Существует ли мультивселенная. Пять аргументов в пользу существования Мультивселенной. Что говорил Оккам
Вселенная, в которой мы живём, может быть не единственной.
Хотя такая концепция и может удивлять, за ней стоит отличная физика. И существует не только один способ убедиться в этом — многочисленные физические теории независимо друг от друга приводят к такому выводу. В самом деле, некоторые эксперты считают, что существование скрытых вселенных скорее более вероятно, нежели нет. Вот пять наиболее правдоподобных научных теорий, предполагающих, что мы живём в МегаВселенной.
1. Математические Вселенные
Учёные спорят: математика – это просто полезный инструмент для описания Вселенной, или сама математика и есть фундаментальная реальность — и наши наблюдения за Вселенной всего лишь несовершенные представления о её истинном математическом характере. Если верно последнее, то, возможно, существуют математические инварианты нашей Вселенной.
В этих структурных инвариантах выполняются законы математической логики, порой отличной от логики привычного для нас Мира.
«Математическая структура является тем, что можно описать неким образом, полностью зависящим от человеческого багажа знаний», говорит Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института, который предложил эту идею. «Я действительно считаю, что эта вселенная есть, что она может существовать независимо от меня, и что будет продолжать существовать, даже если не будет никаких людей».
Иными словами, эти инварианты вообще не зависят от наличия человечества, которое пытается их осознать.
2. Дочерние Вселенные
Теория квантовой механики, которая царит в мире субатомных частиц, предлагает ещё один способ существования множественных вселенных. Квантовая механика описывает мир в терминах вероятностей, а не определённых результатов. И математика этой теории предполагает, что все возможные результаты случаются — в их собственных отдельных вселенных.
Например, если вы достигнете перекрёстка, где вы можете пойти направо или налево, настоящая Вселенная порождает две дочерних вселенных: ту, в которой вы идёте налево, и ту, в которой вы идёте направо, и отличить их невозможно.
3. Параллельные Вселенные
Ещё одна идея, которая возникает из теории струн — параллельные вселенные, которые просто парят вне досягаемости нашей собственной. Идея исходит от возможности существования большего числа измерений, чем в нашем мире. В дополнение к нашей собственной трёхмерной реальности пространства, другие трёхмерные реальности могут плавать в многомерном пространстве.
Физик Брайан Грин из Колумбийского университета описывает это так: «Наша Вселенная всего лишь один «блок» из огромного количества «блоков», плавающих в пространстве с множеством измерений».
Некоторые следствия из этой теории предполагают, что время от времени эти параллельные вселенные не всегда параллельны и не всегда вне досягаемости. Иногда они могут врезаться друг в друга, в результате чего происходят Большие Взрывы, что вызывает порождение всё новых и новых вселенных.
4. Пузырьковые Вселенные
В научном мире имеются и другие теории развития вселенных, в том числе теория хаотической инфляции.
Эта теория предполагает, что после Большого Взрыва Вселенная расширялась подобно надуваемому воздушному шарику и часть её успела оформиться в виде «пузыря» привычной для нас Вселенной, давшей возможность сформироваться звёздам.
Но в некоторых частях пространства-времени процессы шли по-иному, и в результате сформировались множество других изолированных вселенных – в виде отдельных «пузырьков», подобно выдуваемым мыльным пузырям – разного размера, на разных стадиях развития с собственными физическими константами и законами.
Концепция была предложена космологом Александром Виленкиным, ныне работающим в университете Тафтса.
5. Бесконечные Вселенные
Учёные считают наиболее вероятной плоскую форму пространства-времени (в отличие от сферической или тороидальной).
Но если пространство-время бесконечно и продолжается вечно, то в какой-то момент оно должно начать повторяться, потому что существует конечное число способов, по которым частицы могут быть расположены в пространстве и времени.
Так что, если пройти достаточно далеко, можно столкнуться с другой вашей версией – и на самом деле, их бесконечное множество. Некоторые из этих близнецов будет делать именно то, что вы делаете сейчас, в то время как другие наденут различные свитера сегодня утром, и они могут иметь совершенно разные карьеры и различные образы жизни.
Поскольку наблюдаемая Вселенная расширяется только в 13,7 млрд. лет после Большого взрыва (что эквивалентно размеру в 13,7 млрд. световых лет), пространство-время за этой границей может считаться самостоятельной отдельной Вселенной. Таким образом, множество вселенных существует рядом друг с другом как гигантское лоскутное одеяло вселенных.
Вы уникальны? В вашем восприятии мира, ответ прост: вы отличаетесь от любого другого человека на этой планете. А наша Вселенная уникальна? Концепция множественных реальностей или параллельных вселенных усложняет этот ответ и бросает вызов: что мы знаем о вселенной и о нас самих?
Одна модель потенциальных множественных вселенных называется теорией множественности миров. Теория может показаться странной и нереальной настолько, что её место в научно-фантастических фильмах, а не в реальной жизни. Тем не менее, нет эксперимента, который может неопровержимо дискредитировать ее обоснованность.
Происхождение гипотезы параллельных вселенных тесно связано с внедрением идеи квантовой механики в начале 1900-х годов. Квантовая механика, раздел физики, который изучает микромир, предсказывает поведение наноскопических объектов. У физиков возникли трудности с подгонкой под математическую модель поведение квантовой материи. Например, фотон, крошечные пучок света, может перемещаться вертикально вверх и вниз при перемещении по горизонтали вперед или назад.
Такое поведение резко контрастирует с объектами, видимыми невооруженным глазом - все, что мы видим, движется либо как волна, либо частица. Эта теория двойственности материи была названа принципом неопределенности Гейзенберга (ПНГ), в котором говорится, что акт наблюдения влияет на величины, такие как скорость и положение.
По отношению к квантовой механике, этот эффект наблюдения может повлиять на форму - частица или волна - квантовых объектов во время измерений. Будущие квантовые теории, например, копенгагенская интерпретация Нильса Бора, использовали ПНГ для утверждения, что наблюдаемый объект не сохраняет свою двойственную природу и может быть только в одном состоянии.
В 1954 году молодой студент Принстонского университета по имени Хью Эверетт предложил радикальное предположение, которое отличалось от популярных моделей квантовой механики. Эверетт не верил, что наблюдение вызывает квантовый вопрос. Вместо этого, он утверждал, что наблюдение квантовой материи создает раскол во вселенной. Другими словами, вселенная создает свои копии с учетом всех вероятностей, и эти дубликаты будут существовать независимо друг от друга. Каждый раз, когда фотон измеряет ученый, например, в одной вселенной и анализирует его в виде волны, тот же ученый в другой вселенной будет анализировать его в форме частицы. Каждая из этих вселенных предлагает уникальную и независимую реальность, которые сосуществуют с другими параллельными вселенными.
Если теория множественности миров Эверетта (ТММ) верна, она содержит множество последствий, которые полностью преобразуют наше восприятие жизни. Любое действие, которое имеет более одного возможного результата, приводит к расколу Вселенной. Таким образом, существует бесконечное число параллельных вселенных и бесконечных копий каждого человека. Эти копии имеют одинаковые лица и тела, но различные личности (один может быть агрессивным, а другой пассивным), поскольку каждый из них получает индивидуальный опыт. Бесконечное число альтернативных реальностей также предполагает, что никто не может достигнуть уникальных достижений. Каждый человек - или другая версия этого человека в параллельной вселенной - сделал или сделает все.
Кроме того, из ТММ следует, что все бессмертны. Старость не перестанет быть верным убийцей, но некоторые альтернативные реальности могут быть настолько научно и технологически продвинутыми, что разработали антивозрастную медицину. Если вы умрете в одном мире, другая версия вас в другом мире выживет.
Самым тревожным последствием параллельных вселенных является то, что ваше восприятие мира нереально. Наша "реальность" на этот момент в одной параллельной вселенной будет полностью отличаться от другого мира; это только крошечная фикция бесконечной и абсолютной истины. Вы можете поверить, что читаете эту статью в данный момент, но есть множество ваших копий, которые не читают. На самом деле, вы даже автор этой статьи в отдаленной реальности. Таким образом, выигрыш приза и принятия решений имеет значения, если мы можем потерять эти награды и выбрать нечто иное? Или жить, стараясь достичь большего, если можем быть в действительности мертвыми в другом месте?
