВСЕЛЕННОЙ лучше всего наблюдать с Южного полюса. Из-за царящего там холода воздух на полюсе исключительно прозрачен. Поэтому не один, а сразу три телескопа занимаются там картографированием космического микроволнового фона — заполняющего мировое пространство излучения, длина волны которого лежит между инфракрасными лучами и радиодиапазоном. Один из телескопов — BICEP2 — в начале года заставил всех говорить о регистрации гравитационных волн и окончательном подтверждении космологической теории инфляции.

Инфляционная теория объясняет, возникла наша Вселенная, но она также утверждает, что таким же образом должны возникать и другие вселенные. Так что наличие инфляционной стадии в развитии нашей Вселенной может стать подтверждением существования Мультиверса. А подтверждение инфляции, по словам исследователей, как раз и было обнаружено на BICEP2.

 

НЕЧТО ИЗ НИЧЕГО

Теория Большого взрыва — одна из самых развитых научных концепций. Она описывает расширение Вселенной из сверхплотного состояния, которое и породило наблюдаемую ныне картину звезд и галактик. Представление о реальности Большого взрыва возобладало к 1960-м годам (с открытием реликтового излучения). Но оставалось загадкой, как Вселенная оказалась в этом плотном и горячем состоянии — что было до Большого взрыва? Американский космолог Алан Гут (Alan Guth) понял, что процесс, называемый распадом симметрии, мог в первую долю секунды выделить энергию, подтолкнувшую Вселенную к быстрому расширению, называемому инфляцией, которая завершилась Большим взрывом (часто допускают ошибку, включая в понятие «Большой взрыв» также и инфляцию, но сама суть инфляции состоит в том, что она происходила до Большого взрыва). В ходе инфляции размеры Вселенной экспоненциально возрастают, удваиваясь каждую десятую триллионной триллионной триллионной доли секунды. Эта идея, развитая Андреем Линде, космологом, эмигрировавшим из СССР в США, а также другими учеными, позволила объяснить, как вселенная, подобная нашей, может появиться из ничего.

Всё это завязано на идею квантовых флуктуации и тот странный факт, что энергия гравитационного поля отрицательна. Квантовая теория утверждает: частицы могут появляться из ничего при условии, что они очень быстро вновь исчезают. Например, электрон-позитронная пара может возникнуть, «позаимствовав» энергию у вакуума, и в ничтожную долю секунды исчезнуть, вернув энергетический «долг». Это так называемые виртуальные частицы, и, хотя они недоступны для непосредственного наблюдения, можно обнаружить их влияние на взаимодействие между собой реальных частиц. Чем больше вовлеченная в такую флуктуацию масса, тем короче время ее существования — протон-антипротонная пара не может существовать так же долго, как электрон-позитронная, и т. п.

Вот тут-то и пришлась к месту отрицательность гравитационной энергии. Если бы атомы, составляющие Солнце, были разнесены на бесконечное расстояние, то они обладали бы нулевой гравитационной энергией, поскольку сила притяжения между двумя частицами пропорциональна единице, деленной на квадрат расстояния между ними. Но если частицы падают друг на друга, образуя звезду, то они сталкиваются и разогреваются за счет выделения гравитационной энергии, которая превращается в кинетическую (нечто подобное действительно происходит при образовании звезд, подобных Солнцу). Но ведь гравитационное поле первоначально имело нулевую энергию, так что теперь его энергия меньше нуля. Несложный подсчет показывает, что если всё вещество звезды сколлапсирует в точку, то общее количество выделившейся гравитационной энергии будет равно энергии массы звезды согласно знаменитой формуле Эйнштейна (E — mc?). То есть в этот момент энергия массы материи будет в точности компенсироваться отрицательной энергией гравитационного поля этой материи. Вы получите целую кучу вещества массой со звезду, но общее количество ее энергии будет нулевым. Это значит, по сути, что можно сделать звезду из ничего, как и скопление материи, расширяющееся из одной точки. Как вспоминал физик Георгий Гамов, когда он упомянул об этой идее Эйнштейну, тот «остановился от неожиданности, и, поскольку мы тогда переходили улицу, нескольким машинам пришлось тормозить, чтобы нас не сбить».

То, что применимо к звезде, применимо и ко Вселенной в целом. Квантовая физика утверждает, что флуктуации, содержащие всю массу-энергию Вселенной, могут возникать из ничего, как крошечные сверхплотные семена. Если бы это означало «создание» энергии, как в случае электрон-позитронной пары, квантовая флуктуация быстро бы исчезла, вернув «позаимствованную» энергию вакууму. Но поскольку энергия массы оказывается в точности сбалансированной отрицательной гравитационной энергией, не существует квантового ограничения на время жизни такой флуктуации. Можно подумать, что мощное гравитационное поле должно уничтожить едва появившийся зародыш Вселенной. Но тут-то и вступает в игру инфляция. Распад симметрии, о котором говорил Гут, может мгновенно раздуть этот зародыш Вселенной в горячий Большой взрыв и оставить в состоянии постепенного расширения на миллиарды лет, в течение которых Вселенная будет остывать, порождая звезды и галактики. Грубо говоря, всё, что находится сегодня в наблюдаемой части Вселенной, раздулось в ходе инфляции из области размером много меньше протона, достигнув размеров баскетбольного мяча примерно за 10^-30 степени секунды (видимая часть — меньше сантиметра). Только тогда случился Большой взрыв.

