Адрес: https://polit.ru/article/2012/05/03/yurov/


03 мая 2012, 09:52

Вселенная из «пузырей»

Прыжок в будущее

Последние годы были отмечены существенным изменением представлений об устройстве Вселенной. Об одной из новых концепций – концепции мультиверса - мы побеседовали с доктором физико-математических наук, профессором, заведующим кафедрой теоретической физики Балтийского федерального университета им. И. Канта Артемом Юровым. Интервью взяла Екатерина Синельщикова.

Что такое мультиверс?

Раньше считалось, что Вселенная, которую мы видим, существует в единственном экземпляре. Теперь мы понимаем, что наблюдаемая нами Вселенная, скорее всего, является всего лишь «пузырьком», а таких «пузырей» на самом деле очень много. Все вместе они и составляют мультиверс. Исторически так закрепилось, что под словом «вселенная» принято понимать все, что есть в мире. Поэтому для отдельных вселенных, составляющих  мультиверс, правильнее использовать термины «пакетные вселенные» или «домены». Грубо говоря – вселенная, в которой мы живем, это раздувающийся пузырь и существует огромное количество других, подобных нашей, расширяющихся пакетных вселенных.

Откуда взялось такое представление о вселенной?

Это предсказания теоретиков. Причем предсказания теоретиков, которые еще лет 30 назад считали это чистой фантазией. Но видите ли в чем дело: физика - это строгая наука, когда она описывает какие-то процессы с помощью уравнений и они оказываются правильными, то обычно все следствия, которые из них дальше вытекают, мы считаем тоже совершенно правильными. В обычной жизни это не так. Мы постоянно используем нечеткие утверждение, из которых нельзя сделать гарантированных предсказаний. Например, «я сыт». Что это значит? Можно ли быть уверенным в том, что тот, кто говорит это, откажется от одной сладкой виноградины или, скажем, от одной устрицы?  Конечно, нет. Эта нечеткость суждений, кстати,  является необходимой питательной средой  для наших политиков, когда, скажем, баллотируясь куда-то, можно обещать одно,  попав на нужное место, делать совсем другое, а комментировать  это вообще третьим способом. И все – заметьте – в рамках закона!   

В физике все совсем по-другому. Если утверждение А доказано, то все, что из него следует, тоже должно быть верным. Например, из А следует миллион  следствий и оказывается, что 999999 этих следствий подтверждено экспериментом, а одно – противоречит опыту. И все! Физики будут считать, что А – целиком неверно.

Я хочу сказать, что

доверять физике и уравнениям, даже когда они говорят самые странные вещи, гораздо, ГОРАЗДО надежней, чем доверять абсолютно всему, что мы говорим словами  в повседневной жизни.

И вот смотрите, что получается: физики, занимающиеся космологией, построили и доказали инфляционную модель (инфляционная модель – это общепринятая доказанная теория о наличии чрезвычайно короткой фазы очень сильно  ускоренного расширения Вселенной сразу после Большого взрыва – Е.С.),  которая решила  множество старых космических загадок и, в частности, объяснила  наконец откуда взялись галактики. Ответ, кстати,  выглядит совершенно поразительно. Вы слышали, наверное, что на очень маленьких масштабах, на уровне атомов (это одна десятимиллиардная сантиметра), Природа демонстрирует совсем необычные свойства, которые описываются квантовой механикой. Скажем, электрон, как волшебник, может просочиться сквозь высокую «стенку», а фотон (квант света) может одновременно отразиться от передней и задней частей куска стекла. Более того, квантовая физика совершенно изменила наше представление о вакууме, т.е. о том, что остается в камере, после того как из нее выкачали все элементарные частицы. Оказывается, что там непременно остается нечто пульсирующее, некий «огонь, мерцающий в сосуде», который невозможно удалить даже в принципе. Этот неустранимый «мерцающий огонь» называется квантовыми флуктуациями, и его обнаружили экспериментально в первой половине прошлого века.

Так вот, возвращаясь к теме происхождения галактик: галактики - это не что иное, как раздутые космологической инфляцией до громадных, космических  размеров квантовые флуктуации! Конечно, поверить в такое очень трудно, но таково предсказание инфляционной теории  и оно четко подтверждено наблюдениями (за проведение которых была присуждена нобелевская премия по физике в 2006).  Так что теперь мы имеем действительно надежную теорию, описывающую то, что происходило во вселенной в первую долю секунды после Большого Взрыва.

Но дело в том, что из этой же теории  точно следует, что

тот же самый механизм, который раздувает галактики, должен раздувать и «вселенные». Это потрясает, но это неизбежное математическое следствие.

Нельзя принимать одно (механизм образования галактик) и сомневаться в другом (рождении новых вселенных). Поэтому у нас появилось абстрактное, пока на бумаге, утверждение, что вселенных ДОЛЖНО  быть много. Так говорит современная теоретическая физика.

