[Перевод] Спросите Итана №45: как далеко простирается Мультивселенная?

Читатель спрашивает:

Не могли бы вы объяснить подробнее теорию мультивселенной? Будут ли в разных вселенных разные законы? Или у них всех будут некие фундаментальные законы? Или это всё будет одновременно? Исходят ли они из центра нашей Вселенной, или каждая из них имеет свою точку большого взрыва?

Тут задано сразу много вопросов, поэтому начнём с основ – со Вселенной, которую мы знаем и любим.

Каждая точка в этом видео – это галактика, содержащая от миллионов до триллионов звёзд. Крупнейшие имеют массу, в тысячи раз превосходящую массу Млечного пути. И при всём при том этот «полёт» показывает нам лишь 0,0002% всех галактик, из тех, что видны нам.

Выбрав ничем не примечательный участочек неба, и направив на него космический телескоп Хаббла в течение 23 дней, мы смогли обнаружить 5000 галактик из удалённой части Вселенной. Для покрытия всего неба таких участочков потребовалось бы 32 миллиона – это значит, что во Вселенной существует по меньшей мере сотня миллиардов галактик.

На самых больших масштабах наше космическое зрение простирается на 46 миллиардов световых лет в любом направлении. А дальше мы знаем лишь то, что у Вселенной возраст конечен, и что скорость света также конечна.

Но, насколько мы знаем, Вселенная продолжается и дальше. Наш уголок космоса вроде бы ничем не отличается от других – в грубом приближении, Вселенная примерно однородна по структуре и свойствам.

Мы можем даже изучить микроволновое космическое излучение, остаточное излучение с тех времён, когда Вселенная была столь горячей, что не могла формировать нейтральные атомы – они сразу же разбивались на части.

Это снимок излучения Вселенной с расстояния в 46 миллиардов световых лет во всех направлениях. Оно было испущено всего лишь через 380000 лет после Большого взрыва. Всё указывает не только на то, что Вселенная по плотности и свойствам примерно одинакова везде, но и что законы физики тоже везде одинаковые, и также, что Вселенная не замыкается на себя как замкнутая поверхность.

Это говорит нам о том, что Вселенная, что мы видим, является лишь частью всей Вселенной. Все звёзды, галактики и излучение, дошедшее до Млечного пути во время существования Вселенной – всего лишь часть того, что было создано при Большом взрыве.

И, несмотря на то, что масштабы Вселенной нам неизвестны, все наблюдения говорят о том, что в каждой её части:

— работают те же самые законы физики, в любое время в любом месте
— у каждого районе есть своя история, и он не объединён причинно-следственными связями с другими (не обменивается с ними информацией)
— все они произошли от одного Большого взрыва

Иначе говоря, даже за пределами обозреваемой Вселенной существует просто дополнительное пространство той же Вселенной – то, что мы называем нулевым уровнем мультивселенной, который по сути мультивселенной и не является.

Но мы считаем, что мультивселенная существует – а не только лишь наша Вселенная. Всё идёт от наших представлений о том, как Вселенная родилась.

В настоящее время Вселенная расширяется (и расширялась со времени Большого взрыва), пропорционально количеству материи и энергии, находящейся в ней. Когда она была моложе, горячее, плотнее и более энергичной, скорость расширения была больше. Сегодня плотность энергии меньше, и продолжает убывать, асимптотически стремясь к небольшому ненулевому значению.

Это ненулевое значение известно, как тёмная энергия, присущая самому пространству. Её значение невелико, но материя и излучение продолжают рассеиваться в расширяющейся Вселенной, а тёмная энергия остаётся постоянной. В результате, тёмная энергия уже вносит в расширение Вселенной больше остальных составляющих.

Самое удивительное, что Вселенная занималась тем же самым и до Большого взрыва, только с гораздо большей энергией и скоростью. Этот период назывался Космической инфляцией.

Инфляция заставляет пространство-время расширяться экспоненциально, и если она случалась в прошлом с большим количеством энергии, то это экспоненциальное расширение было нереально быстрым. В течение всего лишь 10^-32 секунд область размером с субатомную частицу расширилась бы до размеров больших, чем сегодняшняя наблюдаемая часть Вселенной.

