Мультивселенная – научная концепция предполагающая наличие множества параллельных вселенных. Существует ряд гипотез, описывающих многообразие этих миров, их свойства и взаимодействия.

Успех квантовой теории неоспорим. Ведь она вместе с представляет все фундаментальные законы физики, известные современному миру. Несмотря на это квантовая теория все же ставит ряд вопросов, на которые до сих пор нет определенных ответов. Одним из них является известная «проблема кота Шредингера», которая наглядно демонстрирует зыбкий фундамент квантовой теории, что формируется на предсказаниях и вероятности того или иного события. Речь идет о том, что особенностью частицы, согласно квантовой теории, является существование ее в состоянии равном сумме всех ее возможных состояний. В таком случае если применить данный закон к квантовому миру, то окажется что кот – это сумма состояния живого и мертвого кота!

И хотя законы квантовой теории успешно используются при применении таких технологий как радары, радио, мобильные телефоны и интернет, приходится мириться с указанным выше парадоксом.

В попытке разрешить квантовую проблему была сформирована так называемая «копенгагенская теория», согласно которой состояние кота становится определенным, когда мы открываем коробку и наблюдаем его состояние, а до того оно неопределенное. Однако, применение копенгагенской теории, допустим, к , означает, что Плутон существует лишь с того момента как его открыл американский астроном Клайд Томбо 18 февраля 1930-го года. Только в этот день зафиксировалась волновая функция (состояние) Плутона, а остальные все схлопнулись. Но известно, что возраст Плутона значительно превышает отметку в 3,5 млрд лет, что указывает на проблемы копенгагенской интерпретации.

Множественность миров

Другой вариант решения квантовой проблемы предложил американский физик Хью Эверетт в 1957-м году. Он сформулировал так называемую «многомировую интерпретацию квантовых миров». Согласно ей каждый раз, когда объект переходит из неопределенного состояния в определенное – происходит расщепление этого объекта на количество вероятных состояний. Приводя в пример кота Шредингера, когда мы открываем коробку, появляется вселенная со сценарием, где кот мертв и появляется вселенная, где он остается жив. Таким образом, он находится в двух состояниях, но уже в параллельных мирах, то есть все волновые функции кота остаются действительными и никакая из них не схлопывается.

Именно эту гипотезу множество писателей фантастов использовали в своих научно-фантастических произведениях. Множественность параллельных миров предполагает наличие ряда альтернативных событий, из-за которых история приняла иной ход. К примеру, в каком-то мире непобедимая испанская армада не была разгромлена или Третий рейх победил во Второй мировой войне.

Более современная интерпретация этой модели объясняет невозможность взаимодействия с другими мирами отсутствием когерентности волновых функций. Грубо говоря, в какой-то момент волновая функция нашей перестала колебаться в такт с функциями параллельных миров. Тогда вполне возможно, что мы можем сосуществовать в квартире с «сожителями» из иных вселенных, не взаимодействуя с ними никоим образом, и, равно как и они, быть убежденными в том, что именно наша Вселенная настоящая.

На самом деле термин «многомировая» — не совсем подходящей для данной теории, так как она предполагает один мир с множеством вариантов событий, происходящих одновременно.

Большинство физиков-теоретиков согласны с тем, что данная гипотеза невероятно фантастическая, однако она объясняет проблемы квантовой теории. Впрочем, ряд ученых не считают многомировую интерпретацию научной, так как она не может быть подтверждена или опровержима при помощи научного метода.

В квантовой космологии

Сегодня гипотеза о множественности миров вновь возвращается на научную сцену, так как ученые намерены использовать квантовую теорию не для каких-либо объектов, а применить по отношению ко всей Вселенной. Речь идет о так называемой «квантовой космологии», которая, как может показаться с первого взгляда, несет абсурд даже в своей формулировке. Вопросы данной научной области связаны с Вселенной. Мизерные же размеры Вселенной на первых этапах ее формирования вполне согласуются с масштабами квантовой теории.

В таком случае, если размеры Вселенной были порядка , то применив к ней квантовую теорию, мы также можем получить неопределенное состояние Вселенной. Последнее подразумевает наличие других вселенных, находящихся в различных состояниях с разной вероятностью. Тогда состояния всех параллельных миров в сумме дают одну единственную «волновую функцию Вселенной». В отличие от многомировой интерпретации квантовые вселенные существуют раздельно.