А как можно проверить существование мультиверса?

Правильный вопрос. В мире, в котором мы живем, существуют фундаментальные константы, такие, как, например, заряд электрона. Физики-теоретики пока  не знают, как вычислить эти фундаментальные величины из первых принципов. Ну, скажем, почему у стекла такой показатель преломления мы в принципе знаем, (хотя вычислить его очень трудно, но это уже технический вопрос) – поэтому эта величина не относится к фундаментальным постоянным, в отличие от скорости света, постоянной Планка, заряда и массы электрона…Таких констант много и физики всегда мечтали найти фундаментальные уравнения откуда их можно было бы вычислить, но ничего не получалось.

Так было до тех пор, пока ученые не догадались задать «провокационный» вопрос: «А что было бы, если бы константы были хоть чуть-чуть другие? Почему электрон имеет массу именно 9.1095 умножить на десять в степени минус 28 г г?». Ответ получился совершенно неожиданный: потому что при другой массе некому было бы и спрашивать! Вдруг оказалось, что эти константы подобраны невероятно точно. Так точно, что были бы они чуть-чуть другие, и нас бы не существовало.

И сразу возникает вопрос: как это нам так капитально повезло? Первый вариант - Бог создал мир специально, чтобы мы тут жили. Второй, который не привлекает Бога (но и не отрицает его): представить, что есть много вселенных. И в каждой эти константы принимают разные значения. Очевидно, что только в той вселенной, где эти константы имеют вот такие параметры, мы смогли возникнуть и удивиться.

Теория мультиверса стала моделью, которая утверждает, что в разных доменах константы должны принимать совершенно разные значения.

То есть мы поняли, почему мы действительно можем использовать антропный принцип (одна из формулировок антропного принципа - «Мы видим Вселенную такой, потому что только в такой вселенной мог возникнуть наблюдатель» - Е.С.).

Пока далеко не все физики являются сторонниками теории мультиверса?

Я думаю, да. В физике существует здоровый консерватизм. И это очень хорошо. Если бы физики не были жутко консервативными людьми, было бы очень скверно. А мультиверс - это такая сложная и пугающая картина, что в нее действительно трудно поверить. Даже если она математически обоснована, все равно люди будут говорить «дайте непосредственное доказательство, что другие вселенные есть» и в принципе, я их понимаю. Но это те люди, которые космологией не занимаются. А есть такие, кто в этой науке работал лет 10-15 и у них уже созревает понимание, что без этого просто никак.

Ведь это не только с мультиверсом. То же самое было с черными дырами. Когда их предсказали, все теоретики говорили: «Это чистая фантазия!». Да, это вытекает из уравнения Эйнштейна, да, есть такие решения. Решения, которые описывают области, где на границе останавливается время. Но как в это можно поверить? А теперь выяснилось, что черных дыр море. Их открыли и теперь астрофизики без них просто обойтись не могут! А мультиверс - это самая грандиозная концепция, которая когда-либо была у людей. Конечно, нужно время, чтобы это вошло в сознание.

Получается, наша вселенная - одна из множества других пакетных вселенных и почти такая же, как все остальные. Тогда почему до сих пор говорят, что она возникла в результате Большого Взрыва, в то время как другие домены появились из квантовой пены?

Большой Взрыв - это классика, термин, который как бы объясняет происхождение нашей вселенной: она возникла во время «взрыва», причем сразу имела ускорение. Это назвали «взрывом», только к обычному взрыву это не имеет никакого отношения.

Представление о Большом взрыве, как о начале существования нашего «пузыря», появилось тогда, когда все еще думали, что наша вселенная единственная.

Просто в человеческом лексиконе не нашлось более подходящего термина. Но наблюдаемая вселенная, как мы сейчас понимаем, взялась из квантовой пены. Так же, как все остальные.

То есть и в этих пакетных вселенных сначала была сингулярность – бесконечная плотность и температура вещества в начальный момент Большого Взрыва?

Начальная сингулярность - это мутное дело. Физики сейчас думают, что там должна была быть не начальная сингулярность, а та же самая квантовая пена. Но чтобы доказать такие вещи, нужна квантовая теория гравитации (это исследования в теоретической физике, целью которого является квантовое описание гравитационного взаимодействия и объединение гравитации с остальными тремя фундаментальными взаимодействиями – электромагнитное, слабое и сильное поля – Е.С.).

Мы еще очень плохо понимаем, что такое квантовая пена. Теория предсказывает, что там все время возникают раздувающиеся «пузыри», и именно они образуют  громадную мульти-Вселенную, мультиверс, а мы всего лишь ничтожная его часть.