ВСЕЛЕННЫЕ-ПУЗЫРИ

Если квантовая флуктуация могла привести к рождению нашей Вселенной, то последующие флуктуации внутри нее могут породить другие, дочерние вселенные; эту идею исследовал Ли Смолин (Lee Smolin) из канадского института «Периметр». Новая вселенная не взорвется внутрь нашей Вселенной, уничтожая всё на своем пути, а станет расширяться в собственном наборе измерений, оставаясь связанной с нами лишь едва заметной кротовой норой. Если эта идея верна, то, быть может, удастся создавать дочерние вселенные, порождая крошечные черные дыры при столкновении частиц на ускорителях. Наука, стоящая за этой идеей, блестяще представлена в фантастическом романе «Косм» (Cosm) физика и писателя Грегори Бенфорда (Gregory Benford).

Есть и куда менее спекулятивная и более простая версия инфляции, разработанная Линде. Небольшая манипуляция с уравнениями общей теории относительности дает описание пространства, которое всегда экспоненциально расширяется, —Линде назвал это «вечной инфляцией». Внутри инфлирующего метамира есть области, где инфляция остановилась. Они образуют пузыри внутри инфлирующего «моря». Наша Вселенная — это один из таких пузырей; следовательно, существуют другие вселенные, другие пузыри в инфлирующем «море», подобные пузырям, которые образуются, когда открывают газированный напиток.

Теоретики сформулировали несколько более или менее экзотических вариантов инфляции с тем или иным числом различных «примочек». Но простейшая версия давала ясное предсказание. Многократное удвоение размера Вселенной за долю секунды, в течение которой протекала инфляция, — это настолько катастрофическое событие, что оно должно вызвать колебания структуры пространства. Эти колебания, называемые гравитационными волнами, растягивались последующим расширением Вселенной, пока не достигли длины в миллиарды световых лет. Такие огромные структуры во Вселенной невозможно было породить никаким иным способом. Искажения в пространстве влияют на проходящий сквозь них свет. Первичное излучение, прошедшее сквозь эту гравитационную рябь, наблюдается в виде космического микроволнового фона. А искажения, вызванные растянутыми гравитационными волнами, должны проявляться как поляризация фонового излучения (явление поляризации знакомо всем, у кого есть хорошие солнечные очки). В частности, она должна влиять на так называемую В-моду поляризации, которая служит мерой круговой поляризации. Эффект проявляется в образовании закручивающегося узора, когда поляризация наносится на карту неба. Именно это и пытались обнаружить в эксперименте BICEP2. И рисунок оказался простым.

КАК РАЗ ПОДХОДИТ ДЛЯ ЖИЗНИ

Экспериментальные результаты совпадают с предсказаниями основной версии инфляции, простейшей в обращении. Результаты также исключают модели очень ранней Вселенной, в которых нет инфляции. Алан Гут был в восторге от этой новости: «Результаты BICEP2 поразительны. Обнаруженные признаки гравитационных волн выражены сильнее, чем мы ожидали. Если этот результат будет подтвержден, в чем я почти не сомневаюсь, он откроет совершенно новый метод исследования физики инфляции».

Если в Мультиверсе действительно существуют другие «пузырьковые вселенные», то, возможно, когда-то давно одна или несколько из них столкнулись с нашей Вселенной подобно двум мыльным пузырям, соприкоснувшимся и разлетевшимся. Одним из последствий такого столкновения должен был стать отчетливый, но слабый дискообразный след на микроволновом фоне. Такие круги были бы слишком велики, чтобы их мог заметить BICEP2, но космологи рассчитали, какого рода рисунок должен появиться в результате столкновения. Дэниел Мортлок (Daniel Mortlock) из Лондонского имперского колледжа говорит, что его группа «рассчитала шансы на то, что след от столкновения пузырей возникнет случайно». Он надеется, что в данных, которые вскоре будут получены с космического аппарата «Планк», может обнаружиться подробный рисунок.

Однако главное в новых открытиях, пожалуй, то, что из них следует неуникальность нашей Вселенной. Если верна теория вечной инфляции, то наша Вселенная лишь одна из многих. Среди прочего это объясняет, почему она приспособлена для жизненных форм вроде нас. Если наша Вселенная единственная, то это весьма загадочно; если же существует бесконечное множество вселенных, причем одни пригодны для жизни, а другие нет, то в «стерильных» мирах не будет никого, кто бы обратил внимание на их существование. Наблюдатели будут только в «фертильных» вселенных. Тот факт, что мы замечаем Вселенную, означает, что мы живем во Вселенной, пригодной для жизни.

Вам понравится

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Поделиться записью в соц. сетях