Так можно представить себе множество независимых вселенных, не объединённых причинно-следственными связями в вечно расширяющемся космическом океане. Идея мультивселенной появляется в результате изучения теории космической инфляции в квантовой вселенной, но доказать её тяжело.
Несмотря на все наши знания, касающиеся Большого взрыва, одной из величайших научных загадок остаётся вопрос появления Вселенной именно с такими свойствами, какие мы у неё наблюдаем. Нам понятно, как наша современная Вселенная развилась из более горячего, плотного и однородного состояния. Нам понятно, как это состояние возникло из более раннего периода космической инфляции. Но если зайти назад во времени достаточно далеко, в какой-то момент мы потеряем возможность измерять существовавшие тогда свойства или находить какие-либо следы ранних процессов. У нас остаются только уравнения и предположения. И одно из предсказаний, появившееся на основе теоретического изучения тех самых ранних времён – то, что наша Вселенная представляет собой лишь одну из множества вселенных, составляющих в совокупности единую мультивселенную. Но откуда возьмутся масса и энергия для мультивселенной? Именно об этом спрашивает читатель:
Не пойму, как объяснить массу мультивселенной. Если она постоянно расщепляется на новые вселенные, то как же работает закон сохранения энергии? Это потому, что гравитация – отрицательная энергия? Это потому, что расширение порождает новую энергию? Уверена, что упускаю какую-то элементарную вещь, но… Откуда взять достаточно массы для такого количества вселенных?
Очень глубокий вопрос, и лучший ответ на него будет полон неожиданностей.
В мультивселенной могут появиться вселенные множества возможных типов. Некоторые из них подходят для жизни, как наша, а некоторые, возможно, и нет. В контексте расширяющейся вселенной существование мультивселенной неизбежно, однако понять её с точки зрения энергии довольно сложно.
Большинство людей, размышляя о мультивселенной, представляет себе огромное – возможно, бесконечное – количество вселенных, появившихся некоторое время назад. Наша Вселенная там – всего лишь одна из многих. Более того, мы сами способны наблюдать лишь малую часть нашей Вселенной. Наблюдаемая часть Вселенной простирается от нашего местоположения на 46 млрд световых лет во всех направлениях.
На границе того, что мы видим, мы не замечаем ничего необычного. Но она существует благодаря ограниченности скорости света, и количеству времени, прошедшего с Большого взрыва в нашей Вселенной. Поэтому точно сказать, как далеко наша Вселенная простирается за пределы того, что мы видим, мы не в состоянии. Она может продолжаться и далее на огромные неизмеримые расстояния, может даже быть бесконечной во всех направлениях. Но она может оказаться и ограниченной, просто эта граница будет лежать за пределами нашего космического горизонта. Сколько бы мы ни ждали, объём космоса, доступный нашим исследованиям, всегда будет ограничен.
Концептуальное изображение наблюдаемой Вселенной в логарифмическом масштабе. За галактиками идут крупномасштабные структуры, а на самых окраинах – горячая плотная плазма Большого взрыва. «Граница» существует только во времени. Сейчас она расположена в 46 млрд световых лет от нас.
К счастью, изучая то, что мы можем видеть, мы можем представить себе, что лежит за границами доступного. Хотя Вселенная расширяется, а все идущие в ней сигналы ограничены скоростью света, нам доступны несколько интересных «вех», намекающих на то, что лежит на определённом расстоянии от нас. Мы существуем в настоящем, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва. Мы живём во Вселенной, расширяющейся с измеримой скоростью порядка 70 км/с/Мпк. То есть, каждый мегапарсек (порядка 3,26 млн световых лет), разделяющий нас и другой объект, в среднем прибавляет к его скорости относительно нас около 70 км/с.
Мы можем многое сказать об этих космических ограничениях, учитывая всё, что известно нам об энергетическом содержании Вселенной. А именно – 68% тёмной энергии, 27% тёмной материи, 4,9% обычной материи, 0,1% нейтрино и 0,01% фотонов (то есть, свет).