Некоторые ученые, такие как австрийский математик Ганс Моравек, пытались развенчать возможность параллельных вселенных. Моравец разработал в 1987 году знаменитый эксперимент под названием квантовое самоубийство, в котором на человека направлено ружьё, соединенное с механизмом, измеряющим кварк. Каждый раз, когда дергают спусковой механизм, измеряется спин кварка. В зависимости от результата измерения оружие либо выстреливает, либо нет. На основании этого эксперимента ружье выстрелит или не выстрелит в человека с 50-процентной вероятностью для каждого сценария. Если ТММ не верна, то вероятность выживания человека уменьшается после каждого измерения кварка, пока не достигнет нуля.
С другой стороны, ТММ утверждает, что экспериментатор всегда имеет 100% шанс выжить в какой-то параллельной вселенной, и человек сталкивается с квантовым бессмертием.
Когда измеряется кварк, есть две возможности: оружие может либо выстрелить, либо нет. В этот момент, ТММ утверждает, что Вселенная расщепляется на две разные вселенные для учета двух вероятных концовок. Оружие будет выстреливать в одной реальности, но не срабатывать в другой.
По моральным соображениям, ученые не могут использовать эксперимент Моравека, чтобы опровергнуть или подтвердить существование параллельных миров, так как испытуемые могут быть только мертвыми в этой конкретной реальности и все еще живыми в другом параллельном мире. В любом случае, теория множественности миров и ее поразительные последствия бросает вызов всему, что мы знаем о вселенной.
Пока не очень понятно? Ничего страшного...
- Больше «Вселенной», подобной нашей, которая вышла из того же Большого Взрыва, но не наблюдаема.
- Больше Вселенных, подобных нашей, которые вышли из других Больших Взрывов, но родились в том же инфляционном состоянии.
- Или же вселенных может быть много больше - некоторые как наша, а некоторые как нет - с разными постоянными и даже законами.
она все еще конечна и ограничена. Это наша наблюдаемая Вселенная, которая началась с момента горячего Большого Взрыва и которая вмещает все, что только можно осмыслить. И все же, возможно, существует намного больше этого.
Если бы мы были в любом другом месте этой Вселенной, мы бы смогли увидеть все то же количество Вселенной. На самых крупных масштабах, Вселенная однородна более чем на 99,99%, и вариации в ее плотности не превышают 0,01%. Это значит, что если бы нам повезло оказаться где-нибудь еще, мы все так же видели бы сотни миллиардов галактик, около 10 91 частиц, разбросанных на 46 миллиардов световых лет. Мы просто видели бы другой набор галактик и частиц, немного разных в деталях.
Из всего, что мы можем наблюдать, и из всех теоретических догадок, которые нам подбрасывает Вселенная на тему топологии, формы, кривизны и происхождения, мы в полной мере ожидаем, что где-то там есть много больше Вселенной - идентичной по свойствам той, что мы наблюдаем, - но мы ее не видим. И только благодаря тому факту, что Вселенная существовала в течение определенного отрезка времени, мы можем видеть ее конкретную часть. По сути, это простейшее определение мультивселенной: за пределами того, что мы видим, есть много больше ненаблюдаемой Вселенной.
Большинство ученых принимают это как данность, поскольку в противном случае мы бы видели, что Вселенная значительно более изогнута, либо видели повторяющиеся узоры в космическом микроволновом фоне. Отсутствие доказательств этому очевидно указывает, что за пределами известной нам Вселенной есть много больше всего остального. Отсутствие сильной кривизны указывает на то, что нам не видно в сотни раз больше Вселенной; ненаблюдаемая Вселенная намного больше нашей собственной. Но какой бы большой она ни была, она наверняка произошла из одного космического события - того самого Большого Взрыва - миллиарды лет назад.
Но Большой Взрыв не был только «началом» Вселенной. Было состояние до Большого Взрыва, с которого все и началось: космическая инфляция. Это экспоненциальное быстрое расширение самого пространства в молодой Вселенной создавало все больше и больше пространства, пока продолжалось. И если инфляция точно пришла к концу там, где находимся мы, возможно и другое: скорость, с которой инфляция создает новое пространство практически во всех моделях, выше, чем скорость, с которой ей приходит конец и начинается Большой Взрыв. Другими словами, инфляция предсказывает необычайно большое число разъединенных Больших Взрывов, каждый из которых дал начало собственной Вселенной.
Эта мультивселенная еще больше, чем мы думали раньше, и если инфляционное состояние было вечным (а оно могло быть таким), то число вселенных бесконечно, а не конечно. Что странно, поскольку в этих других вселенных, образованных другими большими взрывами, могут быть совершенно другие физические законы и константы. Другими словами, могут быть не просто области с мирами, подобными нашему, но с мирами, которые совершенно отличаются от нашего.
Что же такое мультивселенная? Под ней можно понимать одно из трех:
Мультивселенная может быть конечной в размерах и числе вселенных или же бесконечной. Если вы принимаете Большой Взрыв и современную космологию, тогда первое будет безусловно верным. Если вы принимаете космическую инфляцию (и тому есть веские причины), верно будет второе. Если вы принимаете определенные модели теории струн или других теорий объединения, может быть верно и третье. Что касается вопроса о конечности или бесконечности, то здесь мы пока не знаем наверняка. Существует теорема о том, что инфляция не могла продолжаться вечно, но и в ней есть лазейки, позволяющие инфляции продолжаться вечно.
Одно можно сказать наверняка: мультивселенная существует, и вам не нужно быть ученым, чтобы это признавать. Вопрос в том, какой именно вариант мультивселенной скрывается от нас, а этого мы, возможно, никогда не узнаем.
- Перевод
Если концепция мультивселенной кажется странной, так это потому, что нам нужно поменять наши представления о времени и пространстве
Название изображения, «Гравюра Фламмариона», может быть неизвестным для вас, но вы, скорее всего, много раз его видели. На нём изображён пилигрим в плаще и с посохом. За ним – ландшафт из городов и деревьев. Его окружает кристальная оболочка, испещрённая бесчисленными звёздами. Он достиг края мира, проник на другую его сторону и поражённо взирает на новый мир света, радуг и огня.
Впервые изображение было опубликовано в книге 1888 года французского астронома XIX века Камиля Фламмариона «Атмосфера: Популярная Метеорология». Изначально она была чёрно-белой, хотя сейчас можно встретить и раскрашенные версии. Он отмечает, что небеса действительно выглядят, как купол, на котором закреплены небесные тела, но впечатления обманчивы. «Наши предки, – пишет Фламмарион, – представляли себе, что этот голубой свод и есть такой, каким его видят их глаза. Но, как писал Вольтер, это так же осмысленно, как шелкопряд, прядущий свою сеть до пределов вселенной».
Гравюра рассматривается как символ поиска человечеством знаний, но я предпочитаю видеть в ней более буквальное значение, описываемое Фламмарионом. Много раз в истории науки мы находили разрыв в пограничном знании и протыкали его насквозь. Вселенная не заканчивается за орбитой Сатурна, или за самыми дальними звёздами Млечного пути, или за самыми дальними из видимых нам галактик. Сегодня космологи считают, что могут существовать и совершенно другие вселенные.
Но по сравнению с открытиями квантовой физики это почти банальщина. Это не просто новое отверстие в куполе, а новый тип отверстия. Физики и философы давно спорили по поводу значения квантовой теории, но так или иначе, они соглашаются, что она открывает огромный мир за пределами наших чувств. Возможно, самый простой результат этого принципа – самое прямое прочтение уравнений квантовой теории – многомировая интерпретация, сделанная Хью Эвереттом в 1950-х. С его точки зрения, всё, что может произойти, происходит, где-то в безграничном наборе вселенных, и вероятности квантовой теории представляют относительное число вселенных, в которых происходит один или другой вариант развития событий. Как писал Дэвид Уоллас, философ физики из Университета Южной Калифорнии, в книге 2012 года, «Проявляющаяся мультивселенная» , при буквальном восприятии квантовой механики «мир оказывается гораздо больше, чем мы рассчитывали: в самом деле, наш классический „мир“ оказывается небольшой частью гораздо более крупной реальности».
