Теория множества вселенных

Причины возникновения гипотезы

Успех квантовой теории неоспорим. Ведь она вместе с общей теорией относительности представляет все фундаментальные законы физики, известные современному миру. Несмотря на это квантовая теория все же ставит ряд вопросов, на которые до сих пор нет определенных ответов. Одним из них является известная «проблема кота Шредингера», которая наглядно демонстрирует зыбкий фундамент квантовой теории, что формируется на предсказаниях и вероятности того или иного события. Речь идет о том, что особенностью частицы, согласно квантовой теории, является существование ее в состоянии равном сумме всех ее возможных состояний. В таком случае если применить данный закон к квантовому миру, то окажется что кот – это сумма состояния живого и мертвого кота!

И хотя законы квантовой теории успешно используются при применении таких технологий как радары, радио, мобильные телефоны и интернет, приходится мириться с указанным выше парадоксом.

Множественные Вселенные в представлении художника

В попытке разрешить квантовую проблему была сформирована так называемая «копенгагенская теория», согласно которой состояние кота становится определенным, когда мы открываем коробку и наблюдаем его состояние, а до того оно неопределенное. Однако, применение копенгагенской теории, допустим, к Плутону, означает, что Плутон существует лишь с того момента как его открыл американский астроном Клайд Томбо 18 февраля 1930-го года. Только в этот день зафиксировалась волновая функция (состояние) Плутона, а остальные все схлопнулись. Но известно, что возраст Плутона значительно превышает отметку в 3,5 млрд лет, что указывает на проблемы копенгагенской интерпретации.

Множественность миров

Другой вариант решения квантовой проблемы предложил американский физик Хью Эверетт в 1957-м году. Он сформулировал так называемую «многомировую интерпретацию квантовых миров». Согласно ей каждый раз, когда объект переходит из неопределенного состояния в определенное – происходит расщепление этого объекта на количество вероятных состояний. Приводя в пример кота Шредингера, когда мы открываем коробку, появляется вселенная со сценарием, где кот мертв и появляется вселенная, где он остается жив. Таким образом, он находится в двух состояниях, но уже в параллельных мирах, то есть все волновые функции кота остаются действительными и никакая из них не схлопывается.

Земля — это совокупность всех вариантов событий на ней

Именно эту гипотезу множество писателей фантастов использовали в своих научно-фантастических произведениях. Множественность параллельных миров предполагает наличие ряда альтернативных событий, из-за которых история приняла иной ход. К примеру, в каком-то мире непобедимая испанская армада не была разгромлена или Третий рейх победил во Второй мировой войне.

Более современная интерпретация этой модели объясняет невозможность взаимодействия с другими мирами отсутствием когерентности волновых функций. Грубо говоря, в какой-то момент волновая функция нашей Вселенной перестала колебаться в такт с функциями параллельных миров. Тогда вполне возможно, что мы можем сосуществовать в квартире с «сожителями» из иных вселенных, не взаимодействуя с ними никоим образом, и, равно как и они, быть убежденными в том, что именно наша Вселенная настоящая.

На самом деле термин «многомировая» — не совсем подходящей для данной теории, так как она предполагает один мир с множеством вариантов событий, происходящих одновременно.

Большинство физиков-теоретиков согласны с тем, что данная гипотеза невероятно фантастическая, однако она объясняет проблемы квантовой теории. Впрочем, ряд ученых не считают многомировую интерпретацию научной, так как она не может быть подтверждена или опровержима при помощи научного метода.

Квантовые связи, пронизывающие наш мир в представлении художника

В квантовой космологии

Сегодня гипотеза о множественности миров вновь возвращается на научную сцену, так как ученые намерены использовать квантовую теорию не для каких-либо объектов, а применить по отношению ко всей Вселенной. Речь идет о так называемой «квантовой космологии», которая, как может показаться с первого взгляда, несет абсурд даже в своей формулировке. Вопросы данной научной области связаны с зарождением Вселенной. Мизерные же размеры Вселенной на первых этапах ее формирования вполне согласуются с масштабами квантовой теории.

В таком случае, если размеры Вселенной были порядка элементарных частиц, то применив к ней квантовую теорию, мы также можем получить неопределенное состояние Вселенной. Последнее подразумевает наличие других вселенных, находящихся в различных состояниях с разной вероятностью. Тогда состояния всех параллельных миров в сумме дают одну единственную «волновую функцию Вселенной». В отличие от многомировой интерпретации квантовые вселенные существуют раздельно.

Квантовые Вселенные. Смотреть в полном размере.

Как известно, существует проблема тонкой настройки Вселенной, которая обращает внимание на то, что физические фундаментальные константы, задающие основные законы природы в мире, подобраны идеально для существования жизни. Будь масса протона немного меньше, формирование элементов тяжелее водорода было бы невозможным. Это проблема может быть решена при помощи модели мультивселенной, в которой реализуется множество параллельных вселенных с различными фундаментальными константами. Тогда вероятность существования некоторых из этих миров мала и они «умирают» вскоре после зарождения, например, сжимаются или разлетаются. Другие же, константы которых формируют не противоречивые законы физики, с большой вероятностью остаются стабильными. Согласно этой гипотезе, мультивселенная включает большое количество параллельных миров, большинство из которых являются «мертвыми», и лишь небольшое число параллельных вселенных позволяет им существовать длительное время, и даже дает право на наличие разумной жизни.

В теории струн

Черные дыры — путь к другим Вселенным в теории струн

Одной из наиболее перспективных областей теоретической физики является теория струн. Она занимается описанием квантовых струн – протяженных одномерных объектов, колебание которых представляется нам в виде частиц. Первоначальное призвание данной теории состоит в том, чтобы объединить две фундаментальные теории: общую теорию относительности и квантовую теорию. Как оказалось позже, сделать это можно несколькими способами, в результате чего образовалось несколько теорий струн. В середине 1990-х годов ряд физиков-теоретиков обнаружили, что эти теории являются различными случаями одной конструкции, позже названой как «М-теория».

Ее особенность заключается в существовании некой 11-мерной мембраны, струны которой пронизывают нашу Вселенную. Однако мы живем в мире с четырьмя измерениями (три координаты пространства и одна временная), куда же деваются другие измерения? Ученые предполагают, что они замыкаются сами на себе в самых маленьких масштабах, которые пока не удается пронаблюдать, в силу недостаточного развития технологий. Из этого утверждения вытекает иная сугубо математическая проблема – возникает большое число «ложных вакуумов».

Простейшее объяснение этой свертки ненаблюдаемых нами пространств, а также наличие ложных вакуумов – мультивселенная. Физики, занимающиеся теорий струн, опираются на утверждение о том, что существует огромное число других вселенных, в которых не только другие физические законы, но также и иное количество измерений. Таким образом, мембрану нашей Вселенной в упрощенном виде можно представить как сферу, пузырь, на поверхности которого обитаем мы, и 7 измерений которого находятся в «свернутом» состоянии. Тогда наш мир вместе с другими вселенными-мембранами – что-то вроде множества мыльных пузырей, что плавают в 11-мерном гиперпространстве. Мы же, существуя в 3-хмерном пространстве, и не можем выбраться за его пределы, а потому и не имеем возможности взаимодействовать с иными вселенными.

