Что такое мультивселенная с точки зрения современной физики? Это не спекуляции фантастов, а два строгих, математически проработанных следствия из квантовой механики и космологии.
В этой статье мы разбираем многомировую интерпретацию Эверетта и модель вечной инфляции — две разные, но одинаково radical идеи о том, что наша Вселенная не одна.
Вы узнаете, чем квантовые ветви отличаются от космических пузырей, почему спутник «Планк» увидел признаки вечной инфляции, можно ли теоретически перейти в параллельный мир и как антропный принцип помогает физикам делать предсказания.
Никаких сенсаций — только честный и подробный разговор для тех, кто привык доверять науке.
Две мультивселенные, в которых мы, скорее всего, уже живём
Попробуйте представить себе Вселенную. Получилось? Отлично. А теперь попробуйте представить, что наша Вселенная — не одна. Что существует бесконечное множество других вселенных, где физика может быть другой, где вы, возможно, приняли иное решение сегодня утром, а где-то и вовсе нет ни звёзд, ни атомов.
Звучит как сценарий для очередного блокбастера, да? Но физики, когда произносят слово «мультивселенная», имеют в виду нечто гораздо более строгое, парадоксальное и при этом совершенно реальное в математическом смысле.
Самое удивительное здесь вот что: концепций мультивселенной как минимум две. Они родились из совершенно разных областей физики, решают разные проблемы и, вероятно, описывают разные слои реальности. Но каждая из них заслуживает того, чтобы всерьёз задуматься: а что, если мы уже внутри?
Сначала договоримся: что такое «наша» Вселенная?
Прежде чем множить миры, нужно понять, что мы вообще имеем в виду, когда говорим «Вселенная» с большой буквы. Для физика это не просто звёздное небо над головой.
Это связная область пространства-времени со своим набором фундаментальных констант. Вы знаете эти числа: гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка, постоянная Больцмана.
Есть и более экзотические — например, постоянная тонкой структуры, которая определяет силу электромагнитного взаимодействия. Эти значения нельзя вывести из теории; они просто есть, и если бы они чуть-чуть отличались, наша Вселенная выглядела бы совершенно иначе. Атомы не образовались бы, звёзды не зажглись бы, жизнь не появилась бы.
В этом смысле Вселенная похожа на живую клетку: она отделена от «остального мира» отсутствием причинно-следственных связей. То, что происходит за её пределами, не может на неё повлиять, потому что даже свет не успел бы преодолеть это расстояние за всё время существования мира.
Так вот, физиков давно мучает вопрос: а почему эти константы именно такие? И тут появляются две совершенно разные зацепки.
Первая зацепка: квантовая механика и её странное измерение
Представьте, что Вы бросаете монетку. Пока она крутится в воздухе, нельзя сказать, выпадет орёл или решка. Но как только она падает на стол, результат фиксируется. В квантовой механике всё гораздо страннее.
До того, как Вы измерили свойство частицы, она находится во всех возможных состояниях одновременно. Электрон и здесь, и там, и движется с разными скоростями. Физики называют это суперпозицией. Акт измерения словно «замораживает» одну из возможностей, а остальные исчезают.
Вопрос: что именно происходит в момент измерения? Первая — и исторически самая известная — интерпретация называется копенгагенской. Её разработали Нильс Бор и Вернер Гейзенберг. Они говорили: да, измерение свёртывает (коллапсирует) волновую функцию.
Есть квантовый мир со своими правилами, а есть измерительный прибор — классический. И на их границе происходит чудо. Многих физиков это не устраивало, и вот почему: получается, что Вселенная живёт по одним законам, а когда мы на неё смотрим — по другим. Где граница? С какого размера объект перестаёт быть квантовым и становится классическим? Ответа не было.
И вот в 1957 году молодой американский физик Хью Эверетт III предложил нечто безумное. А что, если никакого свёртывания нет? Что, если волновая функция никогда не схлопывается?