Как известно, существует проблема тонкой настройки Вселенной, которая обращает внимание на то, что физические фундаментальные константы, задающие основные законы природы в мире, подобраны идеально для существования жизни. Будь масса протона немного меньше, формирование элементов тяжелее водорода было бы невозможным. Это проблема может быть решена при помощи модели мультивселенной, в которой реализуется множество параллельных вселенных с различными фундаментальными . Тогда вероятность существования некоторых из этих миров мала и они «умирают» вскоре после зарождения, например, сжимаются или разлетаются. Другие же, константы которых формируют не противоречивые законы физики, с большой вероятностью остаются стабильными. Согласно этой гипотезе, мультивселенная включает большое количество параллельных миров, большинство из которых являются «мертвыми», и лишь небольшое число параллельных вселенных позволяет им существовать длительное время, и даже дает право на наличие разумной жизни.

В теории струн

Одной из наиболее перспективных областей теоретической физики является . Она занимается описанием квантовых струн – протяженных одномерных объектов, колебание которых представляется нам в виде частиц. Первоначальное призвание данной теории состоит в том, чтобы объединить две фундаментальные теории: общую теорию относительности и квантовую теорию. Как оказалось позже, сделать это можно несколькими способами, в результате чего образовалось несколько теорий струн. В середине 1990-х годов ряд физиков-теоретиков обнаружили, что эти теории являются различными случаями одной конструкции, позже названой как «М-теория».

Ее особенность заключается в существовании некой 11-мерной мембраны, струны которой пронизывают нашу Вселенную. Однако мы живем в мире с четырьмя измерениями (три координаты пространства и одна временная), куда же деваются другие измерения? Ученые предполагают, что они замыкаются сами на себе в самых маленьких масштабах, которые пока не удается пронаблюдать, в силу недостаточного развития технологий. Из этого утверждения вытекает иная сугубо математическая проблема – возникает большое число «ложных вакуумов».

Простейшее объяснение этой свертки ненаблюдаемых нами пространств, а также наличие ложных вакуумов – мультивселенная. Физики, занимающиеся теорий струн, опираются на утверждение о том, что существует огромное число других вселенных, в которых не только другие физические законы, но также и иное количество измерений. Таким образом, мембрану нашей Вселенной в упрощенном виде можно представить как сферу, пузырь, на поверхности которого обитаем мы, и 7 измерений которого находятся в «свернутом» состоянии. Тогда наш мир вместе с другими вселенными-мембранами – что-то вроде множества мыльных пузырей, что плавают в 11-мерном гиперпространстве. Мы же, существуя в 3-хмерном пространстве, и не можем выбраться за его пределы, а потому и не имеем возможности взаимодействовать с иными вселенными.

Как уже упоминалось ранее, большинство параллельных миров, вселенных – мертвы. То есть в силу нестабильных или непригодных для жизни физических законов их вещество может быть представлено, например, лишь в виде бесструктурного скопления электронов и . Причиной тому разнообразие возможных квантовых состояний частиц, иные значения фундаментальных констант и другое количество измерений. Примечательно, что такое предположение не противоречит принципу Коперника, утверждающего, что наш мир не уникален. Так как хоть и в малом количестве, но могут существовать миры, физические законы которых, несмотря на свое отличие от наших, все же допускают формирование сложных структур и зарождение разумной жизни.

Состоятельность теории

Хотя гипотеза о мультивселенной и выглядит как сценарий для научно-фантастической книги, она имеет лишь один недостаток – ученым не представляется возможным доказать или опровергнуть ее при помощи научного метода. Но за ней стоит сложная математика и на нее опирается ряд значимых и перспективных физических теорий. Аргументы в пользу мультивселенной представлены следующим списком:

• Является фундаментом для существования многомировой интерпретации квантовой механики. Одной из двух передовых теорий (наряду с копенгагенской интерпретацией), решающих проблему неопределенности в квантовой механике.
• Объясняет причины существования тонкой настройки Вселенной. В случае с мультивселенной, параметры нашего мира – лишь один из множества возможных вариантов.
• Является так называемым «ландшафтом теории струн», так как решает проблему ложных вакуумов и позволяет описать причину, по которой определенное количество измерений нашей Вселенной сворачиваются.

• Поддерживается , которая наилучшим образом объясняет ее расширение. На ранних этапах формирования Вселенной, вероятнее всего она могла быть разделена на две вселенные и более, каждая из которых эволюционировала независимо от другой. На теории инфляции строится современная стандартная космологическая модель Вселенной — Лямбда-CDM.

Шведский космолог Макс Тегмарк предложил классификацию различных альтернативных миров:

1. Вселенные, находящиеся за пределами нашей видимой Вселенной.
2. Вселенные с иными фундаментальными константами и числами измерений, которые, к примеру, могут располагаться на других мембранах, согласно М-теории.
3. Параллельные вселенные, возникающие согласно многомировой интерпретации квантовой механики.
4. Конечный ансамбль – все возможные вселенные.