Мембраны Вселенных

Как уже упоминалось ранее, большинство параллельных миров, вселенных – мертвы. То есть в силу нестабильных или непригодных для жизни физических законов их вещество может быть представлено, например, лишь в виде бесструктурного скопления электронов и нейтрино. Причиной тому разнообразие возможных квантовых состояний частиц, иные значения фундаментальных констант и другое количество измерений. Примечательно, что такое предположение не противоречит принципу Коперника, утверждающего, что наш мир не уникален. Так как хоть и в малом количестве, но могут существовать миры, физические законы которых, несмотря на свое отличие от наших, все же допускают формирование сложных структур и зарождение разумной жизни.

Состоятельность теории

Хотя гипотеза о мультивселенной и выглядит как сценарий для научно-фантастической книги, она имеет лишь один недостаток – ученым не представляется возможным доказать или опровергнуть ее при помощи научного метода. Но за ней стоит сложная математика и на нее опирается ряд значимых и перспективных физических теорий. Аргументы в пользу мультивселенной представлены следующим списком:

  • Является фундаментом для существования многомировой интерпретации квантовой механики. Одной из двух передовых теорий (наряду с копенгагенской интерпретацией), решающих проблему неопределенности в квантовой механике.
  • Объясняет причины существования тонкой настройки Вселенной. В случае с мультивселенной, параметры нашего мира – лишь один из множества возможных вариантов.
  • Является так называемым «ландшафтом теории струн», так как решает проблему ложных вакуумов и позволяет описать причину, по которой определенное количество измерений нашей Вселенной сворачиваются.

Существование множественных миров доказывает случайность существования жизни

  • Поддерживается инфляционной моделью Вселенной, которая наилучшим образом объясняет ее расширение. На ранних этапах формирования Вселенной, вероятнее всего она могла быть разделена на две вселенные и более, каждая из которых эволюционировала независимо от другой. На теории инфляции строится современная стандартная космологическая модель Вселенной — Лямбда-CDM.

Шведский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных альтернативных миров:

  1. Вселенные, находящиеся за пределами нашей видимой Вселенной.
  2. Вселенные с иными фундаментальными константами и числами измерений, которые, к примеру, могут располагаться на других мембранах, согласно М-теории.
  3. Параллельные вселенные, возникающие согласно многомировой интерпретации квантовой механики.
  4. Конечный ансамбль – все возможные вселенные.

О дальнейшей судьбе теории о мультивселенной пока нечего сказать, но на сегодня она занимает почетное место в космологии и теоретической физике, и поддерживается рядом выдающихся физиков современности: Стивен Хокинг, Брайан Грин, Макс Тегмарк, Митио Каку, Алан Гут, Нил Тайсон и другие.

У этого термина существуют и другие значения, см. Мультивселенная (значения). Запросы «параллельный мир» и «параллельные миры» перенаправляется сюда; см. также другие значения.

Космология

Изучаемые объекты и процессы

  • Вселенная
  • Наблюдаемая Вселенная
  • Крупномасштабная структура Вселенной
    • Сверхскопления галактик
    • Галактические нити
    • Войды
    • Пузырь Хаббла
  • Реликтовое излучение
  • Скрытая масса
    • Тёмная материя
    • Тёмная энергия

История Вселенной

  • Основные этапы развития Вселенной
  • Возраст Вселенной
  • Формирование галактик

Наблюдаемые процессы

  • Расширение Вселенной
    • Космологическое красное смещение
    • Закон Хаббла
    • Ускоренное расширение Вселенной
  • Нуклеосинтез

Теоретические изыскания

  • Гравитационная неустойчивость
  • Космологический принцип
  • Космологические модели
    • Космологическая сингулярность
    • Большой взрыв
    • Модель де Ситтера
    • Модель горячей Вселенной
    • Космическая инфляция
    • Вселенная Фридмана
      • Уравнение Фридмана
      • Сопутствующее расстояние
      • Модель Лямбда-CDM
      • Космологическое уравнение состояния
      • Критическая плотность

Мультивселе́нная (реже Метавселенная) (англ. multiverse, meta-universe) — гипотетическое множество всех возможных реально существующих параллельных вселенных (включая ту, в которой мы находимся). Представления о структуре Мультивселенной, природе каждой вселенной, входящей в её состав, и отношениях между этими вселенными зависят от выбранной гипотезы. Вселенные, входящие в Мультивселенную, называются альтернативными вселенными, альтернативными реальностями, параллельными вселенными или параллельными мирами.

Различные гипотезы о существовании мультивселенной высказывались космологами, физиками, философами, религиозными деятелями и фантастами. Возможность существования мультивселенной порождает различные научные, философские и теологические вопросы. Термин «мультивселенная» был создан в 1895 году философом и психологом Уильямом Джеймсом (однако в другом контексте).

В науке

Существование Мультивселенной является предметом дискуссий среди физиков. Данная идея активно используется в теории струн (см. ландшафт теории струн), в многомировой интерпретации квантовой механики, в теории вечной инфляционной мультивселенной.

Ряд учёных высказывает мнение, что гипотеза Мультивселенной скорее философская, поскольку она не фальсифицируема (её нельзя опровергнуть с помощью научного эксперимента, а это является неотъемлемой частью научного метода), а следовательно, является ненаучной.

Космолог Макс Тегмарк высказал предположение, названное гипотезой математической вселенной, что любому математически непротиворечивому набору физических законов соответствует независимая, но реально существующая вселенная. Это предположение, хотя и не поддаётся экспериментальной проверке, привлекательно тем, что снимает вопрос, почему наблюдаемые физические законы и значения фундаментальных физических постоянных именно такие (см. тонкая настройка Вселенной).

Тегмарк предложил следующую классификацию миров:

  • Уровень 1: миры за пределами нашего космологического горизонта (внеметагалактические объекты).
  • Уровень 2: миры с другими физическими константами (например, миры на других бранах в M-теории).
  • Уровень 3: миры, возникающие в рамках многомировой интерпретации квантовой механики.
  • Уровень 4: конечный ансамбль (включает все вселенные, реализующие те или иные математические структуры).

Среди сторонников идеи Мультивселенной такие учёные, как Стивен Хокинг, Ли Смолин, Брайан Грин, Макс Тегмарк, Алан Гут, Андрей Линде, Митио Каку, Дэвид Дойч, Леонард Сасскинд, Александр Виленкин, Нил Тайсон, Шон Кэрролл, Джозеф Полчински.

Гипотезу Мультивселенной не поддерживают: Стивен Вайнберг, Дэвид Гросс, Пол Стейнхардт, Нил Турок, Вячеслав Муханов, Майкл Тёрнер, Роджер Пенроуз, Джордж Эллис, Адам Франк, Пол Дэйвис.

Н. С. Кардашёв предполагает, что, если гипотеза Мультивселенной верна, то наиболее развитые цивилизации покинули нашу Вселенную и переселились в другие, более подходящие для них.

В философии и логике

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

Модальный реализм

Возможные миры — одно из средств интерпретации вероятности, гипотетических суждений и т. п. В связи с этим ряд философов, в частности Дэвид Льюис, утверждает, что любой возможный мир реализуется, поскольку возможность и действительность — два дополнительных свойства одного и того же мира. Соответственно, что является возможностью, а что действительностью, зависит от мира, в котором находится наблюдатель (эта концепция называется «модальным реализмом»).

66. … в наималейшей части материи существует целый мир творений, живых существ, животных, энтелехий, душ.