Тогда при измерении все возможные исходы происходят — но каждый в своей собственной «ветви» реальности. Вы видите один результат, а Ваша альтернативная версия в другой вселенной — другой. Так родилась многомировая интерпретация (Many-Worlds Interpretation) [Everett, 1957].
Сразу скажем: идея Эверетта поначалу казалась абсурдной даже многим физикам. Брайс ДеВитт, который позже стал её популяризатором, писал, что после прочтения статьи Эверетта у него было физическое ощущение, будто реальность трещит по швам [DeWitt, 1970].
И правда: подумайте сами. Каждое квантовое взаимодействие — столкновение фотона с электроном, рассеяние рентгеновского луча на атоме — должно приводить к ветвлению. А таких взаимодействий в одном только скоплении галактик триллионы и триллионы в каждую секунду. Куда же девается энергия?
Сторонники многомировой интерпретации отвечают: она не умножается, а перераспределяется. Полная энергия в суперпозиции сохраняется. А «миры» — это не отдельные вселенные в обычном пространстве, а компоненты одной огромной волновой функции.
И тут возникает ещё более тонкая проблема. Если все исходы осуществляются в каком-то мире, то что тогда означает вероятность? В квантовой механике мы говорим: с вероятностью 30% частица пройдёт через левую щель, с 70% — через правую.
Но если в какой-то вселенной она всегда проходит через левую, а в какой-то — через правую, то почему наше собственное наблюдение склоняется к более вероятному исходу? Эту проблему до сих пор окончательно не решили, хотя были предложены изощрённые аргументы, связанные с понятием типичности и положением наблюдателя среди ветвей [Wallace, 2012].
Тем не менее, многомировая интерпретация живуча. Она не вводит никакой дополнительной динамики, кроме стандартного уравнения Шрёдингера. Она унитарна — то есть обратима во времени.
И многие физики, особенно те, кто работает над объединением квантовой механики с общей теорией относительности, считают, что последовательная теория должна быть именно эвереттовской. Потому что в космологии нет внешнего наблюдателя, который мог бы вызвать свёртывание.
Вторая зацепка: космология и инфляция
Совершенно иной путь к мультивселенной проложила космология. И началось всё с двух загадок, которые долгое время не давали покоя астрофизикам.
Первая загадка — проблема горизонта. Посмотрите на небо. Везде, куда ни глянь, температура космического микроволнового фона — того самого «эха Большого взрыва» — почти идеально одинакова. Отклонения меньше одной десятитысячной процента.
Но вот в чём беда: области неба, разделённые большим углом, никогда не могли обменяться сигналом. Скорость света конечна, а с момента Большого взрыва прошло всего 13,8 миллиарда лет. Получается, что эти области лежат за пределами космического горизонта друг друга. Так как же они «узнали», какая температура должна быть у всех?
Вторая загадка — проблема плоскостности. Наша Вселенная выглядит почти идеально плоской, как бесконечный лист бумаги. Но общая теория относительности допускает любую кривизну — положительную (как сфера) или отрицательную (как седло).
Если бы в первые мгновения после Большого взрыва Вселенная имела хоть малейшую кривизну, то за миллиарды лет она бы выросла до гигантских масштабов, и мы бы её заметили. Но мы не замечаем. Словно Вселенная с самого начала была невероятно точно подстроена под плоскость.
Решение пришло в начале 1980-х годов. Алан Гут, Андрей Линде, Пол Стейнхардт и другие предложили модель космической инфляции. Согласно ей, в первую невероятно малую долю секунды (10⁻³⁶ секунды после рождения) Вселенная пережила период экспоненциально быстрого расширения. Она удваивалась в размерах снова и снова, многократно, за ничтожное время.
В результате любые области, которые были когда-то в тепловом контакте, разнесло так далеко, что сегодня они занимают всё небо. Этим решается проблема горизонта. А плоскостность? Экспоненциальное расширение раздувает любую кривизну до неотличимой от нуля — как поверхность воздушного шарика, если его надуть до огромных размеров, кажется плоской [Guth, 1981].