Этот набор вселенных, на первый взгляд, кажется сильно отличающимся от того, про который толкуют космологи. Космологическая мультивселенная выросла из моделей, пытающихся объяснить однородность Вселенной на масштабах, превышающих галактические. Предполагаемые параллельные вселенные – это удалённые отдельные регионы пространства-времени, возникшие в результате их собственных больших взрывов, развивающиеся из своих пузырей квантовой пены (или из чего там ещё вырастают вселенные). Они существуют примерно так же, как галактики – можно представить себе, как мы садимся на космический корабль и отправляемся к ним.
Но в отличие от этого подхода, многомировая интерпретация Эверетта не уводит нас так далеко. Концепция появилась благодаря попыткам понять процесс лабораторных измерений. Частицы, оставляющие следы в камере Вильсона, атомы, отражаемые магнитами, горячие объекты, испускающие свет: всё это были практические эксперименты, приведшие к созданию квантовой теории и к поискам логически непротиворечивой интерпретации. Квантовое разветвление, происходящее в процессе измерения, создаёт новые миры, накладывающиеся на то же самое пространство, в котором существуем мы.
Однако у этих двух типов мультивселенных есть много общего. Перенестись в любой из типов мы можем только мысленно. Долететь до другой вселенной-пузыря в космическом корабле не получится, ведь пространство будет расширяться быстрее. Поэтому эти пузыри отделены друг от друга. Также мы по природе своей отделены от других вселенных в квантовой мультивселенной. Эти миры, хотя они и реальны, навсегда останутся вне поля нашего зрения.
Более того, хотя квантовая мультивселенная разрабатывалась не для космологии, она удивительно хорошо ей подходит. В общепринятой квантовой механике – в Копенгагенской интерпретации, принятой Нильсом бором и его товарищами – нужно различать наблюдателя и то, за чем он наблюдает. Для обычной физики в лабораториях всё в порядке. Наблюдатель – вы, и наблюдаете вы за экспериментом. Но что, если объект наблюдения – вся вселенная? Вы не можете попасть за её пределы, чтобы её измерить. Многомировая интерпретация не делает таких искусственных разделений. В новой работе физик из Калтеха, Шон Кэррол , вместе с аспирантами Джейсоном Поллаком и Кимберли Бодди, напрямую применяет многомировую интерпретацию к созданию вселенных в космологической мультивселенной. «Все, что в обычной квантовой механике было ни рыба, ни мясо, становится в принципе подсчитываемым с точки зрения Эверетта», – говорит Кэррол.
И, наконец, два вида мультивселенных дают одинаковые прогнозы наблюдений. Разница в том, что они помещают возможные результаты в разные места. Кэррол считает похожими «космологическую мультивселенную, в которой разные состояния находятся в разделённых регионах пространства-времени, и локализованную мультивселенную, где разных состояния находятся прямо здесь, просто в разных ветвях волновой функции».
Космолог из MIT Макс Тегмарк обозначил эту идею во время доклада в 2002 году, эволюционировавшего в его книгу 2014 года, «Наша математическая Вселенная» . Он описывает несколько уровней мультивселенной. Уровень I – крайне отдалённые регионы нашей собственной Вселенной. Уровень III – его обозначение квантового множества миров (уровни II и IV у него тоже встречаются, но речь сейчас не о них). Чтобы увидеть схожесть между уровнями I и III, необходимо задуматься о природе вероятности. Если у чего-либо может быть два результата, вы видите один из них, но можете быть уверены, что другой тоже произошёл – либо в другой части гигантской вселенной, либо прямо тут, в параллельном мире. Если космос достаточно велик и заполнен материей, события, происходящие здесь, на Земле, также произойдут где-то ещё, как и любые возможные варианты этих событий.
К примеру, вы проводите эксперимент, в котором направляете атом на пару магнитов. Вы увидите, как он устремится к нижнему или к верхнему магниту, с вероятностью в 50%. В многомировой интерпретации существуют два мира, пересекающихся в вашей лаборатории. В одном атом идёт вверх, в другом – вниз. В космологической мультивселенной существуют другие вселенные (или части нашей Вселенной) с идентичным близнецом Земли, на котором гуманоид осуществляет точно такой же эксперимент, но с другим результатом. Математически эти ситуации идентичны.
Не всем нравится мультивселенная, особенно схожие варианты мультивселенной. Но учитывая предварительную природу этих гипотез, давайте посмотрим, куда они нас заведут. Они предлагают радикальную идею: что две мультивселенных не обязательно должны быть отдельными – что многомировая интерпретация не отличается от космологической концепции мультивселенной. Если они и кажутся различными, так это оттого, что мы неправильно представляем себе реальность.
Физик из Стэнфорда, Леонард Саскинд, предложил считать их равными в книге 2005 года «Космический ландшафт» . «Многомировая интерпретация Эверетта, на первый взгляд, кажется сильно отличающейся от вечно раздувающейся мегаверса», – пишет он (используя свой собственный термин для мультивселенной). «Однако я думаю, что две интерпретации могут говорить об одном и том же». В 2011 он вместе с Рафаэлем Буссо, физиком из Беркли, написали вместе работу, в которой они утверждают, что две эти идеи идентичны. Они говорят, что единственным способом придать смысл вероятностям, связанным с квантовой механикой и феноменом декогеренции – благодаря которому появляются наши классические категории позиций и скоростей – будет применение многомировой интерпретации к космологии. В результате естественным образом должна получиться космологическая мультивселенная. В том же году Ясунори Номура из Калифорнийского университета в Беркли обосновывал схожую идею в своей работе, где он «обеспечивает унификацию процессов квантовых измерений и мультивселенной». Тегмарк использует примерно ту же аргументацию в работе 2012 года , написанной совместно с Энтони Агуайер из Калифорнийского университета в Санта-Круз.
С этой точки зрения, множество квантовых миров находится не непосредственно рядом с нами, а далеко от нас. Волновая функция, как пишет Тегмарк, описывает не «какой-то непонятный воображаемый набор возможностей того, чем может заниматься объект, а реальную пространственную коллекцию идентичных копий объекта, существующих в бесконечном пространстве».
Суть в том, что нужно как следует подумать о вашей точке зрения. Представьте, что вы смотрите на мультивселенную с позиции бога, с которой видно все реализовывающиеся возможности. Нет никаких вероятностей. Всё происходит с определённостью в одном из мест. С ограниченной точки зрения нашего мира, привязанной к планете Земля, различные события разворачиваются с различными вероятностями. «Мы меняем глобальную картинку, в которой абсолютно всё происходит где-то, но никто не может увидеть всё сразу – на локальную, в которой у вас есть один, в принципе познаваемый, участок», – говорит Буссо.
Многие космологи находят в изображении реликтового излучения доказательства существования гораздо большего пространства, чем мы непосредственно можем наблюдать
Чтобы перейти от глобального к локальному, нам необходимо порезать вселенную, чтобы отделить измеряемое от неизмеряемого. Измеряемое – это наш «каузальный участок», как называет его Буссо. Это сумма всего того, что сможет повлиять на нас – не только наблюдаемая вселенная, но и регион пространства, который будет доступен нашим далёким потомкам. Вырезав наш участок из остального пространства-времени, можно представить, какие наблюдения мы можем провести, и в результате получим квантовую механику в старом стиле.
С этой точки зрения причина неопределённости квантовых событий в том, что мы не знаем, где мы находимся в мультивселенной. В бесконечном пространстве существует бесконечное количество существ, выглядящих и ведущих себя ровно как вы во всём. Главную загадку освещает классическая карикатура из New Yorker. На клочке льда стоит толпа одинаковых пингвинов. Один из них спрашивает: «А кто из нас я?»
У бедного пингвина ещё есть возможность установить своё местонахождение через триангуляцию ближайших плавучих льдов, но в мультивселенной таких опорных точек не существует, поэтому мы никогда не сможем разделить наши множественные копии. Дэвид Дойч – физик из Оксфорда, и, как Кэррол и Тегмарк, верный приверженец многомировой интерпретации – пишет в своей книге «Ткань реальности» : «Предполагать смысл в вопросе, какая из идентичных копий – это я, значит предполагать, что существует некоторая система отсчёта вне мультивселенной, относительно которой можно ответить на этот вопрос: „Я третий слева“. Но что это за „лево“ и что это за „третий“? Нет никакой „точки зрения вне мультивселенной“».