Из-за свойств квантовой теории поля неважно, как начиналась инфляция – большинство районов космоса расширялись бы и дальше экспоненциально и до бесконечности. Но этого явно не произошло в нашей части Вселенной – в какой-то момент инфляция закончилась, и породила сегодняшнюю нашу Вселенную. И механизм, закончивший инфляцию для нас, должен был закончить её и в остальных частях Вселенной.

Хотя районы Вселенной, где инфляция продолжается, растут быстрее чем те, где она закончилась, должно существовать большое количество не соединённых районов пространства-времени, где инфляция закончилась — на картинке ниже они отмечены X:

Эти отдельные районы Вселенной, не связанные друг с другом, испытывают Большой взрыв с окончанием инфляции — независимо друг от друга. Это мы называем мультивселенной первого уровня. Обычно мы набрасываем четыре разных уровня мультивселенной, и этот, первый, в контексте космической инфляции, происходит с наибольшей вероятностью.

Это ответ на финальный вопрос читателя — есть разные Вселенные, отделённые друг от друга, у каждой из которых произошёл независимый Большой взрыв, случившийся в результате того взрыва, который породил известную нам Вселенную.

А что насчёт других Вселенных? Действительно ли они обязаны иметь идентичный набор законов физики?

Гипотеза о мультивселенных второго уровня говорит, что физические константы других Вселенных будут отличаться от нашей. Это основано на наборе предположений, обычно не озвучиваемых:

• существует тип симметрии, восстанавливающийся во время инфляции
• в конце инфляции симметрия нарушается
• в разных Вселенных симметрия нарушается по-разному
• именно нарушенная симметрия определяет фундаментальные константы Вселенной

Посмотрим, что нам известно про инфляцию, и что случается по её окончанию.

Считается, что космическая инфляция – это квантовое поле, имеющее некоторое неравновесное значение во время инфляции, но по её окончанию стремящееся к равновесному. Из измерений микроволнового космического излучения известно, что в конце инфляции значение её энергии было гораздо ниже значения по планковской шкале. Обычно это считается энергией, при которой определяющие константы симметрии нарушаются. Только в случае оранжевой кривой на картинке, и только в случае, когда её минимумы имеют разные значения, и только в случаях, когда инфляционное поле взаимодействует с разными фундаментальными константами, у другой Вселенной будут другие константы.

Это даёт основания полагать, что другие варианты нарушения симметрии (электрослабой, или симметрии Хиггса, к примеру) не приводят к изменению фундаментальных констант взаимодействия. В других регионах нашей Вселенной это случилось, и не привело к изменению констант.

Поэтому, хотя идея о наличии других мультивселенных первого уровня с другими константами выглядит привлекательно, у нас есть все основания полагать, что это вряд ли возможно, и нет оснований полагать, что вероятность их наличия события велика.

А что насчёт мультивселенных более высоких уровней?

Их можно встретить, только намеренно неправильно истолковывая многомировую интерпретацию квантовой механики.

Некоторые люди ошибочно заявляют, что каждый раз при принятии квантового «решения» вы оказываетесь в одной из двух возможных Вселенных, совпадавших друг с другом до этого.

Как бы это не было романтично и привлекательно, это не то, о чём говорит физика! Очень много элементов вносят ненулевой вклад в волновую функцию Вселенной, и при этом существует не так много Вселенных, и когда вы делаете измерения, вы помещаете себя в одну Вселенную, а не в другую. Иначе говоря, физика многомировой интерпретации говорит, что квантовую волновую функцию Вселенной можно представить, как суперпозицию состояний – а вовсе не то, что все возможности реализовываются где-то во Вселенной. Многомировая интерпретация полностью допустима, но это не значит, что существуют идентичные нашей параллельные Вселенные.

А мультивселенная 4-го уровня находится так далеко в области предположений и гипотиз, что долго о ней распространяться смысла нет. Она утверждает, что существуют все возможные Вселенные, соответствующие всем возможным математическим конструкциям, которые могут управлять Вселенной.

Итак, отвечая на вопрос читателя:

— наша Вселенная простирается дальше, чем наблюдаемая её часть, и вся она создана во время Большого взрыва, и вся имеет одинаковые законы физики и константы
— из-за инфляции существуют и другие Вселенные, с другими Большими взрывами, но скорее всего, их законы и константы совпадают с нашими
— все они не объединёны причинно-следственными связями с нами и не могут влиять на нас, как и мы на них
— у каждой есть своя уникальная история, и многие, возможно, имеют в себе разумных наблюдателей, ищущих ответы на подобные вопросы