Инфляция оказалась блестящей гипотезой. Она предсказала, что квантовые флуктуации, растянутые расширением, должны оставить отпечаток в реликтовом излучении. Эти отпечатки — крошечные колебания температуры — были обнаружены спутниками COBE, WMAP и Planck. Это стало триумфом инфляционной модели [Planck Collaboration, 2014].
Но тут возникло неожиданное продолжение. Линде и другие показали: в большинстве моделей инфляция не может остановиться везде одновременно. Как только в одной области инфляция заканчивается и рождается «обычная» вселенная типа нашей, рядом продолжают возникать новые инфлирующие области.
Это похоже на кипящее озеро, где одни пузыри лопаются, а на их месте возникают новые. Каждый такой пузырь — отдельная вселенная, со своей историей, со своей метрикой пространства-времени, а возможно, и со своими физическими константами [Linde, 1986]. Это явление назвали вечной инфляцией. И так родилась вторая мультивселенная — космологическая.
В ней миры — не квантовые ветви одной волновой функции, а настоящие пространственно-временные пузыри, разнесённые друг от друга так быстро, что никогда не смогут соприкоснуться. Пространство между ними расширяется быстрее скорости света, поэтому даже луч света не перепрыгнет из одного пузыря в другой. Мы навсегда изолированы внутри нашего собственного пузыря.
Чем отличаются эти две мультивселенные и что у них общего?
Вы уже заметили, насколько они разные.
Первая — порождение квантовой логики. В ней «миры» не существуют где-то далеко; они здесь, в той же точке пространства, просто в разных компонентах волновой функции. Между ними в принципе возможна интерференция, хотя на практике из-за декогеренции — взаимодействия с окружающей средой — она становится неизмеримой.
Вторая — порождение гравитации и экстремальных условий ранней Вселенной. Здесь миры — буквально отдельные пространства-времени. Они не интерферируют, а просто разлетаются в разные стороны в расширяющемся пространстве более высокого уровня.
Но есть и общее. Обе мультивселенные пытаются ответить на один и тот же вопрос: почему наш мир такой, какой он есть? В квантовом случае: почему при измерении происходит именно этот исход? Эверетт говорит: происходит все исходы, но Вы видите только один. В космологическом случае: почему физические константы в нашем пузыре именно такие?
Вечная инфляция говорит: потому что есть бесконечно много пузырей с разными константами, и мы, естественно, живём в том, где жизнь возможна. Это называется антропным принципом. Многим он не нравится, потому что он как бы сдаётся в объяснении. Но, как заметил физик Стивен Вайнберг, если других объяснений нет, а теория делает проверяемые предсказания, то антропный принцип — не метафизика, а расчётный инструмент [Weinberg, 1987].
А можно ли попасть в другую вселенную?
Это самый частый вопрос, который задают лекторам по физике. И ответ — увы и ах — почти наверняка «нет». Но давайте разберёмся, почему.
В эвереттовской мультивселенной, чтобы перейти из одной ветви в другую, нужно обратить процесс декогеренции. Это означало бы восстановление квантовой когерентности между макроскопическими объектами, включая Ваше собственное тело и мозг.
Теоретически квантовая механика этого не запрещает. Практически — это примерно то же самое, что собрать разбитое яйцо обратно в скорлупу, да ещё и со стопроцентной вероятностью. Мы не умеем этого делать, и скорее всего никогда не научимся.
И даже если бы научились, Вы бы не «перешли» в другую вселенную, а создали бы суперпозицию двух состояний — это выглядело бы как Вы, одновременно находящийся в двух реальностях, а не как межпространственный портал.
В космологической мультивселенной ситуация чуть интереснее. Теоретически два пузыря могут столкнуться. Такое столкновение оставило бы круглый след в реликтовом излучении — отпечаток «ушиба» нашей вселенной. Спутник Planck тщательно искал такие круглые пятна, но не нашёл [Planck Collaboration, 2014].