О дальнейшей судьбе теории о мультивселенной пока нечего сказать, но на сегодня она занимает почетное место в космологии и теоретической физике, и поддерживается рядом выдающихся физиков современности: Стивен Хокинг, Брайан Грин, Макс Тегмарк, Митио Каку, Алан Гут, Нил Тайсон и другие.

В космологии уже давно рассматривается гипотеза о том, что наша Вселенная - не единственная в своём роде. Она может быть одной из многочисленных Вселенных, составляющих так называемую Мультивселенную . Хотя эту гипотезу можно посчитать чем-то из области фантастики, есть достаточно прочная база, свидетельствующая о её правомерности. Предлагаем пять аргументов, свидетельствующих о том, что мы живём в Мультивселенной.

1) Одна из космологических моделей предполагает так называемую «вечную инфляцию ». Инфляция - это очень быстрое расширение Вселенной после Большого взрыва. Гипотеза «вечной инфляции» впервые была предложена специалистом по космологии из Тафтского университета Александром Виленкиным . Учёные предполагает, что инфляционное расширение Вселенной прекратилось только в отдельных частях космоса (эти области получили название термализованных регионов ), но в некоторых частях продолжается расширение, рождаются своеобразные «инфляционные пузыри», каждый из которых перерастает в настоящую Вселенную:

Инфляционная теория допускает образование множественных дочерних вселенных, которые непрерывно отпочковываются от существующих

2) В рамках так называемой теории бран (термин «брана» происходит от слова «мембрана») или М-теории , четыре пространственных измерения разграничены трёхмерными стенами или три-бранами. Одна из этих стен и является пространством Вселенной, в котором мы живём, в то время как существуют и другие браны-вселенные, которые скрыты от нашего восприятия. Они располагаются параллельно нашей бране и, при определённых обстоятельствах, они притягиваются друг к другу посредством гравитации. Согласно теории, при столкновении бран высвобождается большое количество энергии и тем самым возникают условия для Большого взрыва:

(картинка с сайта wikimedia.org)

3) Многомировая интерпретация квантовой механики Хью Эверетта . Согласно представлениям квантовой механики, всё в мире частиц описывается только вероятностно. Эверетт предположил, что все исходы вероятного события всегда реализуются, но происходит это в разных Вселенных. При каждом акте наблюдения, измерения квантового объекта, наблюдатель как бы расщепляется на несколько (предположительно, бесконечно много) версий, соответствующих различным Вселенным. Это можно наглядно пояснить так: если вы находитесь на перекрёстке, и у Вас есть выбор - пойти налево или направо, существующая Вселенная «порождает» ещё две дочерние Вселенные: одна, в которой вы идёте направо, а другая - налево:

4) Как показывают исследования, пространство нашей Вселенной с большой степенью точности плоское. А если пространство и время простираются бесконечно, то в некоторой точке должно наблюдаться повторение, поскольку есть какой-то предел числу комбинаций организации частиц в пространстве и времени. Другими словами, бесконечность пространства и времени, предполагает, что где-нибудь существует точная копия нашей Вселенной:

Пространство и время простираются бесконечно, следовательно, в некой точке должно быть повторение Вселенной

5) Вселенные с другой математикой . Согласно мнению некоторых учёных, основополагающими законами Вселенной являются математические законы. На основе этого можно предположить, что есть другие Вселенные, в которых есть свои математические структуры.