67. Всякую часть материи можно представить наподобие сада, полного растений, и пруда, полного рыб. Но каждая ветвь растения, каждый член животного, каждая капля его соков есть опять такой же сад или такой же пруд.

68. И хотя земля и воздух, находящиеся между растениями в саду, или вода — между рыбами в пруду не есть растение или рыба, но они все-таки опять заключают в себе рыб и растения, хотя в большинстве случаев последние бывают так малы, что неуловимы для нашего восприятия.

В религии и эзотерике

Указание на существование других миров встречается в буддизме (Типитака) и многих течениях индуизма (Пураны, в том числе Бхагавата-пурана и Брахмавайварта-пурана, а также Агамы).:

В индуизме

Концепция множественных миров неоднократно упоминается в индуистских Пуранах, в частности в Бхагават-пуране:

Ты мельчайший, и Ты самый великий, Ты — начало, середина и конец бытия, но Сам не имеешь начала, середины и конца. Ты существуешь, когда не существует ничего. Ты неизменен, Ты всюду — и здесь, и там, где ничего нет. В бескрайнем пространстве плавает бесчисленное множество яйцеобразных вселенных наподобие нашей, что покрыта слоеной скорлупою стихий, каждая из которых в десять раз толще предыдущей. Но в сравнении с Тобою, безграничным Анантою, они — крошечные былинки.

— Бхагавата-Пурана 6.16.36-37 В эзотерике

В эзотерической космологии мультивселенную составляет система планов (англ.)русск. — тонких состояний сознания, которые выходят за рамки известной физической вселенной (в том числе астральный и ментальный планы).

Исследователи измененных состояний сознания утверждают, что разработали методы изучения параллельных миров с помощью так называемого «второго внимания». В традиции Карлоса Кастанеды это называется «сдвиг точки сборки». Сол Фэлкон утверждает, что восприятие других миров возможно при сдвиге «точки сборки» в области с большей частотой самофиксации. Такие состояния достигаются при помощи определённых медитаций, разнообразных духовных и психологических практик или принятием некоторых психоактивных веществ, но иногда бывают спонтанными в обычной жизни.

Мультивариативный мир — основа эзотерического учения трансерфинг реальности.

Ссылки

  • Aurélien Barrau, Physics in the Multiverse. (англ.)
  • How many universes are in the multiverse? (англ.)
  • Скрытая реальность Параллельные миры и глубинные законы космоса (Brian Greene. The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos) Брайан Грин
  • Физики оценили число параллельных вселенных // Мембрана
  • Александр Виленкин. Одна Вселенная или множество?
  • Добро пожаловать в Мультиверс! // Эхо Москвы — Наука в фокусе
  • Новые доводы теории мультивселенной (Асимметрия Вселенной) // 5.07.2013
  • Проблема интерпретации понятия пространства в некоторых концепциях мультивселенных современной физики
  • Одинока ли наша Вселенная?
  • д/ф Parallel Universes (BBC Horizon, 2002) (Parallel Universes // BBC > Science & Nature > TV & Radio Follow-up > Horizon) (англ.)
  • д/ф Мультивселенная (Multiverse) из цикла Тайны мироздания (Beyond the Cosmos) (National Geographic, 2011)
  • д/ф Living in a Parallel Universe из цикла С точки зрения науки (National Geographic, 2011)
  • д/ф Ткань космоса (The Fabric of the Cosmos) по книге Б. Грина

Местоположение Земли в космическом пространстве

Земля → Солнечная система → Местное межзвёздное облако → Местный пузырь → Пояс Гулда → Рукав Ориона → Млечный Путь → Подгруппа Млечного Пути → Местная группа → Местный лист → Местное сверхскопление галактик → Ланиакея → Комплекс сверхскоплений Рыб-Кита → Объём Хаббла → Метагалактика → Вселенная →? Мультивселенная

Знак «→» означает «входит в состав» или «является частью»

Людей всегда волновало неопознанное и таинственное, в том числе, существуют ли параллельные миры. Если они существуют, то как выглядят и где находятся? Чем больше изучают этот вопрос, тем больше склоняются к мысли о множественности миров на нашей планете.

Другая реальность

О параллельных мирах как о существующем факте говорили еще далекие предки: Аристотель, Платон и другие древние мыслители. Они считали, что время, знания, пространство и жизнь бескрайни, поэтому формы ее проявления не имеют границ.

Интересную теорию предложил ученый из Принстона Хью Эверетт в середине прошлого века. По его версии миры имеют связь с Вселенной, но со значительными отличиями: погибшие в нашей реальности организмы выживают в противоположном мире и влияют на нашу жизнь, являясь лишь одним из вариантов развития человека.

Как доказательство альтернативного существования приводятся аргументы:

1. Многогранность миров, о которых высказывались древнегреческие философы, упоминается в священных книгах индуистов и согласуется с исследованиями, проведенными современными учеными.

2. Артефакты, которым не могут найти объяснения, например, найденный в Великобритании молоток, датированный 500-миллионным годом нашей эры. Кто его мог сделать в то далекое время?

3. Телепортация — человек или группа людей пропадали, оказываясь в другой реальности.

4. Дежавю — каждый хоть раз в жизни сталкивался со странным ощущением: обстановка и обстоятельства, в которые он попал, уже происходили с ним, хотя это невозможно.

Жамевю (дежавю «наоборот») — человек не помнит знакомые места, родственников и знакомых людей, прочитанные книги и другие факты из своей жизни.

5. Сны — хотя ученые утверждают, что мозг обрабатывает полученную информацию, но мы иногда видим такие красочные картинки неизвестных городов, незнакомую природу, странных животных, как это объяснить?

6. Паранормальные явления — шумы и свечения, появление призраков, перемещение предметов, некоторые слышат голоса умерших людей.

Порталы, по мнению некоторых исследователей паранормальных явлений, не только забирают, но и «поставляют». Возможно, загадочные русалки, Несси или неуловимый йети являются жителями иных миров?

Куда исчезают люди?

Один из случаев, когда, возможно, произошел переход из одного измерения в другое, произошел в Великобритании.

Эта история началась давно, почти двадцать лет назад. Несколько подростков решили развлечься в комнате смеха, расположенной в парке. Из этой комнаты они не вышли, бесследно исчезнув навсегда. Предположили, что маньяк через потайной ход похитил детей, но тщательно проведенное полицейское расследование не нашло никаких признаков потайных ходов.

Через несколько лет другая группа учеников пропала в той же комнате смеха. Тогда известный британский медиум миссис Форсайт сделала предположение, что люди через вход, находящийся в искривленном зеркалами пространстве, попали в иной мир. «Воронка» затянула школьников и они не смогли вернуться.

Мысль, что есть другие уровни существования, возникла вместе с появлением человечества. Все языческие жрецы, шаманы и всякого рода колдуны во время ритуалов способны перемещаться в разные миры, это давало им возможность заглядывать в будущее.

В Новой Гвинее, в джунглях, живет племя оолугов, они говорят, что одновременно могут находиться в двух измерениях — в стране теней и в реальности. В стране теней обитают полудикие люди, странные растения и необыкновенные животные — огромные муравьи и свиньи размером с корову.

В Китае в 2011 году жители более часа наблюдали интересное природное явление — на небосводе появился огромный мираж города. Можно было разглядеть мельчайшие детали домов, улиц, скверов. Через некоторое время фантомный квартал появился в другом районе Поднебесной.