Это либо означает, что столкновений не было, либо они произошли за пределами нашего космического горизонта, куда мы никогда не сможем заглянуть. Чтобы добраться до другого пузыря, нужно было бы пересечь область, где пространство расширяется быстрее света.
Но даже если бы у Вас был звездолёт, который движется со скоростью, близкой к скорости света, само пространство между пузырями расширяется так быстро, что Вы никогда не достигнете границы. Она всё время убегает вперёд.
Так что фантастические романы о параллельных мирах останутся фантастикой. Но это не значит, что мультивселенная бесполезна. Она изменила наши представления о реальности.
В эвереттовском взгляде реальность гораздо больше, чем то, что мы видим. В инфляционном взгляде наша Вселенная — лишь один пузырёк в бесконечном кипящем море. И в обоих случаях человечество перестаёт быть центром, даже обитателем единственного дома. Мы — лишь одна из бесчисленных возможностей, ставших явью.
Что говорит эксперимент? Тихо, но говорит
Самое замечательное: обе мультивселенные — это не чистая метафизика. Они делают предсказания.
Для многомировой интерпретации предсказание довольно тонкое: она утверждает, что макроскопическая когерентность возможна в принципе, просто она очень хрупкая.
Эксперименты с квантовыми компьютерами, где кубиты сохраняют когерентность в течение сотен операций, — это, по сути, косвенная проверка эвереттовской логики.
Если бы свёртывание существовало как фундаментальный процесс, он должен был бы разрушать когерентность быстрее, чем это наблюдается. Пока наблюдения согласуются с унитарной эволюцией [Leggett, 2005].
Для космологической мультивселенной предсказание гораздо более конкретное. Вечная инфляция предсказывает существование так называемых сверхгоризонтных флуктуаций — волн плотности, размер которых больше, чем расстояние, которое свет успел пройти за всю историю Вселенной.
В 2013 году спутник Planck действительно обнаружил признаки таких флуктуаций. Некоторые космологи, например Джордж Эфстафиу, считают это первым экспериментальным свидетельством в пользу вечной инфляции и, следовательно, мультивселенной.
Другие, включая Пола Стейнхардта, более осторожны и полагают, что данные могут быть объяснены и в рамках более простых моделей. Но вот что важно: ни одна из альтернатив не смогла исключить вечную инфляцию. Она остаётся в игре как рабочая гипотеза, а эксперименты продолжаются [Steinhardt, 2011].
Как сказал однажды Ричард Фейнман, «Вселенной всегда было всё равно, что Вы считаете правдой. Мы должны прислушиваться к ней и задавать вопросы». Наши спутники и телескопы — это такие огромные уши. И они слышат нечто, что очень похоже на шёпот из-за пределов нашего космического горизонта.
Жить в атмосфере загадки
Знаете, что самое прекрасное в науке? Это не момент окончательного ответа. Это состояние «мы пока не знаем, но, кажется, нащупали нечто грандиозное». И мультивселенная — идеальный пример.
Никто из серьёзных физиков не утверждает, что мультивселенная доказана. Но никто уже не может утверждать, что это чистое сумасшествие. Слишком много независимых линий рассуждения сошлось в одной точке: наша Вселенная, вероятно, не одна.
Вдумайтесь в это. Несколько десятилетий назад люди спорили о том, существует ли хоть одна галактика за пределами Млечного Пути. Сегодня мы знаем — их сотни миллиардов.
А теперь мы стоим на пороге идеи, что и сама наша Вселенная — лишь одна из бесчисленного множества. Каждый раз, когда человек отодвигал горизонт познания, он находил не пустоту, а новое изобилие. Так что, возможно, впереди — ещё более удивительные открытия.