Мультивселенная - это парадокс! Мне кажется, существование Мультивселенных следует рассматривать не так, как представлено в статье, как возможности для новых открытий, а эту идею стоит принять, как парадоксы современных теорий, указывающих на неполноту наших знаний. И вот почему.
Мультивселенная противоречит принципу Оккама. На мой взгляд, идея Мультивселенной обладает следующим недостатком, существование параллельных никак физически не проявляется в нашей Вселенной, кроме начальных этапов своей эволюции, например как в теории бран, иначе бы это приводило к нарушениям закона сохранения. А значит мы лишены способов верифицировать эту гипотезу экспериментальным путём и остаётся только путь интерпретации наблюдательных фактов с помощью математических моделей или ещё радикальнее возвести математические модели в абсолют, как это предлагает Макс Тегмарк. Исключая последнее за явной спорностью, мне кажется, Мультивселенные при интерпретации наблюдений это такая дополнительная сущность, которую согласно принципу Оккама следует отбросить.
Мы недостаточно понимаем устройство нашей Вселенной. Но текущая ситуация в космологии, по моим собственным ощущениям, как аспиранта института космологии, куда ещё хуже! Практически никто из космологов не связывает построение своих теорий с анализом наблюдений. Математические модели часто строятся в безразмерных величинах, так что часто физический смысл бывает скрыт даже для самого теоретика. На первое место выходит математический анализ, а интерпретации идёт в последнюю очередь. Более того, многих космологов удовлетворяет интерпретация результата в терминах математически выстроенной ими физики, например вполне нормально построение лагранжиана в 11-мерном пространстве, а реальное трёхмерное пространство лишь частный случай, который получается после компактификации. Но этот важный и на деле очень трудный переход мало кто совершает. Космология как наука очень молода и далека от совершенства своих методов, и инфляционная Мультивселенная свидетельствует о том, что пока мы до конца не понимаем механизм инфляции. Точно также, интерпретация Эверетта скорее всего связана с нашим непониманием физической сути квантовой механики.
"Прекрасно, что мы встретились с парадоксом. Теперь можно надеяться на продвижение вперёд!" , цитируя Нильса Бора из От какого же непонимания возникают гипотезы о Мультивселенных? Тут явно должен был бы прозвучать вопрос "А почему наша Вселенная единственная и такая какая она есть? ", то есть пока не ясны причины тонкой настройки Вселенной. В статье Розенталя в УФН за 1980 г. о физических закономерностях и численных значениях фундаментальных постоянных хорошо аргументируется, как их изменение повлияет на нашу Вселенную, и что эти значения возможно уникальные для осуществления нашей жизни. Одной из попыток объяснить эти значения является перебор возможных сочетаний вместе с антропным принципом. Но такое объяснение, на мой взгляд, не является удовлетворительным, т.к. такой перебор ничем не ограничен и вряд ли осуществим.
Единая теория единой Вселенной. Более разумным мне кажется путь к созданию единой теории в одной Вселенной, которая бы объясняла выбор таких значений. Думаю, что этот путь лежит в через поиск таких общематематических свойств, которые могут иметь физические следствия. Пока их нельзя ясно назвать, но в качестве примера приведу константу пи, которая имеет ясный математический смысл, но при этом входит в физические формулы. Имела бы смысл Вселенная, в которой число пи было бы другим? Тут можно возразить, что отношение длины окружности к её радиусу меняется в искривленных пространствах, однако в бесконечно малом пределе оно всегда стремится к пи и если бы это было не так, то пространство, наверное, потеряло бы свойства непрерывности, а физические законы стали бы непредсказуемыми.

leon пишет:

В качестве примера приведу константу пи, которая имеет ясный математический смысл, но при этом входит в физические формулы. Имела бы смысл Вселенная, в которой число пи было бы другим? Тут можно возразить, что отношение длины окружности к её радиусу меняется в искривленных пространствах, однако в бесконечно малом пределе оно всегда стремится к пи и если бы это было не так, то пространство, наверное, потеряло бы свойства непрерывности, а физические законы стали бы непредсказуемыми.

Меня тоже давно интересует - По-моему - это глубочайшая проблема , имеющая прямое отношение к фундаментальным первоосновам нашего Мира. Причём, про «пи» ещё можно сказать, что это - константа, полученная из эксперимента (через всё более точное измерение длины окружности единичного диаметра). Но «е» - это ведь число, умозрительно полученное из дифференциального исчисления. Т.е., умозрительное рассмотрение идей непрерывности, суммирования, предельных переходов приводит ко вполне конкретному числу . И не важно - кто будет рассуждать: европеец, африканец или китаец или даже, возможно, ... инопланетянин, он придёт к одному и тому же. Для меня это - на грани чуда. И подтверждение того, что даже самые абстрактные умозрительные конструкции имеют отношение к Миру, поскольку мы (и наш мозг) - это часть Мира. А поэтому, глядя внутрь себя, мы можем прийти к познанию первоснов внешнего (физического) Мира. Правда, нужно понимать - какие умозрительные конструкции какой имеют смысл? Для этого нужна мощная (физическая) интуиция.

Конечно, число Эйлера также замечательная математическая константа, входящая во многие физические формулы.