Возможно, это мираж, отражение реально существующего объекта, какие наблюдаются в пустыне. Но выяснилось, что такого города не существует на планете. Провели тщательное исследование и пришли к выводу, что фантомный город появился из параллельного мира!

Глубина озера Байкал достигает 1100 м, оно плохо изучено и что происходит в неизведанных и тайных глубинах. Но в районе озера часто наблюдают свечения, слышатся звуки, которые не поддаются идентификации.

В 80-х годах прошлого века водолазы, проводившие на дне Байкала работы, встретили высоких, трехметрового роста гуманоидов. На них были надеты скафандры, не похожие на земные. Кто это был, не известно до настоящего времени, возможно, пришельцы из другого измерения или времени?

Однажды доктора медицинских наук Михаила Филоненко пригласили осмотреть загадочный дом, в котором по ночам слышались крики, шум, музыка, появлялся свет в окнах, хотя в нем никто не жил.

Когда ученый с вошел в помещение, он увидел дверь, которой не было накануне. Открыв ее, Филоненко и его коллеги почувствовали необъяснимое чувство страха. За дверью находилось громадное пространство, конца которому не было видно. Такого не могло быть в обычном небольшом доме. Решили что это «червоточины», каналы, через которые осуществляется переход из одного мира в другой.

Сказочная земля

Издревле на Руси ходили слухи об удивительном Беловодье, где, по преданию, все живут счастливо, люди не болеют, не голодают, приветливы и открыты. Правители в этой стране справедливые и добрые, ее называют Страной Светлых Духов, Страной Живых Богов. Попасть туда мог человек с чистым сердцем и помыслами.

Точно не известно, где находится Страна Светлых Духов, версий несколько: за Каменным поясом, как раньше называли Уральские горы, на Крайнем Севере, в Поморье, Сибири или на Алтае. Археологи на берегах сибирских рек Иртыша, Тобола и Ишима нашли следы загадочных поселений, которые не относятся ни к одной из известных культур. Исследования археологических находок (в том числе капище богини Тары) в этих районах дают основания предполагать, что именно в этом месте находилась загадочная страна.

Здесь и в наше время происходят необъяснимые явления: летают огненные или черные шары, часто встречаются русалки, неизвестные животные, слышится непривычная уху музыка. Эти и другие аномалии наводят на мысль, что Беловодье существует и сейчас, только ушло из нашего мира в другой.

Случаев перехода в другие измерения много, но возвращение практически никогда не было счастливым — одни сходили с ума, другие очень быстро старели, третьи умирали. Никто внятно не смог рассказать, что же с ним происходило. Судьба пропавших людей вообще неизвестна. Параллельные миры незнакомы и не изучены. Одни загадки и предположения, поэтому не стоит стремиться попасть в них, лучше просто мирно сосуществовать?

Многомировая интерпретация

Квантовая механика

Δ x ⋅ Δ p x ⩾ ℏ 2 {\displaystyle \Delta x\cdot \Delta p_{x}\geqslant {\frac {\hbar }{2}}}

Введение
Математические основы

Основа

Фундаментальные понятия

Эксперименты

Развитие теории

Сложные темы

Известные учёные

Планк · Эйнштейн · Шрёдингер · Гейзенберг · Йордан · Бор · Паули · Дирак · Фок · Борн · де Бройль · Ландау · Фейнман · Бом · Эверетт

См. также: Портал:Физика

Многомирова́я интерпрета́ция (англ. many-worlds interpretation) или интерпретация Эверетта — интерпретация квантовой механики, которая предполагает существование, в некотором смысле, «параллельных вселенных», в каждой из которых действуют одни и те же законы природы и которым свойственны одни и те же мировые постоянные, но которые находятся в различных состояниях. Исходная формулировка принадлежит Хью Эверетту (1957 год).

Многомировая интерпретация (далее ММИ) отказывается от индетерминированного коллапса волновой функции, который в копенгагенской интерпретации сопутствует любому измерению. Многомировая интерпретация обходится в своих объяснениях только явлением квантовой сцепленности и совершенно обратимой эволюцией состояний.

ММИ является одной из многих многомировых гипотез в физике и философии. На сегодняшний день она является одной из ведущих интерпретаций, наряду с копенгагенской интерпретацией и интерпретацией согласованных хронологий.

Описание

Как и другие интерпретации, многомировая призвана объяснить традиционный двухщелевой эксперимент. Когда кванты света (или другие частицы) проходят через две щели, то, чтобы рассчитать, куда они попадут, можно предположить, что свет обладает волновыми свойствами. С другой стороны, если кванты регистрируются, то они всегда регистрируются в виде точечных частиц, а не в виде размытых волн. ММИ не использует так называемый коллапс волновой функции из копенгагенской интерпретации, введённый для объяснения перехода от волнового поведения к корпускулярному.

Хотя со времени выхода оригинальной работы Эверетта уже было предложено несколько новых версий ММИ, всем им свойственно два основных момента:
1) состоит в существовании функции состояния для всей Вселенной, которая всё время подчиняется уравнению Шрёдингера и никогда не испытывает недетерминированного коллапса.
2) состоит в предположении, что это вселенское состояние является квантовой суперпозицией нескольких (а возможно, и бесконечного числа) состояний одинаковых невзаимодействующих между собой параллельных вселенных.

По мнению некоторых авторов, термин «многомировая» только вводит в заблуждение; многомировая интерпретация не предполагает реального наличия именно других миров, она предлагает лишь один реально существующий мир, который описывается единой волновой функцией, которую, однако, для завершения процесса измерения какого-либо квантового события, необходимо разделить на наблюдателя (который проводит измерение) и объект, описываемые каждый своей волновой функцией. Однако сделать это можно по-разному, а потому в результате получаются разные значения измеряемой величины и, что характерно, разные наблюдатели. Поэтому считается, что при каждом акте измерения квантового объекта, наблюдатель как бы расщепляется на несколько (предположительно, неограниченно много) версий. Каждая из этих версий видит свой результат измерения и, действуя в соответствии с ним, формирует собственную предшествующую измерению историю и версию Вселенной. С учетом этого данную интерпретацию как правило и называют многомировой.

Однако нельзя представлять «расщепление» наблюдателя как разделение одной Вселенной на множество отдельных миров. Квантовый мир, согласно многомировой интерпретации — ровно один, но огромное множество частиц в нём заменено сложнейшей мировой функцией, и изнутри описан этот мир может быть бесчисленным множеством различных способов, причём это не приводит к неопределённостям, потому как вселенную никто не может наблюдать (описывать) извне.

История

Идеи ММИ берут начало в диссертации Хью Эверетта из Принстона, написанной под руководством Джона Уилера, а сам термин «многомировая» обязан своим существованием Брайсу Девитту, который развил тему оригинальной работы Эверетта. Формулировка Девитта стала настолько популярной, что её часто путают с исходной работой Эверетта.

К тому моменту, как фон Нейман написал в 1932 г. свой знаменитый трактат «Математические основы квантовой механики», явление «коллапса волновой функции» было встроено в математический аппарат квантовой механики в виде постулата, что существуют два процесса, при которых волновая функция изменяется:

  1. Скачкообразное случайное изменение, вызываемое наблюдением и измерением.
  2. Детерминированная эволюция со временем, подчиняющаяся уравнению Шрёдингера.

