|
Мультивселенная. Проблемы, стоящие перед теорией
|
|
|
|
Идея мультивселенной, состоящей из «параллельных вселенных», является популярным научно-фантастическим мемом, недавно исследованным в оскароносном фильме «Все и везде, и все сразу». Однако это находится в пределах научных возможностей. Важно с самого начала заявить, что существование (или отсутствие) мультивселенной является следствием нашего нынешнего понимания фундаментальных законов физики, а не пришло из умов причудливых физиков, читающих слишком много научно-фантастических книг. Существуют разные версии мультивселенной. Первая и, возможно, самая популярная версия исходит из квантовой механики, которая управляет миром атомов и частиц. Он предполагает, что частица может находиться во многих возможных состояниях одновременно — пока мы не измерим систему, и она не выберет одно из них. Согласно одной интерпретации, все квантовые возможности, которые мы не измерили, реализуются в других вселенных.
|
|
|
|
Вторая версия, космологическая мультивселенная, возникает как следствие космической инфляции. Чтобы объяснить тот факт, что сегодняшняя Вселенная везде выглядит примерно одинаково, физик Алан Гут в 1981 году предположил, что ранняя Вселенная претерпела период ускоренного расширения. В этот период инфляции пространство растянулось так, что расстояние между любыми двумя точками раздвинулось быстрее скорости света. Теория инфляции также предсказала существование первичных семян, которые выросли в космологические структуры, такие как звезды и галактики. Это было триумфально обнаружено в 2003 году при наблюдении крошечных колебаний температуры в космическом микроволновом фоне, который является светом, оставшимся от Большого взрыва. Впоследствии она была измерена с исключительной точностью космическими экспериментами WMAP и Planck. Благодаря этому замечательному успеху, космическая инфляция теперь считается де-факто теорией ранней Вселенной большинством космологов.
|
|
|
Но имело место (возможно, непреднамеренное) последствие космической инфляции. Во время инфляции пространство растягивается и сглаживается в очень больших масштабах — обычно намного больше, чем наблюдаемая Вселенная. Тем не менее, космическая инфляция должна в какой-то момент закончиться, иначе наша Вселенная не смогла бы развиться до того состояния, в котором она находится сегодня. Но вскоре физики поняли, что если инфляция действительно верна, то некоторые области пространства-времени будут продолжать инфляцию, даже когда инфляция закончилась в других. Области, которые продолжают раздуваться, можно рассматривать как отдельную раздувающуюся вселенную. Этот процесс продолжается бесконечно, раздувание вселенных приводит к еще большему раздуванию вселенных, создавая мультивселенную.
|
|
|
|
Это явление получило название «вечная инфляция». Впервые описанная физиками Полом Стейнхардтом и Алексом Виленкиным в 1983 году, вечная инфляция оставалась любопытным артефактом космической инфляции до начала 21 века, когда она была объединена с идеей из теории струн, чтобы дать противоречивое, но убедительное объяснение того, почему наши физические законы таковы. какие они сегодня. Теория струн еще не доказана, но в настоящее время мы больше всего надеемся на теорию всего, объединяющую квантовую механику и гравитацию. Однако физически реалистичные теории струн должны иметь десять или более измерений (вместо наших обычных трех пространственных измерений плюс время). Таким образом, чтобы описать нашу нынешнюю вселенную, шесть или более из этих измерений должны быть «компактизированы» — свернуты таким образом, что мы не можем их видеть.
|
|
|
|
Математическая процедура для этого известна. Проблема (кто-то может сказать, особенность) этого процесса состоит в том, что существует по крайней мере 10 500 способов сделать эту компактификацию — и этот умопомрачительно огромный набор возможностей называется «струнным ландшафтом». Каждая компактификация даст другой набор физических законов, потенциально соответствующих другой вселенной. Это вызывает два важных вопроса: где мы находимся в струнном ландшафте и почему? Вечная инфляция дает изящный ответ на первый вопрос: каждая расширяющаяся вселенная мультивселенной реализует свою точку в ландшафте струн, так что все возможные физические законы могут существовать где-то в мультивселенной. Но почему наша Вселенная так хороша в создании разумной жизни, подобной нам? Что ж, некоторые вселенные, с точки зрения статистики, должны быть похожи на нашу — и мы живем во вселенной, в которой мы наблюдаем только наши физические законы.
|
|
|
|
Однако эта точка зрения весьма противоречива — многие утверждают, что это не научный аргумент, и это вызвало интенсивные исследования. Очевидная проблема мультивселенной — ее наблюдаемость. Предположим, что она существует, возможно ли тогда наблюдать другие вселенные, хотя бы в принципе? Для квантовой мультивселенной ответ отрицательный — разные вселенные не сообщаются друг с другом. Но в инфляционной мультивселенной ответ «да, если нам повезет». Поскольку разные вселенные занимают одно и то же физическое пространство, соседние вселенные в принципе могут сталкиваться друг с другом, возможно, оставляя реликвии и отпечатки в нашей наблюдаемой вселенной. Совместное исследование под руководством Хираньи Пейрис из Университетского колледжа Лондона и Мэтью Джонсона из Института периметра показало, что такие столкновения действительно должны оставлять следы на космическом микроволновом фоне (свет, оставшийся после Большого взрыва), которые можно искать, хотя до сих пор эти подписи не обнаружены.
|
|
|
|
Следующая задача — теоретическая. Некоторые теоретики предположили, что большинство вселенных в струнном ландшафте на самом деле математически непоследовательны и не могут существовать так, как наша Вселенная. Вместо этого они существуют в болоте решений — и, в частности, решения теории струн, которые допускают космическую инфляцию, кажется, трудно найти. Между струнными теоретиками и космологами существуют глубокие разногласия по поводу того, может ли теория струн описать инфляцию даже в принципе. Эта загадка одновременно и досадна, и волнующая — она предполагает, что одна из двух идей ошибочна, и любая из них приведет к революции в теоретической физике.
|
|
|
|
Наконец, сама предпосылка космической инфляции сейчас подвергается сомнению. Смысл существования космической инфляции в том, что, независимо от того, как выглядела ранняя Вселенная, инфляция динамически приводила космос к гладкой Вселенной, которую мы видим сегодня. Однако никогда тщательно не исследовалось, действительно ли может начаться космическая инфляция. Это связано с тем, что уравнения, описывающие начало процесса, слишком сложны для аналитического решения. Но сейчас этот вопрос тщательно проверяется несколькими исследовательскими группами по всему миру, в том числе моей собственной в Королевском колледже Лондона, где для решения этих прежде неразрешимых уравнений используются возможности современных высокопроизводительных вычислений. Так что следите за этим пространством.
|
|
|
|
Источник
|