- Мы никогда не сможем добраться до галактик, расположенных дальше 18 млрд световых лет от нас – даже если вылетим к ним сегодня со скоростью света.
- До объекта, расположенного в 46 млрд световых лет от нас сегодня дойдёт свет Большого взрыва – так же как мы видим этот свет, исходящий из той точки таким, каким он был 13,8 млрд лет назад.
- Объект, расположенный на расстоянии в 61 млрд световых лет от нас сегодня нам не виден, но когда свет от него дойдёт до нас, это будет самый дальний из наблюдаемых нами объектов.
Текущая (жёлтая) и будущая (голубая) области видимости наблюдаемой части Вселенной. Сегодня, спустя 13,8 млрд лет после Большого взрыва, нам видны объекты, расположенные не далее, чем в 46 млрд световых лет от нас – поскольку именно с такого расстояния до нас дошёл свет, появившийся после Большого взрыва. В далёком будущем мы сможем видеть объекты, расположенные сегодня на расстоянии в 61 млрд световых лет от нас. В итоге, объём наблюдаемой Вселенной увеличится на 135% по сравнению с нынешним.
Таковы границы только наблюдаемой нами Вселенной. Мы не знаем, насколько далеко простирается остальная, ненаблюдаемая её часть, появившаяся после того же самого Большого взрыва. Но мы, конечно, можем налагать на неё ограничения. Если Вселенная каким-то образом замкнута на себя – в виде петли, или повторяется ещё каким-либо образом – то масштаб этого повторения больше той части, что мы видим сегодня. Если она не замкнута, ограничение на кривизну пространства (а она должна быть менее ~0,002% плотности энергии Вселенной) говорит о том, что Вселенная должна простираться на расстояние, по меньшей мере, в 400 раз большее видимой нами части во всех направлениях. То есть, её объём должен быть, по меньшей мере, в 64 млн раз больше объёма наблюдаемой нами Вселенной. И в принципе, Вселенная вообще может быть бесконечной.
Но, какой бы огромной ни была наша Вселенная, это не значит, что она такая одна. Даже если она бесконечна, могут существовать и другие – вспомните, что у бесконечностей бывают разные мощности.
Главное в этом случае – понять, откуда взялась физическая идея мультивселенной. Она появляется, если принять идею космической инфляции всерьёз. А это, в свою очередь, наилучшая на сегодняшний день теория и механизм, объясняющая, что было до Большого взрыва, как всё привело к нему и породило его.
Квантовые флуктуации, появляющиеся во время инфляции, растягиваются на всю Вселенную, и по окончанию инфляции становятся флуктуациями плотности вещества. Со временем это приводит к появлению крупномасштабных структур, а также флуктуаций температуры, наблюдаемых в реликтовом излучении. Подобные новые предсказания необходимы для демонстрации работоспособности механизма тонкой подстройки.
Пытаясь экстраполировать назад во времени процессы, имевшие место в начале Большого взрыва, на основе сегодняшних наблюдений, мы наталкиваемся на несколько загадочных явлений. Мы видим, что в любом направлении по Вселенной в среднем сохраняется одна и та же плотность материи и температура. При этом у удалённых друг от друга противоположных участков Вселенной не было времени на то, чтобы обмениваться информацией за всю известную историю. Мы видим, что общая плотность энергии и изначальная скорость расширения должны были быть одинаковыми в начале горячего Большого взрыва с точностью до 25 значащих цифр после запятой – а этого Большой взрыв не объясняет. Мы не видим высокоэнергетических следов ранней Вселенной, существования которых можно было бы ожидать, если на ранних этапах её развития наблюдались бесконечно большие температуры и плотности.