Тегмарк говорит, что, по сути, понятие вероятности в квантовой механике отражает «вашу невозможность найти себя в мультивселенной I уровня, то есть, знать, какая из бесконечного числа ваших копий в пространстве обладает вашим субъективным ощущением». Иначе говоря, события выглядят вероятностными, потому что вы никогда не знаете, кто из вас – вы. Вместо того, чтобы не быть уверенным в том, каким путём пройдёт эксперимент, он идёт всеми путями; вы просто не уверены в том, какой из «вас» наблюдает какой из его результатов.
Для Буссо достаточно математического успеха такого подхода, и он не собирается мучиться бессонницей из-за того, как кто-нибудь будет определять глубинный смысл слившихся мультивселенных. «По сути, важно лишь то, какие предсказания делает ваша теория, и как они соотносятся с наблюдениями, – говорит он. – Регионы, находящиеся за нашим космологическим горизонтом, наблюдать нельзя, как и разветвления волновой функции, на которых мы не оказались. Это просто инструменты, используемые нами для расчётов».
Но такой инструментальный подход к физической теории не удовлетворяет многих. Мы хотим знать, что всё это значит – как чтение показаний с прибора может предавать существование бесконечных пузырей в пространстве-времени. Массимо Пиглюччи , научный философ из Городского университета Нью-Йорка, говорит: «Если вы говорите о реальном разделении вселенной, тогда объясните мне, как точно это происходит, и где конкретно находятся эти другие миры».
Возможно, чтобы понять смысл связи между вариантами мультивселенной, необходимо обновить наше понимание пространства и времени. Если мультивселенная одновременно находится где-то далеко и прямо тут, возможно, это признак того, что наши категории «там» и «тут» подводят нас.
Почти два десятилетия назад Дойч доказывал в своей «Ткани реальности», что мультивселенная изобретает новую концепцию времени. Как в повседневной жизни, так и в физике, мы предполагаем существование чего-то типа ньютоновского вечно текущего времени. Мультивселенную обычно описывают как структуру, раскрывающуюся во времени. На самом же деле время не течёт и не проходит, и мы не движемся по нему неким таинственным способом. Время – это способ, при помощи которого мы определяем движение. Оно не может двигаться. Поэтому мультивселенная не эволюционирует. Она просто существует. Дойч пишет: «Мультивселенная не „появлялась“ и не „исчезает“; эти термины предполагают течение времени».
Вместо того, чтобы представлять, как мультивселенная разворачивается во времени, Дойч считает, что мы должны представлять, как время разворачивается в мультивселенной. Другое время – это просто особые случаи других вселенных. Независимо от него физик Джулиан Барбор также возился с этой идеей в своей книге «Конец времени» 1999 года. Некоторые из этих других вселенных, пишет Дойч, так сильно напоминают нашу – наше «сейчас» – что мы интерпретируем их, как части истории нашей вселенной, а не как отдельные вселенные. Для нас они находятся не где-то в пространстве, а на нашей временной линии. Так же, как мы не можем воспринять всю вселенную за раз, мы не можем воспринять бесконечный массив моментов за раз. Вместо этого наше восприятие отражает нашу перспективу встроенных наблюдателей, живущих единичными моментами. Переходя с глобальной на локальную точку зрения, мы восстанавливаем знакомые признаки времени.
Мультивселенная может исправить и наше представление о пространстве. «Почему мир выглядит классическим?» – спрашивает Кэррол. – Почему пространство-время существует в четырёх измерениях?" Кэррол, сделавший в блоге запись по вопросу объединения мультивселенных, признаёт, что Эверетт не отвечает на эти вопросы, «но даёт вам платформу, на основе которой их можно задавать».
Он верит, что пространство не фундаментально, а является результатом некоего явления. Но откуда оно появляется? Что на самом деле существует? Для Кэррола образ Эверетта даёт простой ответ на этот вопрос. «Мир – это волновая функция, – говорит Кэррол. – Это элемент гильбертового пространства. Вот и всё».
Гильбертово пространство – это математическое пространство, связанное с квантовой волновой функцией. Это абстрактное представление всех возможных состояний системы. Оно немного похоже на евклидово, но количество измерений меняется, и зависит от количества допустимых состояний системы. У кубита – фундаментальной единицы данных в квантовых компьютерах, способной принимать значение 0, 1, или находиться в их суперпозиции, гильбертово пространство двумерно. Непрерывная величина, типа позиции или скорости, соответствует бесконечномерному гильбертовому пространству.
Обычно физики начинают с системы, существующей в реальном пространстве, и выводят из неё гильбертово пространство, но Кэррол считает, что этот процесс можно обратить. Представьте все возможные состояние вселенной и придите к тому, в каком из пространств система должна существовать – если она вообще существует в некоем пространстве. Система может существовать не в одном, а в нескольких пространствах одновременно, и тогда мы будем называть её мультивселенной. Такой взгляд «естественным образом ложится на идею возникающего пространства-времени», – говорит Кэррол.
Некоторые люди – особенно, философы – отказываются от такого подхода. Гильбертово пространство может быть допустимым математическим инструментом, но это не значит, что мы в нём живём. Уоллэс, поддерживающий многомировую интерпретацию, говорит, что гильбертово пространство – это не буквально существующая структура, но способ описания реальных вещей – струн, частиц, полей, или из чего там ещё состоит вселенная. «В метафорическом смысле мы живём в гильбертовом пространстве, но не в буквальном», – говорит он.
Хью Эверетт не дожил до возрождения интереса к его версии квантовой механики. Он умер от сердечного приступа в 1982, в 51 год. Он был непоколебимым атеистом и был уверен в том, что это конец; его жена, следуя его инструкциям, выбросила пепел вместе с мусором. Но его послание, возможно, начинает укореняться. Его можно просуммировать коротко: относитесь серьёзно к квантовой механике. В этом случаем мы обнаруживаем, что мир – сюрприз! – становится богаче и больше, чем мы себе представляли. Так же, как у Вольтера шелкопряд видел только свою сеть, мы видим только небольшой кусочек мультивселенной, но, благодаря Эверетту и его последователям, мы всё ещё можем протиснуться через трещину в кристальной оболочке, «где земля встречается с небом», и бросить беглый взгляд на то, что простирается за их пределами.
Теги:
- вселенная
- мультивселенная
- теория множественных миров
- квантовая физика
- космология
Эволюция снабдила нас интуицией в отношении повседневной физики, жизненно важной для наших далеких предков; поэтому, как только мы выходим за рамки повседневности, мы вполне можем ожидать странностей.
Простейшая и самая популярная космологическая модель предсказывает, что у нас есть двойник в галактике, удаленной на расстояние порядка 10 в степени $10^{28}$ метров. Расстояние столь велико, что находится за пределами досягаемости астрономических наблюдений, но это не делает нашего двойника менее реальным. Предположение основано на теории вероятности без привлечения представлений современной физики. Принимается лишь допущение, что пространство бесконечно и заполнено материей. Может существовать множество обитаемых планет, в том числе таких, где живут люди с такой же внешностью, такими же именами и воспоминаниями, прошедшие те же жизненные перипетии, что и мы.
Но нам никогда не будет дано увидеть наши иные жизни. Самое далекое расстояние, на которое мы способны заглянуть, это то, которое может пройти свет за 14 млрд. лет, протекших с момента Большого взрыва. Расстояние между самыми далекими от нас видимыми объектами составляет около $43\cdot 10^{26}$ м; оно и определяет доступную для наблюдения область Вселенной, называемую объемом Хаббла, или объемом космического горизонта, или просто Вселенной. Вселенные наших двойников представляют собой сферы таких же размеров с центрами на их планетах. Это самый простой пример параллельных вселенных, каждая из которых является лишь малой частью сверхвселенной.
Само определение «вселенная» наводит на мысль, что оно навсегда останется в области метафизики. Однако граница между физикой и метафизикой определяется возможностью экспериментальной проверки теорий, а не существованием неподдающихся наблюдениям объектов. Границы физики постоянно расширяются, включая все более отвлеченные (и бывшие до того метафизическими) представления, например, о шаровидной Земле, невидимых электромагнитных полях, замедлении времени при больших скоростях, суперпозиции квантовых состояний, искривлении пространства и черных дырах. В последние годы к этому перечню добавилось и представление о сверхвселенной. Оно основано на проверенных теориях – квантовой механике и теории относительности – и отвечает обоим основным критериям эмпирической науки: позволяет делать прогнозы и может быть опровергнуто. Ученые рассматривают четыре типа параллельных вселенных. Главный вопрос не в том, существует ли сверхвселенная, а сколько уровней она может иметь.