Но даже если мультивселенная останется навсегда только математической гипотезой, которую нельзя подтвердить наблюдениями (а такая возможность тоже всерьёз обсуждается), она уже сделала большое дело. Она заставила нас пересмотреть вопрос «почему законы физики именно такие?».
Раньше мы могли только пожимать плечами. Теперь у нас есть два варианта ответа: либо эти законы единственно возможны (что требует доказательства), либо наша область реальности — лишь одна из многих, и мы живём там, где условия сложились удачно. Оба варианта неудобны. Оба требуют новой физики. И это прекрасно.
В конце концов, как заметил один из героев этой истории, физик Шон Кэрролл, мы не знаем, чего не знаем. И это не порок, а двигатель. Мы ещё в начале пути. А начало пути — это самое интересное место.
Источники и что почитать, если захочется глубже
- Everett, H. (1957). Relative State Formulation of Quantum Mechanics. Reviews of Modern Physics, 29, 454–462.
- DeWitt, B. (1970). Quantum Mechanics and Reality. Physics Today, 23(9), 30–35.
- Wallace, D. (2012). The Emergent Multiverse: Quantum Theory according to the Everett Interpretation. Oxford University Press.
- Guth, A. (1981). Inflationary Universe: A Possible Solution to the Horizon and Flatness Problems. Physical Review D, 23(2), 347–356.
- Linde, A. (1986). Eternal Chaotic Inflation. Modern Physics Letters A, 1(2), 81–85.
- Planck Collaboration (2014). Planck 2013 Results. XXIII. Isotropy and Statistics of the CMB. Astronomy & Astrophysics, 571, A23.
- Weinberg, S. (1987). Anthropic Bound on the Cosmological Constant. Physical Review Letters, 59(22), 2607–2610.
- Leggett, A. (2005). The Problems of Physics. Oxford University Press.
- Steinhardt, P. (2011). The Inflation Debate. Scientific American, 304(4), 36–43.
- Carroll, S. (2019). Something Deeply Hidden: Quantum Worlds and the Emergence of Spacetime. Dutton.
P.S. Маленькая кнопка и большое спасибо
Если Вы дочитали до этого места — значит, тема мультивселенной зацепила и Вас. И это взаимно. Писать такие тексты — огромное удовольствие, но и немалый труд. Где-то за кадром остались десятки прочитанных статей, проверка фактов, поиск свежих данных, попытки перевести сложный язык физиков на человеческий, чтобы ни одно важное открытие не затерялось в формулах. И знаете, что делает этот процесс устойчивым и по-настоящему радостным?
Справа, под статьёй, есть кнопка «Поддержать». Она маленькая, но в ней скрыт большой смысл. Когда Вы нажимаете на неё, происходит не просто перевод суммы. Происходит ровно то, о чём мы говорили весь этот текст: честный обмен пользой. Вы получаете качественную, проверенную и увлекательную информацию, которая, возможно, чуть-чуть меняет Ваш взгляд на реальность. А автор получает сигнал: «Это нужно, это важно, это стоит того, чтобы копать дальше».
Эти пожертвования — не абстрактное «спасибо». Они буквально дают энергию искать ту самую ценную, редкую, порой ещё не переведённую информацию, которой Вы потом делитесь с друзьями или просто обдумываете за чашкой чая. Благодаря поддержке канал развивается, появляется время на более глубокие разборы, на новые темы, на эксперименты с форматом. По сути, это та самая положительная обратная связь, которая заставляет систему эволюционировать — в отличие от квантового свёртывания, где возможности исчезают, здесь все возможности только умножаются.
Так что если Вы чувствуете, что этот текст добавил что-то в Вашу картину мира, — знайте: любая, даже самая скромная сумма, отправленная по кнопке «Поддержать», работает как топливо для новых историй о том, как устроено всё вокруг (и внутри). А взамен Вы получаете не только моральное право считать себя соавтором этого канала, но и устойчивое ощущение, что мир стал чуточку понятнее — и от этого не менее удивительным.
Следуйте своему счастью
Внук Эзопа