Как это возможно? Отсюда и возникает идея космической инфляции: возможно, в истории Вселенной была фаза, предшествующая Большому взрыву. В этой фазе Вселенная была заполнена не частицами, античастицами, излучением и другими квантующимися формами энергии, как сегодня. Она была заполнена некоей энергией, напоминающей тёмную энергию – энергией, присущей самому пространству-времени. В таком состоянии Вселенная неустанно расширяется с экспоненциальной скоростью. И только когда это расширение прекращается, энергия превращается в частицы, античастицы, и излучение – происходит Большой взрыв.
Как космическая инфляция решает проблемы горизонта, отсутствия кривизны и монополей. Если сначала была инфляция, то наблюдаемая нами сегодня часть Вселенной возникла из состояния, в котором все части небольшого изначального региона были связаны между собой причинно-следственными связями. Инфляция расширила Вселенную так, что у неё везде оказались одинаковые свойства (вверху), её геометрия не отличается от плоской (в середине), а все существовавшие ранее реликты отдалились от нас из-за расширения (внизу).
Это одна из крупнейших идей сегодняшней космологии, и одна из наиболее успешных как в объяснении наблюдаемых нами явлений, так и в предсказании новых, которые мы позже смогли проверить. У Вселенной одинаковые свойства по всем направлениям потому, что она появилась из участка пространства, входившего когда-то в единый регион, растянутый инфляцией до огромных размеров. Баланс между плотностью энергии и пространственной кривизной имеется потому, что эти свойства определила динамика инфляции, заставив их находиться в балансе. А высокоэнергетических реликтов не осталось потому, что Вселенная никогда не доходила до произвольно высоких температур – они были ограничены энергетическим масштабом инфляции.
Если инфляция была квантовым полем, она должна быть подвержена квантовым флуктуациям. А она неизбежно была таким полем, учитывая, что во Вселенной (вероятно) всё по своей природе фундаментально квантовое. Флуктуации энергии создают регионы с повышенной плотностью, из которых получаются галактики, а также регионы с пониженной плотностью, превращающиеся в космические войды. Инфляцию можно представить в виде шарика, катящегося с вершины очень плоского холма в низину. Из квантовых флуктуаций следует существование «карманов» инфляционной Вселенной, в которых инфляция заканчивается раньше, чем в других местах. А ещё должны быть места, в которых инфляция не закончилась и сегодня.
Вверху: инфляция заканчивается, когда шарик скатывается в низину.
В середине: поле инфляции квантовое, умеет растягиваться во времени и принимает разные значения в разных участках расширяющегося пространства.
Внизу: во многих регионах (фиолетовый, красный, голубой) инфляция подходит к концу, а в других (зелёный, синий) она продолжается – возможно, бесконечно.
Когда инфляция заканчивается, происходит горячий Большой взрыв и новый шанс на появление вселенной, похожей на нашу. Неважно, где или когда это происходит, и неважно, продолжается ли инфляция в окружающих регионах. О множестве этих вселенных мы много не знаем, даже в теории. Но если инфляционная теория верна, и законы физики в процессе инфляции продолжают работать, тогда существование этих вселенных неизбежно. Отсюда и появляется идея мультивселенной – с чисто физической точки зрения, без отсылок к философии, интерпретациям квантовой механики или к Вселенной, какой она была до начала инфляции.
Отсюда и возникает идея о Вселенной, появившейся из ничего. Если под «ничем» понимать пустое пространство, появившееся во время инфляции, то оно породит не только такую вселенную, как наша, но и огромное (а возможно, и бесконечное) количество других независимых вселенных. Каждая из них будет заполнена собственными частицами, античастицами, излучением и другими разрешёнными формами энергии.
Но, несмотря на всю эту замечательную историю, вас всё равно может беспокоить вопрос – откуда берётся энергия для всего этого?
