[Перевод] Что ещё мы в принципе можем узнать о Вселенной?

Я космолог, и после моих лекций чаще всего я слышу такие вопросы: Что находится за пределами Вселенной? Во что расширяется наша Вселенная? Будет ли она расширяться вечно? Это естественные вопросы. Но существует более глубокий вопрос. На самом деле мы хотим знать следующее: есть ли границы нашего знания? Есть ли границы науки?

Ответ, конечно же – мы заранее не знаем. Мы не узнаем, существуют ли границы познания, если только не попробуем преодолеть их. Пока что их признаков не наблюдается. Встречаются препятствия, но все они носят характер временных. Некоторые говорят мне: «Мы никогда не узнаем, как началась Вселенная. Мы никогда не узнаем, что было до Большого взрыва». Эти утверждения демонстрируют примечательное самомнение по поводу того, что мы заранее можем знать список всего, что мы не сможем узнать. Это не только необоснованно, но и не подтверждается всей историей науки, не встретившей пока таких ограничений. В случае космологии наше знание увеличилось так, как никто не мог предполагать 50 лет назад.

Мы не можем увидеть бесконечность, наше поле зрения ограничено 45,3 миллиарда световых лет. Но это не мешает нам понимать законы природы.

И нельзя сказать, что природа не ставит ограничения на наблюдаемое и на то, как мы можем что-либо наблюдать. К примеру, принцип неопределённости Гейзенберга ограничивает наше знание о движении частицы, а скорость света ограничивает дальность нашего поля зрения или длину пути, который возможно пройти за заданное время. Но эти ограничения говорят лишь о том, чего мы не можем увидеть, а не о том, чего мы не можем узнать. Принцип неопределённости не помешал разобраться в квантовой механике, поведении атомов или виртуальных частицах, которые, хоть их и не видно, всё же существуют.

Наблюдение расширения Вселенной подразумевает, что было какое-то начало, ведь если экстраполировать обратно, то в некий момент прошлого всё в обозримой Вселенной сосредоточится в одной точке. В этом момент, известный, как Большой взрыв, известные нам законы физики перестают работать, поскольку ОТО, описывающее гравитацию, невозможно интегрировать с квантовой механикой, описывающей физику на микроскопических масштабах. Но большинство учёных не считают это фундаментальным барьером на пути знания, поскольку ОТО наверняка станет частью последовательной квантовой теории. Теория струн – одна из продолжающихся в этом направлении попыток.

С такой теорией мы, возможно, сумеем ответить на вопрос о том, что было прежде Большого взрыва. Простейший ответ одновременно и наименее удовлетворительный. СТО и ОТО связывают пространство и время в одну сущность: пространство-время. Если пространство было создано во время Большого взрыва, то, возможно, и время тоже. В таком случае никакого «прежде» не было. Вопрос оказывается некорректным. Конечно, это не единственный возможный ответ, и нам необходимо подождать квантовую теорию гравитации и её экспериментальное подтверждение до того, как у нас появится уверенность в нашем ответе.

Ещё один вопрос – можем ли мы знать, что лежит за пределами нашей Вселенной в смысле пространства. Каковы границы нашей Вселенной? Мы можем попробовать угадать ответ. Если наше пространство-время появилось спонтанно – что, как я доказывал в моей последней книге, «Вселенная из ничего» [A Universe from Nothing], кажется вполне вероятным – тогда её общая энергия равна нулю. Энергия, представленная материей, компенсируется энергией, представленной гравитационными полями. Иначе говоря, нечто может появиться из ничего, если нечто будет равно ничему. В данный момент считается, что вселенная, общая энергия которой может быть нулевой, замкнута. Такая вселенная конечна, но не имеет границ. Так же, как вы можете вечно путешествовать по поверхности сферы, не встречая никаких границ, вы, возможно, можете двигаться и по Вселенной. Если заглянуть достаточно далеко в одном направлении, можно увидеть наши затылки.

На практике это невозможно, поскольку наблюдаемая Вселенная – лишь часть гораздо большего объёма. Это связано с явлением инфляции. Большинство спонтанно появляющихся вселенных микроскопического размера реколлапсируют за микроскопическое время, и не будут существовать миллиарды лет. Но в некоторых пустое пространство будет наделено энергией, и это заставит вселенную расширяться с экспоненциальной скоростью, хотя бы некоторое время. Считается, то период инфляции проходил в первые моменты расширения Большого взрыва, и предотвратил реколлапс Вселенной. В этом процессе Вселенная раздулась так сильно, что в практическом смысле она теперь выглядит плоской и бесконечной – как кукурузное поле в Канзасе кажется бесконечным, хотя и находится на огромной сфере по имени Земля. Поэтому мы не видим своих затылков, заглядывая в космос, хотя наша Вселенная может оказаться замкнутой на крупнейших масштабах. В принципе, подождав достаточно долго, мы могли бы увидеть всё вместе, если только инфляция не возобновиться в нашей наблюдаемой Вселенной, и не идёт где-то в других регионах космоса, недоступных нашему взору.