Уровень I
За нашим космическим горизонтом
Параллельные вселенные наших двойников составляют первый уровень сверхвселенной. Это наименее спорный тип. Мы все признаем существование вещей, которых мы не видим, но могли бы увидеть, переместившись в другое место или просто подождав, как ждем появления корабля из(за горизонта. Подобный статус имеют объекты, находящиеся за пределами нашего космического горизонта. Размер доступной наблюдению области Вселенной ежегодно увеличивается на один световой год, поскольку нас достигает свет, исходящий из все более далеких областей, за которыми скрывается бесконечность, которую еще предстоит увидеть. Мы, вероятно, умрем задолго до того, как наши двойники окажутся в пределах досягаемости для наблюдений, но если расширение Вселенной поможет, наши потомки смогут увидеть их в достаточно мощные телескопы.
Уровень I сверхвселенной представляется до банальности очевидным. Как может пространство не быть бесконечным? Разве есть где(нибудь знак «Берегись! Конец пространства»? Если существует конец пространства, то что находится за ним? Однако теория гравитации Эйнштейна поставила это интуитивное представление под сомнение. Пространство может быть конечным, если оно имеет положительную кривизну или необычную топологию. Сферическая, тороидальная или «кренделевидная» вселенная может иметь конечный объем, не имея границ. Фоновое космическое микроволновое излучение позволяет проверить существование подобных структур. Однако до сих пор факты говорят против них. Данным соответствует модель бесконечной вселенной, а на все прочие варианты наложены строгие ограничения.
Другой вариант таков: пространство бесконечно, но материя сосредоточена в ограниченной области вокруг нас. В одном из вариантов некогда популярной модели «островной Вселенной» принимается, что на больших масштабах вещество разрежается и имеет фрактальную структуру. В обоих случаях почти все вселенные в сверхвселенной уровня I должны быть пусты и безжизненны. Последние исследования трехмерного распределения галактик и фонового (реликтового) излучения показали, что распределение вещества стремится к однородному в больших масштабах и не образует структур размером более 1024 м. Если такая тенденция сохраняется, то пространство за пределами наблюдаемой Вселенной должно изобиловать галактиками, звездами и планетами.
Для наблюдателей в параллельных вселенных первого уровня действуют те же законы физики, что и для нас, но при иных стартовых условиях. Согласно современным теориям, процессы, протекавшие на начальных этапах Большого взрыва, беспорядочно разбросали вещество, так что была вероятность возникновения любых структур. Космологи принимают, что наша Вселенная с почти однородным распределением вещества и начальными флуктуациями плотности порядка 1/105 весьма типична (по крайней мере, среди тех, в которых есть наблюдатели). Оценки на основе этого допущения показывают, что ваша ближайшая точная копия находится на расстоянии 10 в степени $10^{28}$ м. На расстоянии 10 в степени $10^{92}$ м должна располагаться сфера радиусом 100 световых лет, идентичная той, в центре которой находимся мы; так что все, что в следующем веке увидим мы, увидят и находящиеся там наши двойники. На расстоянии около 10 в степени $10^{118}$ м от нас должен существовать объем Хаббла, идентичный нашему.
Эти оценки выведены путем подсчета возможного числа квантовых состояний, которые может иметь объем Хаббла, если его температура не превышает 108 К. Число состояний можно оценить, задавшись вопросом: сколько протонов способен вместить объем Хаббла с такой температурой? Ответ – $10^{118}$ . Однако каждый протон может либо присутствовать, либо отсутствовать, что дает 2 в степени $10^{118}$ возможных конфигураций. «Короб», содержащий такое количество объемов Хаббла, охватывает все возможности. Размер его составляет 10 в степени $10^{118}$ м. За его пределами вселенные, включая нашу, должны повторяться. Примерно те же цифры можно получить на основе термодинамических или квантовогравитационных оценок общего информационного содержания Вселенной. Впрочем, наш ближайший двойник скорее всего находится к нам ближе, чем дают эти оценки, поскольку процесс формирования планет и эволюция жизни благоприятствуют этому. Астрономы полагают, что наш объем Хаббла содержит по крайней мере $10^{20}$ пригодных для жизни планет, некоторые из которых могут быть похожи на Землю.
ОБЗОР: СВЕРХВСЕЛЕННЫЕ
- Астрономические наблюдения свидетельствуют: параллельные вселенные уже не метафора. Пространство, по-видимому, бесконечно, а значит, все возможное становится реальным. За пределами досягаемости телескопов существуют области пространства, идентичные нашей и в этом смысле являющиеся параллельными вселенными. Ученые даже могут вычислить, как далеко они от нас находятся.
- Когда же космологи рассматривают некоторые спорные теории, то приходят к выводу, что другие вселенные могут иметь совершенно иные свойства и физические законы. Существование таких вселенных может объяснить особенности нашей Вселенной и ответить на фундаментальные вопросы о природе времени и познаваемости физического мира.
В современной космологии понятие сверхвселенной уровня I широко применяется для проверки теории. Рассмотрим, как используют космологи реликтовое излучение для того, чтобы отвергнуть модель конечной сферической геометрии. Горячие и холодные «пятна» на картах реликтового излучения имеют характерный размер, зависящий от кривизны пространства. Так вот, размер наблюдаемых пятен слишком мал, чтобы согласоваться со сферической геометрией. Их средний размер случайным образом меняется от одного объема Хаббла к другому, поэтому не исключено, что наша Вселенная сферическая, но имеет аномально малые пятна. Когда космологи говорят, что они исключают сферическую модель на доверительном уровне 99,9%, они имеют в виду, что если модель верна, то меньше чем один объем Хаббла из тысячи будет характеризоваться столь малыми пятнами, как наблюдаемые.
Из этого следует, что теория сверхвселенной поддается проверке и может быть отвергнута, хотя мы и не в состоянии видеть иные вселенные. Главное – предсказать, что представляет собой ансамбль параллельных вселенных, и найти распределение вероятностей или то, что математики называют мерой ансамбля. Наша Вселенная должна быть одной из наиболее вероятных. Если же нет, если в рамках теории сверхвселенной наша Вселенная окажется маловероятной, то эта теория столкнется с трудностями. Как мы увидим далее, проблема меры может стать весьма острой.
Уровень II
Другие постинфляционные домены
Если вам трудно было представить сверхвселенную уровня I, то попытайтесь вообразить бесконечное множество таких сверхвселенных, часть которых имеет иную размерность пространства(времени и характеризуется иными физическими константами. В совокупности они составляют сверхвселенную уровня II, предсказанную теорией хаотической вечной инфляции.
Теория инфляции – это обобщение теории Большого взрыва, позволяющее устранить недочеты последней, например, неспособность объяснить, почему Вселенная столь велика, однородна и плоска. Быстрое растяжение пространства в давние времена позволяет объяснить эти и многие другие свойства Вселенной. Такое растяжение предсказывается широким классом теорий элементарных частиц, и все имеющиеся свидетельства подтверждают его. Выражение «хаотическая вечная» по отношению к инфляции указывает на то, что происходит в самых крупных масштабах. В целом пространство постоянно растягивается, но в некоторых областях расширение прекращается, и возникают отдельные домены, как изюминки в поднимающемся тесте. Появляется бесконечное множество таких доменов, и каждый из них служит зародышем сверхвселенной уровня I, заполненной веществом, рожденным энергией поля, вызывающего инфляцию.
Соседние домены удалены от нас более чем на бесконечность, в том смысле, что их невозможно достичь, даже если вечно двигаться со скоростью света, поскольку пространство между нашим доменом и соседними растягивается быстрее, чем можно перемещаться в нем. Наши потомки никогда не увидят своих двойников на уровне II. А если расширение Вселенной ускоряется, как о том свидетельствуют наблюдения, то они никогда не увидят своих двойников даже на уровне I.