Многие признавали, что явление коллапса волновой функции, предложенного копенгагенской интерпретацией для (1), является искусственным трюком и, следовательно, необходимо искать другую интерпретацию, в которой поведение при измерении трактуется с помощью более основополагающих физических принципов.

Докторская работа Эверетта как раз и предлагала подобную альтернативу. Эверетт предложил считать, что для составной системы (каковой является частица, взаимодействующая с измерительным прибором) утверждение о том, что какая-либо подсистема находится в определённом состоянии, является бессмысленным. Это привело Эверетта к заключению об относительном характере состояния одной системы по отношению к другой.

Формулировка Эверетта, приводящая к пониманию процесса коллапса волновой функции, происходящего при измерении, математически эквивалентна квантовой суперпозиции волновых функций. Поскольку Эверетт прекратил заниматься теоретической физикой вскоре после получения степени, дальнейшее развитие его идей проводили другие исследователи, среди которых Брайс Девитт и Михаил Менский.

Краткий обзор

В формулировке Эверетта, измерительный прибор M и объект измерения S образуют составную систему, каждая из подсистем которой до измерения существует в определённых (зависящих, конечно, от времени) состояниях. Измерение рассматривается как процесс взаимодействия между M и S. После того, как между M и S произошло взаимодействие, более нет возможности описывать каждую из подсистем при помощи независимых состояний. Согласно Эверетту, любые возможные описания должны быть относительными состояниями: например, состояние M относительно заданного состояния S или состояние S относительно заданного состояния M.

В формулировке Девитта, состояние S после измерения есть квантовая суперпозиция альтернативных историй S.

Схематическое представление пары «наименьших возможных» квантово-механических систем перед взаимодействием: измеряемая система S и измерительный аппарат M. Система S рассматривается как 1-кубитовая система.

Давайте рассмотрим самую простую возможную квантовую систему S — как показано на картинке. Эта картинка описывает, например, спиновое состояние электрона. Выберем определённую ось (например, ось z) и предположим, что северный полюс обозначает спин «вверх», а южный полюс — спин «вниз». Все возможные суперпозиции состояний описываются так называемой сферой Блоха (её поверхностью). Чтобы провести измерения над S, её надо привести во взаимодействие с другой аналогичной системой — M. После взаимодействия составная система описывается состоянием, существующем в шестимерном пространстве (причина того, что измерений шесть, объясняется в статье про сферу Блоха). Этот шестимерный объект можно представить в виде суперпозиции двух «альтернативных историй» системы S, в одной из которых наблюдался результат измерения «вверх», а в другой — «вниз». Каждое последующее двоичное измерение (каковым является взаимодействие с системой M) вызывает аналогичное разветвление исторического дерева. Таким образом, после трёх измерений систему можно рассматривать как квантовую суперпозицию 2х2х2 = 8 копий исходной системы S.

Научность интерпретации

В случае представления многомировой интерпретации как хаотической инфляции Вселенной (которая при измерении делится на множество невзаимодействующих миров и гипотетически часть из них может сильно отличаться от остальных), такую многомировую интерпретацию нельзя в полной мере считать научной, поскольку она не соответствует критерию Поппера.

При этом польза такой интерпретации определённо имеется, но может обсуждаться лишь сквозь призму её прагматического использования. Так, например, анализ некоторых вопросов в интерпретации хаотической инфляции миров, хотя и приводит к тем же результатам, что и в любой другой интерпретации квантовой механики, но является более простым с логической точки зрения — что и объясняет её популярность в некоторых областях науки (к примеру, в квантовой космологии).

Чтобы не путать такую интерпретацию мультивселенной с многовариантной Вселенной, состоящей из единственного мира, но описываемого различными способами, некоторые физики предлагают называть последнюю «альтерверсом» (в противоположность «мультиверсу» — множеству независимых миров, образующихся в моделях хаотической инфляции).

Наша Вселенная – лишь одна из миллиардов возможных

Ученные планеты Земля в течении последних дясятков сотен лет очень много узнали про строение вселенной. Их миллиарды миллиардов … В свое время Эйнштейн задумался над тем, как законы физики обязательно должны были бы создать такую же галактику как наша, либо это какие то принципиально другие галактики со своими особенностями не с чем не связанные с нашими Законами? Сегодня ученым физикам видимо стало скучно и они начали рассматривать концепцию «мультиверса» – скопление разнообразных Вселенных. В качестве эксперта в данной области выступает Брайн Грин, ранее рассказывая про изящную теорию супер-струн где он высказывает предположение о параллельных Вселенных, которые не пересекаются с нашей и элементарные частицы подчиняются другим Законам и ведут себя иначе чем у нас. Собственно в чем суть вопроса? в начале ХХ века ученые определили расширение Вселенной, практически доказали теорию «Большого взрыва». Остался только один нюанс — Уравнение разработанное Эйнштейном не может описать начальное состояние Вселенной во время «взрыва», непонятно откуда взялась энергия для «детонации взрыва». В 80-е годы физик Алан Гут выдвинул гипотезу «космической недостачи» – само предположение состояло в существовании некоего «топлива», если оно преобладает в большой концентрации, то вполне вероятно может вызвать «Большой взрыв». Благодаря спутнику NASA d 90-е годы были замерены температуры фонового космического излучения, тем самым была подтверждена теория Алана Гута. Была получена температурная карта холодных и теплых областей. «Математический анализ пояснил – что при расширении космическое топливо самовосстанавливается», – говорит автор. Таким образом, свойства нашего «топлива» должно было создать новое бесчисленное множество вселенных, не только нашу. Зарождение Вселенных можно сравнить с рождением множества мыльных пузырьков, которые выдули из одного флакона. Сама идея мультиверса была выдвинута выдвинули в 80-е годы физиками — Андреем Линде и Александром Виленкиным. Как обычно — сообщество науки скептически отнеслась к этому заявлению, и даже если бы теория была верна, то Вселенные никак между собой не взаимодействуют, что поставило точку на долгие годы в обсуждение данной теории. Но как обычно бывает через 10 лет наблюдения простора космоса подсказало новое решение старой проблемы. Предположения ученных о том, что Вселенная замедляет свое расширение, благодаря гравитационным силам, было опровергнуто опытными данными, и на самом деле Вселенная расширяется с ускорением и это уже происходит по крайней мере 7 млрд лет. Вполне резонный вопрос. Что за сила «расталкивает» галактики? Давно в ученном мире ходят догадки, базируясь на исследованиях Эйнштейна, что пространство космоса пронизано невидимой энергией, которая создает отрицательную гравитацию. Сейчас это называется «Темной энергией». Но есть один момент, он заключается в том, что ученным удалось вычислить эту плотность, и она оказалась низкой, что противоречит теоретическим данным, по которым плотность должна быть на порядок больше. Такое резкое несоответствие теоретических данных с практическими ставить многие ученные умы в тупик. История нашей цивилизации помнит случаи, когда неправильна постановка вопроса приводила умы в тупик. Например в XVII Кеплер все не могу понять, почему Земля находится на определенном расстоянии от Солнца. Будем откровенны с Вами, если бы расстояние было немножко другим, то и жизни на Земле не существовало бы, а следовательно и вопросы некому было задавать. По этой же аналогии наша постановка вопроса возможно не компетентна в данном вопросе и дело все просто в том, что нет материи — нет вселенной нет звед нет условий для жизни существам гуманоидного типа. Как мы и предполагали в начале, саму идею мультиверса подтверждает теория струн. «Внутри каждой элементарной частицы существует вибрирующие энергетические волоконца, похожие на струну. Почему назвали струной, да потому что согласно теории они вибрируют, также как и скрипичная струна, создавая своими вибрациями элементарные частицы, различные по своему составу. Разнообразие «тонов» допускают новые образования Вселенных отличных по

Одна Вселенная или множество?

Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом? Фото: SPL/EAST NEWS

Одна Вселенная или множество?

Как выглядит Вселенная на очень больших расстояниях, в областях, недоступных наблюдению? И есть ли предел тому, как далеко мы можем заглянуть? Наш космический горизонт определяется расстоянием до самых далеких объектов, свет которых успел прийти к нам за 14 миллиардов лет с момента Большого взрыва. Из-за ускоренного расширения Вселенной эти объекты сейчас удалены уже на 40 миллиардов световых лет. От более далеких объектов свет к нам еще не дошел. Так что же находится там, за горизонтом? До недавнего времени физики давали очень простой ответ на этот вопрос: там все то же самое — такие же галактики, такие же звезды. Но современные достижения в космологии и физике элементарных частиц позволили пересмотреть эти представления. В новой картине мира отдаленные области Вселенной разительно отличаются от того, что мы видим вокруг себя, и могут даже подчиняться иным законам физики.

Новые представления основаны на теории космической инфляции. Попробуем разъяснить ее суть. Начнем с краткого обзора стандартной космологии Большого взрыва, которая была доминирующей теорией до открытия инфляции.

Согласно теории Большого взрыва Вселенная началась с колоссальной катастрофы, которая разразилась около 14 миллиардов лет назад. Большой взрыв случился не в каком-то определенном месте Вселенной, а сразу везде. В то время не было звезд, галактик и даже атомов, и Вселенную заполнял очень горячий плотный и быстро расширяющийся сгусток материи и излучения. Увеличиваясь в размерах, он остывал. Примерно три минуты спустя после Большого взрыва температура снизилась достаточно для формирования атомных ядер, а через полмиллиона лет электроны и ядра объединились в электрически нейтральные атомы и Вселенная стала прозрачна для света. Это позволяет нам сегодня регистрировать свет, испущенный огненным сгустком. Он приходит со всех направлений на небе и называется космическим фоновым излучением.

Первоначально огненный сгусток был почти идеально однородным. Но крошечные неоднородности в нем все-таки были: в некоторых областях плотность была чуть выше, чем в других. Эти неоднородности росли, стягивая своей гравитацией все больше вещества из окружающего пространства, и за миллиарды лет превратились в галактики. И лишь совсем недавно по космическим меркам на сцене появились мы, люди.

В пользу теории Большого взрыва говорит множество наблюдательных данных, не оставляющих сомнений в том, что этот сценарий в основном корректен. Прежде всего мы видим, как далекие галактики разбегаются от нас с очень большими скоростями, что указывает на расширение Вселенной. Также теория Большого взрыва объясняет распространенность во Вселенной легких элементов, таких как гелий и литий. Но самой главной уликой, можно сказать, дымящимся стволом Большого взрыва, служит космическое фоновое излучение — послесвечение первичного огненного шара, до сих пор позволяющее его наблюдать и исследовать. За его изучение присуждены уже две Нобелевские премии.

Итак, мы, похоже, располагаем весьма успешной теорией. И все же она оставляет без ответа некоторые интригующие вопросы, касающиеся начального состояния Вселенной сразу после Большого взрыва. Почему Вселенная была такой горячей? Почему она стала расширяться? Почему она была такой однородной? И, наконец, что было с ней до Большого взрыва?

На все эти вопросы отвечает теория инфляции, которую Алан Гут выдвинул 28 лет назад.

Космическая инфляция

Центральную роль в этой теории играет особая форма материи, называемая ложным вакуумом. В обыденном понимании этого слова вакуум — просто абсолютно пустое пространство. Но для физиков, занимающихся элементарными частицами, вакуум — далеко не полное ничто, а физический объект, обладающий энергией и давлением, который может находиться в различных энергетических состояниях. Физики называют эти состояния разными вакуумами, от их характеристик зависят свойства элементарных частиц, которые могут в них существовать. Связь между частицами и вакуумом подобна связи звуковых волн с веществом, по которому они распространяются: в разных материалах скорость звука неодинакова. Мы живем в очень низкоэнергетическом вакууме, и долгое время физики считали, что энергия нашего вакуума в точности равна нулю. Однако недавно наблюдения показали, что он обладает немного отличной от нуля энергией (она получила название темной энергии).

Распад ложного вакуума
Компьютерная модель вечной инфляции. Ложный вакуум (желтый) расширяется вдвое каждые 10-33 секунд. В областях, где он распался (синие), образовались вселенные, подобные нашей. На границах происходит «большой взрыв».
Фото: А. Виленкин

Современные теории элементарных частиц предсказывают, что помимо нашего вакуума существует ряд других, высокоэнергетических вакуумов, называемых ложными. Наряду с очень высокой энергией ложный вакуум характеризуется большим отрицательным давлением, которое называют натяжением. Это то же самое, что растянуть кусок резины: появляется натяжение — сила, направленная внутрь, которая заставляет резину сжиматься.

Но самое странное свойство ложного вакуума — это его отталкивающая гравитация. Согласно общей теории относительности Эйнштейна гравитационные силы вызываются не только массой (то есть энергией), но также и давлением. Положительное давление вызывает гравитационное притяжение, а отрицательное ведет к отталкиванию. В случае вакуума отталкивающее действие давления превосходит притягивающую силу, связанную с его энергией, и в сумме получается отталкивание. И чем выше энергия вакуума, тем оно сильнее.

А еще ложный вакуум нестабилен и обычно очень быстро распадается, превращаясь в низкоэнергетический вакуум. Избыток энергии идет на порождение огненного сгустка элементарных частиц. Тут важно подчеркнуть, что Алан Гут не изобретал ложный вакуум со столь странными свойствами специально для своей теории. Его существование следует из физики элементарных частиц.

Гут просто предположил, что в самом начале истории Вселенной пространство находилось в состоянии ложного вакуума. Почему так случилось? Хороший вопрос, и тут есть что сказать, но мы вернемся к этому вопросу в конце статьи. А пока предположим вслед за Гутом, что молодая Вселенная была заполнена ложным вакуумом. В таком случае вызываемая им отталкивающая гравитация привела бы к очень быстрому ускоряющемуся расширению Вселенной. При таком типе расширения, который Гут назвал инфляцией, существует характерное время удвоения, за которое размер Вселенной увеличивается в два раза. Это похоже на инфляцию в экономике: если ее темпы постоянны, то цены удваиваются, скажем, за 10 лет. Космологическая инфляция идет намного быстрее, с такой скоростью, что за малую долю секунды крошечная область поперечником меньше атома раздувается до размеров, превышающих наблюдаемую сегодня часть Вселенной.

Поскольку ложный вакуум нестабилен, он в итоге распадется, порождая огненный сгусток, и на этом инфляция заканчивается. Распад ложного вакуума играет в этой теории роль Большого взрыва. С этого момента Вселенная развивается в соответствии с представлениями стандартной космологии Большого взрыва.