В разных доменах разные физические условия. Это тоже можно объяснить, хотя это сложно, но начало у них у всех примерно одинаковое. Многие из них вообще должны не очень долго существовать. Они раздуваются и лопаются очень быстро. Лишь очень немногие живут долго и раздуваются до таких больших размеров, что в них появляются подходящие условия для возникновения жизни, которая проэволюционировав, начинает задаваться вопросами о происхождении мира, себя и т.д.

А почему некоторые из них схлопываются?

А это предсказывает уравнение: плотность вещества во вселенной все время будет близка к критической. Если плотность будет немного больше, то вселенная схлопнется почти сразу, как только возникнет. Если немного меньше, то она будет раздуваться так быстро, что там не смогут возникнуть галактики. В обоих случаях, наше существование исключено. Но есть малая доля счастливчиков с плотностью практически не отличимой от критической.

Плотность нашей вселенной как раз практически приближена к критической – примерно 10 в степени минус 29 грамм на кубический сантиметр. Это все вытекает из теории инфляции. Кстати,  Нобелевская премия по физике за 2011 года была присуждена  за открытие того, что вселенная расширяется с ускорением. Оказалось, что это открытие  удивительным образом подтверждает теорию инфляции: эта теория предсказывала, что плотность вещества во вселенной должна быть равна критической, но прямые наблюдения астрономов давали гораздо меньшие числа, в сто раз меньшие, чем требовалось. А вот когда обнаружили ускорение вселенной, то сразу задались вопросом: а что ее разгоняет? Это нечто назвали темной энергией и по данным ускорения рассчитали плотность этой темной субстанции. И оказалось, что если ее учесть, плотность всего вещества во вселенной становится как раз равна критической, как и требовала инфляционная модель! Так что все правильно.

Что нам даст принятие гипотезы мультиверса?

Если принять гипотезу мультиверса, из этого будет следовать, что мы появились в одном из случайно выбранных пузырей. Значит,

можно будет применять методы теории вероятности, для того чтобы оценить насколько вероятно возникновение той вселенной, которую мы видим.

И в частности именно на этом пути удалось предсказать вакуумную энергию и рассчитать ее величину. Более того, вероятно именно эта идея поможет нам решить старую-престарую проблему, этакий «философский камень» фундаментальной теоретической физики – научиться рассчитывать массы элементарных частиц.

Дело в том, что эти массы, по современным представлениям, могли бы быть другими! Это определяется величиной так называемого поля Хиггса, кванты которого под названием бозоны Хиггса сейчас очень активно ищут на большом адронном коллайдере. Раз массы частиц могут быть разными, то как же их рассчитать? И вот тут на помощь приходит мультиверс – требование того, чтобы в пузыре могла существовать углеродная жизнь оказывается настолько жестким, что ограничивает возможности выбора. Т.е. физики дошли до очень интересной концепции: чтобы определить самые фундаментальные физические величины, надо использовать факт существования органической жизни! Пока что удалось получить таким образом только величину вакуумной энергии, но недавно появились интересные работы в которых таким вот путем вычисляют массы нейтрино! 

Но все  это, конечно только  косвенное доказательство существования мультиверса. А могут ли быть прямые свидетельства? Раньше думали, что нет. Но тут появились работы, в которых говорится, что это не так, что на самом деле «пузыри» могут сталкиваться на ранних стадиях формирования, и после этих столкновений должны оставаться четкие отпечатки в реликтовом излучении. Эти отпечатки люди уже пытаются обнаружить. Пока не нашли, потому что нужны гораздо более мощные космические телескопы, которые должны вскоре появиться.

А можно ли будет когда-нибудь попасть в другие пакетные вселенные? И если да, то при каких условиях?

Они удаляются друг от друга со скоростью света, вот какая проблема. Значит, уходят практически за горизонт видимости друг друга. Другое дело, если существуют так называемые кротовые норы (гипотетическая особенность пространства-времени, представляющая собой «туннель» в пространстве-времени. Общая теория относительности допускает существование таких туннелей – Е.С.). Кротовые норы - вещь очень интересная и это не только мое скромное мнение. Такие мэтры, как Игорь Новиков и  Николай Кардашов, планируют поискать эти «туннели»  с помощью орбитальной обсерватории «Радиоастрон».  Они предполагают, что некоторые объекты, которые трактуют черными дырами, на самом деле большие кротовые норы.

Кротовые норы для меня еще до сих пор экзотика, хотя я написал пару работ об этом. В частности, уже есть совместная с испанскими коллегами опубликованная статья из которой следует, что если кротовые норы существуют, то путешествие из одной вселенной в другую возможно. Но это чисто математическая работа. Мы просто доказали, что уравнение такое допускает.