Касательно возможности того, что невидимые нам пока (или навсегда) регионы могут испытывать инфляцию, текущие теории называют этот сценарий наиболее вероятным. Если мы будем относить выражение «наша Вселенная» к тому району пространства, с которым у нас есть связь, или с которым у нас когда-нибудь появится связь, тогда инфляция за пределами этого района продолжает создавать другие вселенные. В нашем районе инфляция могла быть краткой, но оставшееся пространство экспоненциально расширяется вечно, и в этом процессе изолированные районы по типу нашего иногда откалываются от расширения, как изолированные участки льда формируются на поверхности быстрого течения воды, если температура опускается ниже точки замерзания. У каждой такой вселенной будет начало, обозначенное окончанием инфляции в этом участке пространства. В этом случае начало нашей Вселенной может не совпасть с началом времени – ещё одна причина сомневаться в том, что Большой взрыв представляет собой ограничение познания.

Сталкивающиеся галактики. Такие явления когда-нибудь прекратятся, и наблюдатели далёкого будущего могут никогда не узнать, какой динамичной раньше была наша Вселенная.

В зависимости от процесса, заставляющего вселенные отпочковываться от фонового пространства, законы физики в них могут отличаться. Мы решили называть эту коллекцию возможных вселенных «мультивселенной» [multiverse]. Идея мультивселенной прижилась в научном сообществе не только из-за того, что она вдохновлена инфляцией, но и потому что возможность существования множества разных вселенных, у каждой из которых есть свои законы физики, может объяснить разные необъяснимые на первый взгляд фундаментальные параметры нашей Вселенной. Эти параметры – просто значения, случайным образом появляющиеся во время рождения вселенной.

Если существуют другие вселенные, то они отделены от нас огромными дистанциями, удаляются на огромных скоростях, и потому их никак нельзя будет обнаружить напрямую. Значит ли это, что мультивселенная – просто метафизика? Является ли подтверждение существования мультивселенной фундаментальной границей нашего познания? Не обязательно. Хотя мы можем и не увидеть другую вселенную, мы можем проверить теорию, приведшую к её появлению – например, пронаблюдав гравитационные волны, порождённые инфляцией. Это позволит нам проверить природу инфляции, приведшей к появлению нашей Вселенной. Эти волны похожи на те, что недавно были обнаружены детектором LIGO, но имеют другой источник. Они исходят не от катаклизмов наподобие столкновений чёрных дыр в далёких галактиках, но от самых ранних моментов Большого взрыва, в предполагаемый период инфляции. Если их можно будет обнаружить напрямую – что возможно в разных экспериментах, которые ищут следы этих волн в реликтовом излучении, оставшемся от Большого взрыва – мы сможем изучить физику инфляции и определить, является ли следствием этой физики бесконечная инфляция. Вот так, не напрямую, мы сможем проверить существование других вселенных, даже без прямого их наблюдения.

В общем, мы обнаружили, что даже глубочайшие из метафизических вопросов, включая существование других вселенных – к которым ранее не предполагалось возможности подойти эмпирически – на самом деле могут быть проверяемы, если подойти к ним с умом. Пока неизвестны границы того, что мы можем узнать, скомбинировав логику и экспериментальные наблюдения.

Вселенная без границ привлекает нас и побуждает продолжать поиски. Но можем ли мы быть уверены, что никаких границ познания мы никогда не встретим? Не совсем.

Инфляция налагает фундаментальное ограничение на познание – конкретно, на познание прошлого. Она обнуляет вселенную, уничтожая всю информацию о предшествовавших ей динамических процессах. Быстрое расширение космоса во время инфляции сильно разбавляет содержимое любого района. Так что она, например, могла стереть следы магнитных монополей, частиц, которые по теории в ранней Вселенной должны были появляться в большом количестве. Это было одно из первых достоинств инфляции – примирение теории, предполагающей изобилие этих частиц, с фактом отсутствия их сегодня. Но избавляясь от несоответствий, инфляция стирает и части нашего прошлого.

Что хуже, это стирание может ещё идти. Мы, очевидно, живём сейчас в другой период инфляции. Измерения убегания удалённых галактик показывают, что расширение нашей Вселенной ускоряется, а не замедляется, что наблюдалось бы, если бы гравитационная энергия преобладала в материи или излучении, а не в пустом пространстве. Пока что нам непонятно происхождение этой энергии. Любое из потенциальных объяснений накладывает ограничения на прогресс познания и даже на наше существование.

Энергия пустого пространства может внезапно исчезнуть, если Вселенная вдруг испытает какой-нибудь фазовый переход, космическую версию конденсации пара в жидкую воду. Если это случится, природа фундаментальных сил может измениться, и все видимые нам структуры, начиная с атомов, могут стать нестабильными или исчезнуть. И мы исчезнем вместе со всем остальным.

Но и при продолжении расширения наше будущее довольно уныло. В течение 2 триллионов лет – по меркам людей это долго, но не по меркам космоса – остаток Вселенной исчезнет из нашего поля зрения. Любые наблюдатели, появляющиеся на планетах вокруг звёзд в этом далёком будущем, решат, что они живут в единственной галактике, окружённой бесконечным пустым пространством, безо всяких признаков ускорения и даже доказательств Большого взрыва. Так же, как мы утратили монополи, им будет не видна знакомая нам история (разумеется, у них может появиться доступ к таким наблюдаемым явлениям, которые мы пока не видим, так что пока зазнаваться не стоит).

В любом случае, стоит наслаждаться нашим небольшим временем под солнцем и изучать то, что можем, пока мы можем. Учитесь прилежнее, выпускники!