Вселенная, в которой мы живем, огромна, полна материи и энергии и расширяется все быстрее и быстрее. Взглянув за миллиарды световых лет, мы можем увидеть миллиарды лет нашего древнего прошлого, увидеть формирование планет, звезд и галактик. Мы заглянули так далеко, мы нашли облака газа, которые не дали жизнь ни одной звезде, и галактики, которые сформировались, когда наша Вселенная была на 97% моложе. Что особенно любопытно, мы можем наблюдать послесвечение Большого Взрыва, которое осталось с тех пор, когда Вселенной было каких-то 380 000 лет. Но при всем этом космическом великолепии мы никогда не находили свидетельств того, что наша Вселенная сталкивалась с другой вселенной в огромной множественной вселенной. Почему?
В самом деле, если теория множественных вселенных верна, наша расширяющаяся вселенная должна была столкнуться с другой вселенной. Разве нет? В конце концов, наша вселенная сейчас настолько большая, что некоторые описывают ее как бесконечную в своих размерах.
И так утверждает не только логика, но и известный авторитет Роджер Пенроуз. И Пенроуз, и расхожее мнение здесь ошибаются. Наша Вселенная является и должна быть изолирована и одинока в мультивселенной.
Хотя эта тема слишком популярна и противоречива, в пользу существования множественных вселенных говорят сильные физические гипотезы. Если совместить две наших ведущих школы мысли о том, как работает Вселенная, космическую инфляцию и квантовую физику, мы неизбежно придем к тому, что наша Вселенная находится в множественной вселенной. Есть и другое заключение: каждая отдельная Вселенная, которая создается — и каждый Большой Взрыв, который этому предшествует, — будет сразу же и навсегда отделена причинно-следственной связью от других. Почему? Разберет физик Итан Зигель.
Космическая инфляция пришла как дополнение к теории Большого Взрыва, предоставив механизм, объясняющий, почему вселенная началась с определенных условий. В частности, инфляция дала ответ на вопросы о том…
- почему Вселенная была везде одной температуры;
- почему она была пространственно плоской;
- почему не осталось высокоэнергетических реликтов вроде магнитных монополей.
…при этом продолжая оставлять новые прогнозы, нуждающиеся в проверке. Эти прогнозы включают специфический спектр флуктуаций плотности, с которым рождалась Вселенная; максимальную температуру, достигнутую Вселенной на ранних стадиях Большого Взрыва; существование флуктуаций на масштабах, превышающих космический горизонт, и определенный спектр флуктуаций гравитационных волн. Все это, исключая последнее, с тех пор было подтверждено наблюдениями.
Космическая инфляция, если точно, это период до Большого Взрыва, когда во Вселенной преобладала энергия, присущая самому пространству. Сейчас величина темной энергии слишком мала, а во времена инфляции она была несоизмеримо выше: намного больше плотности энергии, когда Вселенная была полна материи и излучения в горячие первые этапы Большого Взрыва.
Поскольку расширение вселенной обусловлено энергией, присущей самому пространству, в период инфляции расширение было экспоненциальным, создавалось новое пространство. Если Вселенная удваивалась в размерах за время n, то через 10 периодов этого времени она была уже в 210 или даже в 21000 раз больше в размерах. За короткий промежуток времени любой неплоский и содержащий материю регион пространства становился неотличим от плоского, и все частицы материи раздувались так далеко друг от друга, что две частицы никогда уже не встретятся.
Впрочем, инфляция не может продолжаться вечно. Энергия, присущая пространству, не может оставаться вечно, иначе и Большого Взрыва бы не было, и Вселенная не родилась бы. Следовательно, энергия должна передаваться из ткани пространства веществу и излучению. Чтобы рассмотреть инфляцию как поле, представьте шар на вершине холма. Пока шар остается наверху, инфляция и экспоненциальное расширение продолжается. Но чтобы инфляция закончилась, какое бы квантовое поле за нее ни отвечало, ему нужно перекатиться из высокоэнергетического нестабильного состояния в низкоэнергетическое равновесное. Этот переход, «скатывание» шара с холма, приводит к концу инфляции и рождает Большой Взрыв.
Впрочем, есть одно но: то, что описано выше, работает как классическое поле, но инфляция должна была, как и все физические поля, быть квантовым по своей природе. Как и все квантовые поля, это описывается волновой функцией, и вероятность волны распространяется со временем. Если значение поля катится достаточно медленно вниз по холму, квантовое распространение волновой функции будет быстрее скатывания, что делает возможным — даже вероятным — наступление Большого Взрыва и конец инфляции.
Поскольку пространство расширяется с экспоненциальной скоростью во время инфляции, это означает, что с течением времени будет появляться экспоненциально большое число регионов пространства. Дело в том, что инфляции не будет заканчиваться везде в одночасье; разные регионы получат разные значения квантовых полей и разные направления. В некоторых регионах инфляция завершится, а поле скатится в долину. В других же инфляция будет продолжаться, давая жизнь новому пространству.
Отсюда рождается феномен вечной инфляции и идея множественных вселенных. Там, где заканчивается инфляция, мы получаем Большой Взрыв и Вселенную — часть которой мы можем наблюдать. Но вокруг регионов, в которых закончилась инфляция и произошел Большой Взрыв, будут также регионы, в которых инфляция не закончилась, и экспоненциальное расширение продолжается. В этих регионах рождается больше расширяющегося пространства, которое отодвигает области, в которых закончилась инфляция, быстрее, чем они способны расширяться. Каждый из новых регионов, в которых будет Большой Взрыв, будет причинно отделен от нашего региона, совсем и навсегда.
Если представить множественную вселенную как огромный океан, можно нарисовать отдельные вселенные, в которых произошел Большой Взрыв, как маленькие пузырьки в океане. Эти пузырьки, как и настоящие пузыри, рождающиеся на дне океана, будут расширяться с течением времени, как расширяется наша Вселенная. Но, в отличие от жидкой воды в океане, «океан» инфляционного пространства-времени расширяется быстрее, чем сами пузырьки когда-либо смогут расширяться. И поскольку пространство между ними растет и будет расти всегда, два пузырька никогда не соприкоснутся.
Было бы огромным сюрпризом, который случился бы вопреки прогнозам инфляционной и квантовой теории, если бы две Вселенных когда-либо столкнулись. Хотя столкновение таких пузырей оставило бы синяк на нашей Вселенной, который мы безотказно выявили бы на послесвечении Большого Взрыва, никаких свидетельств таких синяков нет. Как и предсказывали наши лучшие теории.