От умозрения к теории

Теория инфляции естественным образом объясняет особенности начального состояния, которые прежде казались такими загадочными. Высокая температура возникает из-за высокой энергии ложного вакуума. Расширение связано с отталкивающей гравитацией, которая заставляет ложный вакуум расширяться, а огненный сгусток продолжает расширяться по инерции. Вселенная однородна потому, что ложный вакуум везде имеет строго одинаковую плотность энергии (за исключением малых неоднородностей, которые связаны с квантовыми флуктуациями в ложном вакууме).

Когда теория инфляции впервые была обнародована, ее восприняли лишь как умозрительную гипотезу. Но теперь, спустя 28 лет, она получила впечатляющие наблюдательные подтверждения, большинство из которых связано с космическим фоновым излучением. Спутник WMAP построил карту интенсивности излучения для всего неба и обнаружил, что видимый на ней пятнистый узор находится в безупречном согласии с теорией.

Есть и еще одно предсказание инфляции, состоящее в том, что Вселенная должна быть почти плоской. Согласно общей теории относительности Эйнштейна пространство может быть искривлено, однако теория инфляции предсказывает, что наблюдаемая нами область Вселенной должна с высокой точностью описываться плоской, евклидовой, геометрией. Вообразите искривленную поверхность сферы.

Теперь мысленно увеличьте эту поверхность в огромное число раз. Это как раз то, что случилось со Вселенной во время инфляции. Нам видна лишь крошечная часть этой огромной сферы. И она кажется плоской точно так же, как Земля, когда мы рассматриваем небольшой ее участок. То, что геометрия Вселенной плоская, было проверено путем измерения углов гигантского треугольника размером почти до космического горизонта. Их сумма составила 180 градусов, как и должно быть при плоской, евклидовой, геометрии.

Теперь, когда данные, полученные в наблюдаемой нами области Вселенной, подтвердили теорию инфляции, можно в какой-то степени доверять тому, что она говорит нам о регионах, недоступных для наблюдения. Это возвращает нас к вопросу, с которого мы начали: что лежит за нашим космическим горизонтом?

С появлением теории инфляции Большой взрыв перестал быть единственным уникальным событием. Согласно ей вселенные возникают и расширяются, как пузырьки в бокале шампанского. И таких «бокалов» может быть множество. Фото слева: SPL/EAST NEWS, справа: FOODFOLIO/EAST NEWS

Мир бесконечных двойников

Ответ, который дает теория, довольно неожиданный: хотя в нашей части космоса инфляция закончилась, во Вселенной в целом она продолжается. То там, то здесь в ее толще случаются «большие взрывы», в которых распадается ложный вакуум и возникает область космоса, подобная нашей. Но инфляция никогда не закончится полностью, во всей Вселенной. Дело в том, что распад вакуума — вероятностный процесс, и в разных областях он случается в разное время. Выходит, Большой взрыв не был уникальным событием в нашем прошлом. Множество «взрывов» случилось прежде и несчетное число еще произойдет в будущем. Этот никогда не кончающийся процесс называется вечной инфляцией.

Можно попробовать представить, как бы выглядела инфлирующая Вселенная, если взглянуть на нее со стороны. Пространство было бы заполнено ложным вакуумом и очень быстро расширялось во все стороны. Распад ложного вакуума похож на закипание воды. То там, то здесь спонтанно возникают пузыри низкоэнергетического вакуума. Едва зародившись, пузыри начинают расширяться со скоростью света. Но они очень редко сталкиваются, поскольку пространство между ними расширяется еще быстрее, образуя место для все новых и новых пузырей. Мы живем в одном из них и видим только малую его часть.

К сожалению, путешествия в другие пузыри невозможны. Даже забравшись в космический корабль и двигаясь почти со скоростью света, нам не угнаться за расширяющимися границами нашего пузыря. Так что мы являемся его пленниками. С практической точки зрения каждый пузырь является самодостаточной отдельной вселенной, у которой нет связи с другими пузырями. В ходе вечной инфляции порождается бесконечное число таких пузырей-вселенных.

Но если нельзя добраться до других пузырей-вселенных, как же убедиться, что они действительно существуют? Одна из впечатляющих возможностей — наблюдение за столкновением пузырей. Если бы другой пузырь ударился в наш, это оказало бы заметное воздействие на наблюдаемое космическое фоновое излучение. Проблема, однако, в том, что столкновения пузырей очень редки, и не факт, что такое событие случалось в пределах нашего горизонта.

Удивительный вывод следует из этой картины мира: поскольку число вселенных-пузырей бесконечно и каждая из них неограниченно расширяется, в них будет содержаться бесконечное число областей размером с наш горизонт. У каждой такой области будет своя история. Под «историей» имеется в виду все, что случилось, вплоть до мельчайших событий, таких как столкновение двух атомов. Ключевой момент состоит в том, что число различных историй, которые могут иметь место, — конечно. Как это возможно? Например, я могу подвинуть свой стул на один сантиметр, на полсантиметра, на четверть и так далее: кажется, что уже здесь таится неограниченное число историй, поскольку я могу сдвинуть стул бесконечным числом разных способов на сколь угодно малое расстояние. Однако из-за квантовой неопределенности слишком близкие друг к другу истории принципиально невозможно различить. Таким образом, квантовая механика говорит нам, что число различных историй конечно. С момента Большого взрыва для наблюдаемой нами области оно составляет примерно 10, возведенное в степень 10150. Это невообразимо большое число, но важно подчеркнуть, что оно не бесконечно.

Итак, ограниченное количество историй разворачивается в бесконечном числе областей. Неизбежен вывод, что каждая история повторяется бесконечное число раз. В частности, существует бесконечное число земель с такими же историями, как у нашей. Это значит, что десятки ваших дублей сейчас читают эту фразу. Должны существовать также области, истории которых в чем-то отличаются, реализуя все возможные вариации. Например, есть области, в которых изменена лишь кличка вашей собаки, а есть другие, где по Земле до сих пор ходят динозавры. Хотя, конечно, в большинстве областей нет ничего похожего на нашу Землю: ведь куда больше способов отличаться от нашего космоса, чем быть на него похожим. Эта картина может показаться несколько угнетающей, но ее очень трудно избежать, если признается теория инфляции.

Пузыри мультиверса

До сих пор мы предполагали, что другие вселенные-пузыри похожи между собой по своим физическим свойствам. Но это необязательно должно быть так. Свойства нашего мира определяются набором чисел, называемых фундаментальными постоянными. Среди них Ньютонова гравитационная постоянная, массы элементарных частиц, их электрические заряды и тому подобное. Всего существует около 30 таких констант, и возникает вполне естественный вопрос: почему у них именно такие значения, которые есть? Долгое время физики мечтали, что однажды смогут вывести значения констант из некой фундаментальной теории. Но существенного прогресса на этом пути достигнуто не было.

Если выписать на листок бумаги значения известных фундаментальных постоянных, они покажутся совершенно случайными. Некоторые из них очень малы, другие велики, и за этим набором чисел не просматривается никакого порядка. Однако в них все же была замечена система, хотя и несколько иного рода, чем надеялись обнаружить физики. Значения констант, похоже, тщательно «подобраны» для обеспечения нашего существования. Это наблюдение получило название антропного принципа. Константы будто специально тонко настроены Творцом, чтобы создать подходящую для жизни Вселенную — это как раз то, о чем говорят нам сторонники учения о разумном замысле.