Сверхвселенная уровня II гораздо разнообразнее сверхвселенной уровня I. Домены различаются не только начальными условиями, но и своими фундаментальными свойствами. У физиков преобладает мнение, что размерность пространства-времени, свойства элементарных частиц и многие так называемые физические константы не встроены в физические законы, а являются результатом процессов, известных как нарушение симметрии. Предполагают, что пространство в нашей Вселенной некогда имело девять равноправных измерений. В начале космической истории три из них приняли участие в расширении и стали теми тремя измерениями, которые характеризуют сегодняшнюю Вселенную. Шесть остальных сейчас невозможно обнаружить либо потому, что они остались микроскопическими, сохранив тороидальную топологию, либо потому, что вся материя сосредоточена в трехмерной поверхности (мембране, или просто бране) в девятимерном пространстве. Так была нарушена исходная симметрия измерений. Квантовые флуктуации, обусловливающие хаотическую инфляцию, могли вызвать различные нарушения симметрии в разных кавернах. Одни могли стать четырехмерными; другие – содержать только два, а не три поколения кварков; а третьи – иметь более сильную космологическую постоянную, чем наша Вселенная.
Космологические данные позволяют сделать вывод, что пространство существует и за пределами обозреваемой нами Вселенной. С помощью спутника WMAP были измерены флуктуации реликтового излучения (слева). Самые сильные имеют угловой размер чуть более полуградуса (левый график), откуда следует, что пространство очень велико или бесконечно. (Правда, некоторые космологи считают, что выпадающая точка слева на графике говорит о конечности пространства.) Данные спутника и обзор красных смещений галактик 2dF свидетельствуют, что в очень больших масштабах пространство заполнено веществом однородно (правый график), а значит, другие вселенные должны быть в основном подобны нашей.
Другой путь возникновения сверхвселенной уровня II можно представить как цикл рождений и разрушений вселенных. В 1930(е гг. физик Ричард Толмен (Richard C. Tolman) высказал эту идею, а недавно Пол Стейнхардт (Paul J. Steinhardt) из Принстонского университета и Нил Тьюрок (Neil Turok) из Кембриджского университета развили ее. Модель Стейнхардта и Тьюрока предусматривает вторую трехмерную брану, совершенно параллельную нашей и лишь смещенную относительно нее в измерении более высокого порядка. Эту параллельную вселенную нельзя считать отдельной, поскольку она взаимодействует с нашей. Однако ансамбль вселенных – прошлых, нынешних и будущих, который эти браны образуют, представляет собой сверхвселенную с разнообразием, по(видимому, близким к возникающему в результате хаотической инфляции. Еще одну гипотезу сверхвселенной предложил физик Ли Смолин (Lee Smolin) из Института Периметра в г. Ватерлоо (пров. Онтарио, Канада). Его сверхвселенная по разнообразию близка к уровню II, но она мутирует и порождает новые вселенные посредством черных дыр, а не бран.
Хотя мы и не можем взаимодействовать с параллельными вселенными уровня II, космологи судят об их существовании по косвенным признакам, поскольку они могут быть причиной странных совпадений в нашей Вселенной. Например, в гостинице вам предоставляют номер 1967, и вы отмечаете, что родились в 1967 г. «Какое совпадение», – говорите вы. Однако, подумав, приходите к выводу, что это не так уж и удивительно. В гостинице сотни номеров, и вам не пришло бы в голову задумываться о чем-либо, если бы предложили номер, ничего для вас не значащий. Если бы вы ничего не знали о гостиницах, то для объяснения этого совпадения вы могли бы предположить, что в гостинице существуют и другие номера.
В качестве более близкого примера рассмотрим массу Солнца. Как известно, светимость звезды определяется ее массой. С помощью законов физики мы можем вычислить, что жизнь на Земле может существовать лишь при условии, что масса Солнца лежит в пределах: от 1,6 х1030 до 2,4 х1030 кг. В противном случае климат Земли был бы холоднее, чем на Марсе, или жарче, чем на Венере. Измерения массы Солнца дали значение 2,0х1030 кг. На первый взгляд, попадание массы Солнца в интервал значений, обеспечивающий жизнь на Земле, является случайным. Массы звезд занимают диапазон от 1029 до 1032 кг; если бы Солнце приобрело свою массу случайно, то шанс попасть именно в оптимальный для нашей биосферы интервал был бы крайне мал. Кажущееся совпадение можно объяснить, предположив существование ансамбля (в данном случае – множества планетных систем) и фактора отбора (наша планета должна быть пригодной для жизни). Такие критерии отбора, связанные с наблюдателем, называют антропными; и хотя упоминание о них обычно вызывает полемику, все же большинство физиков согласно, что пренебрегать этими критериями при отборе фундаментальных теорий нельзя.
А какое отношение все эти примеры имеют к параллельным вселенным? Оказывается, небольшое изменение физических констант, определяемых нарушением симметрии, приводит к качественно иной вселенной – такой, в которой мы бы не могли существовать. Будь масса протона больше всего на 0,2%, протоны распадались бы с образованием нейтронов, делая атомы нестабильными. Будь силы электромагнитного взаимодействия слабее на 4%, не существовало бы водорода и обычных звезд. Будь слабое взаимодействие еще слабее, не было бы водорода; а будь оно сильнее, сверхновые не могли бы заполнять межзвездное пространство тяжелыми элементами. Будь космологическая постоянная заметно больше, Вселенная невероятно раздулась бы еще до того, как смогли образоваться галактики.
Приведенные примеры позволяют ожидать существование параллельных вселенных с иными значениями физических констант. Теория сверхвселенной второго уровня предсказывает, что физики никогда не смогут вывести значения этих констант из фундаментальных принципов, а смогут лишь рассчитывать распределение вероятностей различных наборов констант в совокупности всех вселенных. При этом результат должен согласоваться с нашим существованием в одной из них.
Уровень III
Квантовое множество вселенных
Сверхвселенные уровней I и II содержат параллельные вселенные, чрезвычайно удаленные от нас за пределы возможностей астрономии. Однако следующий уровень сверхвселенной лежит прямо вокруг нас. Он возникает из знаменитой и весьма спорной интерпретации квантовой механики – идеи о том, что случайные квантовые процессы заставляют вселенную «размножаться», образуя множество своих копий – по одной для каждого возможного результата процесса.
В начале ХХ в. квантовая механика объяснила природу атомного мира, который не подчинялся законам классической ньютоновской механики. Несмотря на очевидные успехи, среди физиков шли жаркие споры о том, в чем же истинный смысл новой теории. Она определяет состояние Вселенной не в таких понятиях классической механики, как положения и скорости всех частиц, а через математический объект, называемый волновой функцией. Согласно уравнению Шрёдингера, это состояние изменяется с течением времени таким образом, который математики определяют термином «унитарный». Он означает, что волновая функция вращается в абстрактном бесконечномерном пространстве, называемом гильбертовым. Хотя квантовую механику часто определяют как принципиально случайную и неопределенную, волновая функция эволюционирует вполне детерминистским образом. В отношении нее нет ничего случайного или неопределенного.
Самое трудное – связать волновую функцию с тем, что мы наблюдаем. Многие допустимые волновые функции соответствуют противоестественным ситуациям вроде той, когда кошка одновременно и мертва, и жива в виде так называемой суперпозиции. В 20(е гг. XX в. физики обошли эту странность, постулировав, что волновая функция коллапсирует к некоторому определенному классическому исходу, когда кто(либо осуществляет наблюдение. Это дополнение позволило объяснить результаты наблюдений, но превратило изящную унитарную теорию в неряшливую и не унитарную. Принципиальная случайность, приписываемая обычно квантовой механике, является следствием именно этого постулата.
Со временем физики отказались от этой точки зрения в пользу другой, предложенной в 1957 г. выпускником Принстонского университета Хью Эвереттом (Hugh Everett III). Он показал, что можно обойтись и без постулата о коллапсе. Чистая квантовая теория не налагает никаких ограничений. Хотя она и предсказывает, что одна классическая реальность постепенно расщепляется на суперпозицию нескольких таких реальностей, наблюдатель субъективно воспринимает это расщепление просто как небольшую хаотичность с распределением вероятностей, в точности совпадающим с тем, которое давал старый постулат коллапса. Эта суперпозиция классических вселенных и есть сверхвселенная уровня III.