Честно говоря, я не верю, что они что-то найдут. Если спорить, то я бы поставил на то, что все-таки не найдут. Знаете, почему? Тут я соглашусь с великим Хокингом (он говорил это в свое время про черные дыры):  если их не найдут, то я получу выигрыш. А если их найдут, это будет так интересно, что я согласен проиграть.

Если гипотеза мультиверса верна, как же быть с общепринятым представлением, что вселенная бесконечна?

Раньше было три варианта предполагаемой формы вселенной: седловидная, трехмерная сфера или плоская. Инфляционная теория доказала, что вселенная наша плоская, т.е. расширение ее бесконечно, плотность практически приближена к критической, а кривизна пространства – нулевая. Конечно, возникает такой вопрос: если внутри наша пакетная вселенная бесконечна, то где остальные? Это интересная штука, но сложна для представления без математики:

вселенная бесконечна только для тех, кто находится внутри нее.

То есть только для нас.  Для тех, кто сможет выйти из нее, а это пока невозможно и я отношусь к этим путешествиям пока как к фантазиям, она будет конечна.

То, что я скажу дальше, будет еще сложнее. Если на этот «пузырь» (нашу вселенную), смотреть снаружи, то он стационарный и вечно существует. Время вне «пузыря» бесконечно, зато изнутри пространство в пузыре кажется конечным. А если смотреть из пузыря, то получается наоборот. То есть то, что является пространством внутри «пузыря» - это время снаружи. На уравнениях это можно просто  показать. Наши студенты это знают, но они будут рисовать вам странную диаграмму, а вы будете просить: «А нельзя по-человечески?». Так что просто поверьте.

Поэтому концепция мультиверса не противоречит тому, что внутри вселенная бесконечна. Например, судя по всему, наша, видимая нами (изнутри) вселенная – бесконечна. Так вот, в ней существует бесконечно много наших с вами двойников.

Представьте себе такое число – единица с 58 нулями. А теперь вообразите другое число – единицу, у которой столько нулей, сколько составляет первое число. Вот на таком расстоянии, в сантиметрах, отсюда, мы с вами точно также беседуем! А ближе имеет место другое развитие нашей беседы, например, позвонил  мобильник и вы вынуждены перенести интервью.  Я понимаю, что это звучит дико, но это совершенно неизбежно. Это следует из двух вещей: вселенная бесконечна и однородно заполнена веществом.

Если она бесконечна и однородна, то даже самые маловероятные события должны где-то происходить.

Но главное то, что квантовая механика, соединенная с теорией относительности, утверждает – число всех возможных историй конечно. Понимаете? Значит на очень больших расстояниях истории начинают повторяться, отсюда и странные, но неизбежные  выводы.   

Получается, где-то есть бесконечное количество других населенных планет, включая и те планеты, где есть люди с такой же внешностью и памятью, как у вас. Это проистекает из того, что существует множество других областей такого же размера, как и наша – это хаббловский объем, в которых есть двойники, проживающие все варианты нашей возможной жизни (наибольшее расстояние, которое человек когда-либо сможет наблюдать, составляет примерно 13-14 миллиардов световых лет, так как столько лет назад произошел Большой Взрыв. Сфера с таким радиусом, в центре которой находимся мы, определяет видимую для нас вселенную, которую назвали хаббловским объемом. Эдвин Хаббл – американский астроном, подтвердивший существование других галактик – Е.С.).

В квантовой механике есть принцип – корпускулярно-волновой дуализм – согласно которому одновременно проявляются корпускулярные и волновые свойства. Правда ли, что именно этот принцип когда-то натолкнул физиков на мысль о существовании мультиверса?

Это действительно так. Разговоры о том, что может быть много вселенных,  впервые появились при попытке дать вразумительную интерпретацию квантовой механики. В 1957 году американский физик Хью Эверетт первым предложил многомировую интерпретацию квантовой механики, для того чтобы как обосновать поразительные свойства электрона - как он умудряется проходить сразу сквозь все щели, находясь одновременно в нескольких местах. Все эти квантовые чудеса объясняются очень просто: если есть много параллельных вселенных, то они должны как-то о себе напоминать.

В это тоже никто не поверил. Но когда через много лет заговорили о мультиверсе, то вспомнили, что такая модель уже существует в квантовой механике. А может быть физики «сверху» и «снизу» говорят об одном и том же? В прошлом году появилась очень интересная работа двух крупных теоретиков – Рафаела Буссо (Беркли)  и Леонарда Саскинда (Стенфорд), которую я еще, честно говоря, не до конца понял, у меня остается много вопросов. Они высказали несколько забавную мысль: если модель, которую построил Эверетт, приводит к одинаковым предсказаниям как в квантовой механике, так и в космологии,

может быть, существует один мультиверс, который одновременно объясняет как космологические проблемы, так и квантовые чудеса, происходящие в лабораториях.

Если квантовая механика  и впрямь проявление мультиверса, то это грандиозно!