Но существует иная возможность, рисующая совсем другой образ Творца: он произвольным образом порождает множество вселенных, и чисто случайно некоторые из них оказываются пригодными для жизни. Появившиеся в таких редких вселенных разумные наблюдатели обнаруживают чудесную тонкую настройку констант. В этой картине мира, называемой Мультиверсом, большинство пузырей бесплодно, но в них нет никого, кто мог бы на это пожаловаться.

Но как проверить концепцию Мультиверса? Прямые наблюдения ничего не дадут, поскольку мы не можем путешествовать в другие пузыри. Можно, однако, как в криминальном расследовании, найти косвенные улики. Если константы изменяются от одной вселенной к другой, их значения у нас нельзя точно предсказать, но можно сделать вероятностные предсказания. Можно спросить: какие значения обнаружит среднестатистический наблюдатель? Это аналогично попытке предсказать рост первого встречного человека на улице. Вряд ли он окажется гигантом или карликом, поэтому если дать прогноз, что его рост будет где-то около среднего, мы, как правило, не ошибемся. Аналогично и с фундаментальными постоянными: нет оснований думать, что их значения в нашей области космоса очень велики или малы, иными словами, они существенно отличаются от тех, что измерит большинство наблюдателей во Вселенной. Предположение о нашей неисключительности — это важная идея; я назвал ее принципом заурядности.

Этот подход был применен к так называемой космологической постоянной, которая характеризует плотность энергии нашего вакуума. Значение этой постоянной, полученное из астрономических наблюдений, оказалось в хорошем согласии с предсказаниями, основанными на концепции Мультиверса. Это стало первым свидетельством существования там, за горизонтом, поистине колоссальной вечно инфлирующей Вселенной. Это свидетельство, конечно, косвенное, каким только и могло быть. Но если нам посчастливится сделать еще несколько удачных предсказаний, то новую картину мира можно будет признать доказанной за пределами разумных сомнений.

Что было до большого взрыва?

А было ли у Вселенной начало? Мы описали безгранично расширяющийся космос, порождающий все новые «большие взрывы», но хотелось бы знать, всегда ли Вселенная была такой? Многие находят такую возможность весьма привлекательной, поскольку она избавляет от некоторых трудных вопросов, связанных с началом Вселенной. Когда Вселенная уже существует, ее эволюция описывается законами физики. Но как описывать ее начало? Что заставило Вселенную появиться? И кто задал ей начальные условия? Было бы весьма удобно сказать, что Вселенная всегда пребывает в состоянии вечной инфляции без конца и без начала.

Эта идея, однако, сталкивается с неожиданным препятствием. Арвинд Борд и Алан Гут доказали теорему, которая утверждает, что хотя инфляция вечна в будущем, она не может быть вечной в прошлом, а это значит, что у нее должно быть какое-то начало. И каково бы оно ни было, мы можем продолжать спрашивать: а что было до того? Получается, что один из основных вопросов космологии — с чего началась Вселенная? — так и не получил удовлетворительного ответа.

Единственный предложенный до сих пор способ обойти эту проблему бесконечной регрессии состоит в том, что Вселенная могла быть спонтанно создана из ничего. Часто говорят: ничто не может появиться из ничего. Действительно, материя обладает положительной энергией, и закон ее сохранения требует, чтобы в любом начальном состоянии энергия была такой же. Однако математический факт состоит в том, что замкнутая вселенная обладает нулевой энергией. В общей теории относительности Эйнштейна пространство может быть искривленным и замыкаться на себя подобно поверхности сферы. Если в такой замкнутой вселенной двигаться все время в одну сторону, то в конце концов вернешься туда, откуда стартовал, — точно так же, как возвращаешься в исходную точку, обойдя вокруг Земли. Энергия материи положительна, но энергия гравитации — отрицательна, и можно строго доказать, что в замкнутой вселенной их вклады в точности компенсируют друг друга, так что полная энергия замкнутой вселенной равна нулю. Другая сохраняющаяся величина — электрический заряд. И тут тоже оказывается, что полный заряд замкнутой вселенной должен быть нулевым.

Если все сохраняющиеся величины в замкнутой вселенной равны нулю, то ничто не препятствует ее спонтанному появлению из ничего. В квантовой механике любой процесс, который не запрещен строгими законами сохранения, с некоторой вероятностью будет происходить. А значит, замкнутые вселенные должны появляться из ничего подобно пузырькам в бокале шампанского. Эти новорожденные вселенные могут быть разного размера и заполнены разными типами вакуума. Анализ показывает, что наиболее вероятные вселенные имеют минимальные начальные размеры и наивысшую энергию вакуума. Стоит появиться такой вселенной, как немедленно под влиянием высокой энергии вакуума она начинает расширяться. Именно так и начинается история вечной инфляции.

Космология Блаженного Августина

Следует оговориться, что аналогия между возникающими из ничего вселенными и пузырьками шампанского не совсем точна. Пузырьки рождаются в жидкости, а у вселенной нет никакого окружающего пространства. Зародившаяся замкнутая вселенная — это и есть все имеющееся пространство. До ее появления никакого пространства не существует, как не существует и времени. В общей теории относительности пространство и время связаны в единую сущность, называемую «пространством-временем», и время начинает свой отсчет лишь после того, как появляется Вселенная.

Нечто подобное много столетий назад было описано Августином Блаженным. Он пытался понять, что делал Бог до того, как создал небеса и землю. Свои размышления над этой проблемой Августин изложил в замечательной книге «Исповедь». Вывод, к которому он в итоге пришел, состоит в том, что Бог должен был создать время вместе со Вселенной. До того не было времени, а значит, бессмысленно спрашивать, что было раньше. Это очень похоже на ответ, который дает современная космология.

Вы можете спросить: что заставило Вселенную появиться из ничего? Как это ни удивительно, никакой причины не требуется. Если взять радиоактивный атом, он распадется, и квантовая механика предсказывает вероятность его распада за определенный интервал времени, скажем, за минуту. Но если спросить, почему атом распался именно в данный конкретный момент, а не в другой, то ответ будет состоять в том, что не было никакой причины: этот процесс совершенно случаен. Аналогично не требуется причины и для квантового создания Вселенной.

Законы физики, которые описывают квантовое рождение Вселенной, — те же самые, что описывают ее последующую эволюцию. Из этого, по-видимому, следует, что законы существовали в некотором смысле прежде, чем возникла Вселенная. Иными словами, законы, похоже, не являются описанием Вселенной, а обладают неким платоновским существованием, помимо самой Вселенной. Мы пока не знаем, как это понимать.

Об авторе

Александр Виленкин — директор Института космологии в Университете Тафтса (Бостон, штат Массачусетс). Он окончил Харьковский университет в 1971 году, в 1976-м эмигрировал из СССР, в 1978-м стал профессором Университета Тафтса. Виленкин — один из ведущих современных космологов, автор концепции вечной инфляции, появившейся как развитие инфляционной космологии Алана Гута, совместно с которым написал ряд научных работ. Известна полемика между Александром Виленкиным и Стивеном Хокингом по вопросу о том, как именно случилось квантовое рождение Вселенной. Виленкин является сторонником антропного принципа, согласно которому существует множество вселенных и лишь немногие из них пригодны для жизни разумных обитателей. Причем Виленкин считает, что из антропного принципа можно получить нетривиальные предсказания, позволяющие подтвердить существование недоступных наблюдению вселенных. Бурные дискуссии вызвала научно-популярная книга Александра Виленкина «Мир множества миров: в поисках других вселенных», опубликованная на английском языке. В этом году она выходит на русском.