Более сорока лет такая интерпретация смущала ученых. Однако физическую теорию легче понять, сравнивая две точки зрения: внешнюю, с позиции физика, изучающего математические уравнения (подобно птице, оглядывающей пейзаж с высоты своего полета); и внутреннюю, с позиции наблюдателя (назовем его лягушкой), живущего на ландшафте, обозреваемом птицей.
С точки зрения птицы, сверхвселенная уровня III является простой. Существует всего одна волновая функция, которая плавно эволюционирует во времени без расщепления и параллелизма. Абстрактный квантовый мир, описываемый эволюционирующей волновой функцией, содержит в себе огромное количество непрерывно расщепляющихся и сливающихся линий параллельных классических историй, а также ряд квантовых явлений, не поддающихся описанию в рамках классических представлений. Но с точки зрения лягушки, можно видеть только малую часть этой реальности. Она может видеть вселенную уровня I, однако процесс нарушения когерентности, подобный коллапсу волновой функции, но с сохранением унитарности, не позволяет ей видеть параллельные копии самой себя на уровне III.
Когда наблюдателю задают вопрос, на который он должен быстро дать ответ, квантовый эффект в его мозге приводит к суперпозиции решений вроде такой: «продолжать читать статью» и «бросить читать статью». С точки зрения птицы, акт принятия решения заставляет человека размножиться на копии, одни из которых продолжают читать, а другие прекращают чтение. Однако с внутренней точки зрения, ни один из двойников не знает о существовании других и воспринимает расщепление просто как небольшую неопределенность, некоторую вероятность продолжения или прекращения чтения.
Сколь бы странным это ни казалось, но точно такая же ситуация возникает даже в супервселенной уровня I. Очевидно, вы решили продолжать чтение, но кто(то из ваших двойников в далекой галактике отложил журнал после первого же абзаца. Уровни I и III различаются только тем, где находятся ваши двойники. На уровне I они живут где(то далеко, в добром старом трехмерном пространстве, а на уровне III – на другой квантовой ветви бесконечномерного гильбертова пространства.
Существование уровня III возможно лишь при условии, что эволюция волновой функции во времени унитарна. До сих пор эксперименты не выявили ее отклонений от унитарности. В последние десятилетия ее подтверждали для всех более крупных систем, включая фуллерен С60 и оптические волокна километровой длины. В теоретическом плане положение об унитарности было подкреплено открытием нарушения когерентности. Некоторые теоретики, работающие в области квантовой гравитации, ставят ее под сомнение. В частности, предполагается, что испаряющиеся черные дыры могут разрушать информацию, а это не унитарный процесс. Однако недавние достижения в теории струн позволяют считать, что даже квантовое тяготение является унитарным. Если это так, то черные дыры не разрушают информацию, а просто передают ее куда-то.
Если физика унитарна, стандартная картина влияния квантовых флуктуаций на начальных этапах Большого взрыва должна быть изменена. Эти флуктуации не случайным образом определяют суперпозицию всех возможных начальных условий, которые сосуществуют одновременно. При этом нарушение когерентности заставляет начальные условия вести себя классическим образом на различных квантовых ветвях. Ключевое положение гласит: распределение исходов на разных квантовых ветвях одного объема Хаббла (уровень III) идентично распределению исходов в разных объемах Хаббла одной квантовой ветви (уровень I). Это свойство квантовых флуктуаций известно в статистической механике как эргодичность.
Эти же рассуждения применимы к уровню II. Процесс нарушения симметрии приводит не к однозначному исходу, а к суперпозиции всех исходов, которые быстро расходятся по своим отдельным путям. Таким образом, если физические константы, размерность пространства(времени и проч. могут различаться в параллельных квантовых ветвях на уровне III, то они будут так же различаться в параллельных вселенных на уровне II.
Иными словами, сверхвселенная уровня III не добавляет ничего нового к тому, что имеется на уровнях I и II, лишь большее число копий тех же самых вселенных – такие же исторические линии развиваются снова и снова на разных квантовых ветвях. Горячие споры вокруг теории Эверетта, похоже, скоро утихнут в результате открытия столь же грандиозных, но менее спорных сверхвселенных уровней I и II.
Приложения этих идей глубоки. Например, такой вопрос: происходит ли экспоненциальное увеличение числа вселенных со временем? Ответ неожиданный: нет. С точки зрения птицы, существует только одна квантовая вселенная. А каково число отдельных вселенных в данный момент для лягушки? Это число заметно различающихся объемов Хаббла. Различия могут быть невелики: представьте себе планеты, движущиеся в иных направлениях, вообразите себя с кем(то другим в браке и т.д. На квантовом уровне существуют 10 в степени 10118 вселенных с температурой не выше 108 К. Число гигантское, но конечное.
Для лягушки эволюция волновой функции соответствует бесконечному движению от одного из этих 10 в степени $10^{118}$ состояний к другому. Сейчас вы находитесь во вселенной А, где и читаете это предложение. А теперь вы уже во вселенной В, где читаете следующее предложение. Иначе говоря, в В есть наблюдатель, идентичный наблюдателю во вселенной А, с той лишь разницей, что у него есть лишние воспоминания. В каждый момент существуют все возможные состояния, так что течение времени может происходить перед глазами наблюдателя. Эту мысль выразил в своем научнофантастическом романе «Город перестановок» (1994 г.) писатель Грег Иган (Greg Egan) и развили физик Дэвид Дойч (David Deutsch) из Оксфордского университета, независимый физик Джулиан Барбу (Julian Barbour) и др. Как видим, идея сверхвселенной может играть ключевую роль в понимании природы времени.
Уровень IV
Другие математические структуры
Начальные условия и физические константы в сверхвселенных уровней I, II и III могут различаться, но фундаментальные законы физики одинаковы. Почему мы на этом остановились? Почему не могут различаться сами физические законы? Как насчет вселенной, подчиняющейся классическим законам без каких(либо релятивистских эффектов? Как насчет времени, движущегося дискретными шагами, как в компьютере? А как насчет вселенной в виде пустого додекаэдра? В сверхвселенной уровня IV все эти альтернативы действительно существуют.
СВЕРХВСЕЛЕННАЯ УРОВНЯ IV
Вселенные могут различаться не только местоположением, космологическими свойствами или квантовыми состояниями, но и законами физики. Они существуют вне времени и пространства, и их почти невозможно изобразить. Человек может рассматривать их только абстрактно как статические скульптуры, представляющие математические структуры физических законов, которые управляют ими. Рассмотрим простую вселенную, состоящую из Солнца, Земли и Луны, подчиняющихся законам Ньютона. Для объективного наблюдателя такая вселенная представляется кольцом (орбита Земли, «размазанная» во времени), обернутым «оплеткой» (орбита Луны вокруг Земли). Другие формы олицетворяют иные физические законы (a, b, c, d). Этот подход позволяет разрешить ряд фундаментальных проблем физики.
О том, что такая сверхвселенная не является абсурдной, свидетельствует соответствие мира отвлеченных рассуждений нашему реальному миру. Уравнения и другие математические понятия и структуры – числа, векторы, геометрические объекты – описывают реальность с удивительным правдоподобием. И наоборот, мы воспринимаем математические структуры как реальные. Да они и отвечают фундаментальному критерию реальности: одинаковы для всех, кто их изучает. Теорема будет верна независимо от того, кто ее доказал – человек, компьютер или интеллектуальный дельфин. Другие любознательные цивилизации найдут те же математические структуры, какие знаем мы. Поэтому математики говорят, что они не создают, а открывают математические объекты.
Существуют две логичные, но диаметрально противоположные парадигмы соотношения математики и физики, возникшие еще в древние времена. Согласно парадигме Аристотеля, физическая реальность первична, а математический язык является лишь удобным приближением. В рамках парадигмы Платона, истинно реальны именно математические структуры, а наблюдатели воспринимают их несовершенно. Иными словами, эти парадигмы различаются пониманием того, что первично – лягушачья точка зрения наблюдателя (парадигма Аристотеля) или птичий взгляд с высоты законов физики (точка зрения Платона).
Парадигма Аристотеля – это то, как мы воспринимали мир с раннего детства, задолго то того, как впервые услышали о математике. Точка зрения Платона – это приобретенное знание. Современные физики(теоретики склоняются к ней, предполагая, что математика хорошо описывает Вселенную именно потому, что Вселенная математична по своей природе. Тогда вся физика сводится к решению математической задачи, и безгранично умный математик может лишь на основе фундаментальных законов рассчитать картину мира на уровне лягушки, т.е. вычислить, какие наблюдатели существуют во Вселенной, что они воспринимают и какие языки они изобрели для передачи своего восприятия.