После того, как атомы Вселенной стали нейтральными, фотоны перестали на них рассеиваться. Теперь они испытывают красное смещение, с расширением Вселенной их становится меньше на единицу объёма, и они продолжают терять энергию. Мы, конечно, могли бы изобрести определение энергии, которая сохраняется в этом случае. Но на самом деле энергия в расширяющейся Вселенной не сохраняется.
Вот, с какого момента процессы начинают противоречить нашей интуиции. Вы, конечно, слышали о законе сохранения энергии – что энергию нельзя создать или уничтожить, и что она может лишь переходить из одной формы в другую. Это так для любого события во Вселенной – будь до взаимодействие, преобразование, или любое физическое явление, происходящее в определённом месте в определённый момент времени. Таким событием может быть столкновение двух частиц, попадание света на поверхность, встреча двух наблюдателей в одном месте. Насколько нам известно, во всех событиях, когда-либо происходивших во Вселенной, энергия сохранялась.
Но во всей Вселенной целиком, и во всём пространстве-времени, энергия не всегда сохраняется или даже точно определена. Энергию можно чётко определить в статичном пространстве-времени – не изменяющемся от одного момента времени до другого. Примером такого пространства могут служить окрестности чёрной дыры. Его свойства не меняются, пока чёрная дыра не меняет массу. Однако расширяющаяся или сжимающаяся вселенная со временем меняется. С ростом пространства энергия различных компонентов меняется различным образом, поддаваясь при этом количественному определению.
Если плотность материи и энергии в расширяющейся вселенной уменьшаются из-за увеличения её объёма, тёмная энергия – это форма энергии, присущая самому пространству. В расширяющейся вселенной создаётся новое пространство, при этом плотность тёмной энергии остаётся постоянной.
Как нормальная, так и тёмная материя состоят из частиц – у них есть определённая масса, они занимают определённый объём. С расширением Вселенной количество частиц не меняется, а объём растёт, но общая энергия остаётся постоянной.
Излучение ведёт себя по-другому. Энергия световых волн определяется их длиной. Чем меньше длина, тем выше энергия, и наоборот. С расширением Вселенной количество квантов излучения не меняется, но длины волн растягиваются, из-за чего каждый квант теряет свою энергию. С течением времени и увеличением объёма общая энергия падает.
Тёмная энергия тоже ведёт себя по-своему. Это энергия, присущая самой ткани пространства. Её значение сегодня крайне мало, но во время инфляции оно было огромным. С расширением пространства плотность энергии не меняется, а объём растёт. Общая энергия Вселенной со временем увеличивается, поскольку она считается, как плотность энергии, помноженная на объём.
Мы привыкли к наличию положительного давления внутри разных объектов. Тёмная энергия в этом случае контринтуитивна, поскольку её давление отрицательно, но при этом она всё равно заставляет ткань пространства расширяться.
Многим это не нравится, но на самом деле во Вселенной, пространство которой расширяется или сужается со временем, энергия не сохраняется, и даже не определяется точно. Можно заставить её сохраняться, постулировав глобальное определение энергии, в котором вы выделяете часть Вселенной и требуете, чтобы в её границах энергия сохранялась. Это можно сделать, только введя ещё одно определение – работы, совершаемой над прочерченной вами границей при расширении Вселенной. Излучение совершает положительную работу, теряя энергию. Тёмная энергия (энергия инфляции) совершает отрицательную работу, повышая общую энергию.
При всей привлекательности такой подход нельзя назвать надёжным. Мы можем выбрать его волевым решением, только для того, чтобы удовлетворить свои представления о необходимости сохранения энергии. Но на самом деле закон сохранения работает только в определённом месте пространства, а не для всей расширяющейся Вселенной. Вы могли слышать такое выражение: бесплатных обедов не бывает. На Земле, может, и не бывает, но к расширяющейся Вселенной это не применимо. Если идеи насчёт инфляции и мультивселенной верны, то, возможно, вся Вселенная – это гигантский бесплатный обед. В наше трудное время можно быть благодарным хотя бы этому факту.