Математическая структура – абстракция, неизменная сущность вне времени и пространства. Если бы история была кинофильмом, то математическая структура соответствовала не одному кадру, а фильму в целом. Возьмем для примера мир, состоящий из частиц нулевых размеров, распределенных в трехмерном пространстве. С точки зрения птицы, в четырехмерном пространстве(времени траектории частиц представляют собой «спагетти». Если лягушка видит частицы движущимися с постоянными скоростями, то птица видит пучок прямых, не сваренных «спагетти». Если лягушка видит две частицы, обращающиеся по орбитам, то птица видит две «спагеттины», свитые в двойную спираль. Для лягушки мир описывают законы движения и тяготения Ньютона, для птицы – геометрия «спагетти», т.е. математическая структура. Сама лягушка для нее – толстый их клубок, сложное переплетение которых соответствует группе частиц, хранящих и перерабатывающих информацию. Наш мир сложнее рассмотренного примера, и ученые не знают, какой из математических структур он соответствует.
В парадигме Платона заключен вопрос: почему наш мир таков, каков он есть? Для Аристотеля это бессмысленный вопрос: мир есть, и он таков! Но последователи Платона интересуются: а мог бы наш мир быть иным? Если Вселенная математична по сути, то почему в ее основе лежит только одна из множества математических структур? Похоже, что фундаментальная асимметрия заключена в самой сути природы.
Чтобы разгадать головоломку, я выдвинул предположение, что математическая симметрия существует: что все математические структуры реализуются физически, и каждая из них соответствует параллельной вселенной. Элементы этой сверхвселенной не находятся в одном и том же пространстве, но существуют вне времени и пространства. В большинстве из них, вероятно, нет наблюдателей. Гипотезу можно рассматривать как крайний платонизм, утверждающий, что математические структуры платоновского мира идей, или «умственного пейзажа» математика Руди Ракера (Rudy Rucker) из Университета Сан-Хосе, существуют в физическом смысле. Это сродни тому, что космолог Джон Барроу (John D. Barrow) из Кембриджского университета называл «p в небесах», философ Роберт Нозик (Robert Nozick) из Гарвардского университета описывал как «принцип плодовитости», а философ Дэвид Льюис (David K. Lewis) из Принстонского университета именовал «модальной реальностью». Уровень IV замыкает иерархию сверхвселенных, поскольку любая самосогласованная физическая теория может быть выражена в форме некой математической структуры.
Гипотеза о сверхвселенной уровня IV позволяет сделать несколько поддающихся проверке предсказаний. Как и на уровне II, она включает ансамбль (в данном случае – совокупность всех математических структур) и эффекты отбора. Занимаясь классификацией математических структур, ученые должны заметить, что структура, описывающая наш мир, является наиболее общей из тех, что согласуются с наблюдениями. Поэтому результаты наших будущих наблюдений должны стать наиболее общими из числа тех, которые согласуются с данными прежних исследований, а данные прежних исследований – самыми общими из тех, что вообще совместимы с нашим существованием.
Оценить степень общности – непростая задача. Одна из поразительных и обнадеживающих черт математических структур состоит в том, что свойства симметрии и инвариантности, обеспечивающие простоту и упорядоченность нашей Вселенной, как правило, являются общими. Математические структуры обычно обладают этими свойствами по умолчанию, и для избавления от них требуется введение сложных аксиом.
Что говорил Оккам?
Таким образом, теории параллельных вселенных имеют четырехуровневую иерархию, где на каждом следующем уровне вселенные все менее напоминают нашу. Они могут характеризоваться различными начальными условиями (уровень I), физическими константами и частицами (уровень II) или физическими законами (уровень IV). Забавно, что наибольшей критике в последние десятилетия подвергался уровень III как единственный, не вводящий качественно новых типов вселенных.
В грядущем десятилетии детальные измерения реликтового излучения и крупномасштабного распределения вещества во Вселенной позволят точнее определить кривизну и топологию пространства и подтвердить или опровергнуть существование уровня I. Эти же данные позволят получить сведения об уровне II путем проверки теории хаотической вечной инфляции. Успехи астрофизики и физики частиц высоких энергий помогут уточнить степень тонкой настройки физических констант, подкрепив или ослабив позиции уровня II.
Если усилия по созданию квантового компьютера будут успешными, появится дополнительный довод в пользу существования уровня III, поскольку для параллельных вычислений будет использоваться параллелизм этого уровня. Экспериментаторы ищут также свидетельства нарушения унитарности, которые позволят отвергнуть гипотезу о существовании уровня III. Наконец, успех или провал попытки решить главнейшую задачу современной физики – объединить общую теорию относительности с квантовой теорией поля – даст ответ на вопрос об уровне IV. Либо будет найдена математическая структура, точно описывающая нашу Вселенную, либо мы наткнемся на предел невероятной эффективности математики и будем вынуждены отказаться от гипотезы об уровне IV.
Итак, можно ли верить в параллельные вселенные? Основные доводы против их существования сводятся к тому, что это слишком расточительно и непостижимо. Первый аргумент состоит в том, что теории сверхвселенной уязвимы для «бритвы Оккама» (Уильям Оккам (William Occam) – философ-схоласт XIV в., утверждавший, что понятия, не сводимые к интуитивному и опытному знанию, должны изгоняться из науки (принцип «бритвы Оккама»).), поскольку они постулируют существование других вселенных, которые мы никогда не увидим. Зачем природе быть столь расточительной и «развлекаться» созданием бесконечного числа различных миров? Однако этот аргумент можно обратить в пользу существования сверхвселенной. В чем именно расточительна природа? Разумеется, не в пространстве, массе или количестве атомов: их бесконечно много уже содержится на уровне I, существование которого не вызывает сомнений, так что нет смысла беспокоиться, что природа потратит их еще сколькото. Реальный вопрос состоит в кажущемся уменьшении простоты. Скептиков беспокоит дополнительная информация, необходимая для описания невидимых миров.
Однако весь ансамбль часто бывает проще каждого из своих членов. Информационный объем алгоритма числа есть, грубо говоря, выраженная в битах длина самой короткой компьютерной программы, генерирующей это число. Возьмем для примера множество всех целых чисел. Что проще – все множество или отдельное число? На первый взгляд – второе. Однако первое можно построить с помощью очень простой программы, а отдельное число может быть чрезвычайно длинным. Поэтому все множество оказывается проще.
Аналогично, множество всех решений уравнений Эйнштейна для поля проще каждого конкретного решения – первое состоит всего из нескольких уравнений, а второе требует задания огромного количества начальных данных на некой гиперповерхности. Итак, сложность возрастает, когда мы сосредоточиваем внимание на отдельном элементе ансамбля, теряя симметрию и простоту, свойственные совокупности всех элементов.
В этом смысле сверхвселенные более высоких уровней проще. Переход от нашей Вселенной к сверхвселенной уровня I исключает необходимость задавать начальные условия. Дальнейший переход к уровню II устраняет необходимость задавать физические константы, а на уровне IV вообще ничего задавать не нужно. Чрезмерная сложность – это лишь субъективное восприятие, точка зрения лягушки. А с позиции птицы, эта сверхвселенная едва ли может быть еще проще.
Жалобы на непостижимость имеют эстетическую, а не научную природу и оправданы лишь при аристотелевском мировосприятии. Когда мы задаем вопрос о природе реальности, не следует ли нам ожидать ответа, который может показаться странным?
Общее свойство всех четырех уровней сверхвселенной состоит в том, что простейшая и, повидимому, самая изящная теория по умолчанию включает в себя параллельные вселенные. Чтобы отвергнуть их существование, нужно усложнить теорию, добавив не подтверждаемые экспериментом процессы и придуманные для этого постулаты – о конечности пространства, коллапсе волновой функции и онтологической асимметрии. Наш выбор сводится к тому, что считать более расточительным и неизящным – множество слов или множество вселенных. Возможно, со временем мы привыкнем к причудам нашего космоса и сочтем его странность очаровательной.
Макс Тегмарк(«В мире науки», №8, 2003)