Однако смысл числа "пи" для меня гораздо нагляднее (и исторически оно возникло раньше). Разовью свою мысль, пусть как в анекдоте: "в военное время - значение "пи" достигает 4", тогда ему будет соотвествовать геометрия шахматной доски, когда самые малые дискретные элементы плоскости соответсвуют клеткам-квадратам и если задать на ней метрику манхэттенским расстоянием , то единичная окружность описанная вокруг клетки будет соотвествовать её 8 соседним клеткам, то есть длина окружности будет равна 8, отсюда пи равно 4. В пространстве такой метрики физику можно симулировать с помощью клеточных автоматов, что было описано в книге Стивена Вольфрама "New kind of science". Однако, у клеточных автоматов есть недостаток, так как их эволюция задается ближайшими соседями, то они описывают только локальные явления (такие как распространение волн) и принципиально с их помощью нельзя описать нелокальные явления, вроде квантовой запутанности.

Это лишь частный случай, но он иллюстрирует, что число "пи" определяет непрерывность геометрии (пространства) нашего мира, на основании которой построена современная физика, а значит пи определяет саму физику. Другим значениям "пи" скорее всего соответствуют дискретные пространства, на которых пока неясно возможно ли адекватно описать все физические явления. Если невозможно, то все такие пространства в определенном смысле ущербны и единственно физически возможным является непрерывное.

Илдус, привет. С Новым Годом!

Пиши внимательнее.

Геометрия шахматной доски, когда самые малые дискретные элементы плоскости соответсвуют клеткам-квадратам и если задать на ней метрику манхэттенским расстоянием , то единичная окружность описанная вокруг клетки будет соотвествовать её 8 соседним клеткам, то есть длина окружности будет равна 8, отсюда пи равно 4.

2) Надо определиться с терминами.

Если считать окружность геометрическим местом точек, равноудалённых от данной, то единичная окружность, описанная вокруг клетки будет соответствовать не 8, а только 4 соседним клеткам (восток-север-запад-юг). Остальные четыре отстоят от центра на расстояние 2. Диаметр D=2, длина окружности L=4. Поэтому число пи=L/D=4/2=2.

Если же определить окружность твоим способом, через 8 соседних клеток, то диаметр D=4, длина окружности L=8, пи=L/D=8/4=2.

Здраствуйте, Вадим Владимирович! И Вас с наступившим! Спасибо, что разобрались в моих рассуждениях и отыскали ошибку. Извините, ссылка действительно получилась бестолковой, к тому же я перепутал манхеттенское расстояние и расстояние Чебышева, которым оперировал.

Манхеттенское расстояние на шахматной доске между клетками можно описать как минимальное число ходов необходимое ладье, а расстояние Чебышева минимальное число ходов королем. В последнем случае пи равно 4 (8 соседних клеток образуют равноудаленный квадрат(т.е. единичную окружность), который мы можем непрерывно обойти королем, а диаметр единичной окружности всегда равен 2) . А вот в первом это уже не так очевидно, 4 соседних клетки нельзя непрерывно обойти с помощью ладьи, тут будут необходимы ходы в центр и обратно и таким образом длина единичной окружности равна 8, а пи 4. Более математически строго расстояния в таких случаях измеряются по Лебегу, тогда манхеттенское расстояние это метрика на L_1, а Чебышева на L_бесконечность.

Для физики же важно пространство с метрикой на L_2. В мире на шахматной доске, где все объекты перемещаются на целочисленные расстояния и физически как-то должны между собой синхронизироваться, теоретически должно быть возможно задать их способ перемещения в согласии с метрикой, что-то вроде ходов конём (по крайней мере теорема Ферма для случая 2 это позволяет, а вот для случая 3 и выше нет). Но чему равно пи в этом случае мне пока трудно сказать.

Ради математической разминки интересно рассмотреть чему равно пи в зависимости от замощения плоскости, наверняка этот вопрос уже кто-то исследовал. Но ради юмора, например, можно утверждать, что с расстоянием Чебышева на гексогональной доске пи равно 3, а на треугольной 1.5. Однако, я склонен считать, что на дискретном пространстве адекватной физической реальности не описать и не получить в "демиурговском" смысле, поэтому это всего лишь математические каламбуры.

почему числа типа «пи» или «е» именно такие и никакие другие? ... Для меня это - на грани чуда.

Всегда было именно такое ощущение. А ведь есть ещё мнимые числа, "перпендикулярные" «пи» и «е» . Даже отрицательные числа совершили переворот в математике.

все вместе : $$-e^{i\pi}=1$$

Полина пишет:

А ведь есть ещё мнимые числа, "перпендикулярные" «пи» и «е» .

Да, вот в чём физический смысл того, что волновая функция микрочастиц - мнимая, а вероятность обнаружения частицы пропорциональна квадрату её модуля?

Полина пишет:

Для меня самым поразительным является то, что все вместе умозрительные числа превращаются в обычное число - единицу: $$-e^{i\pi}=1$$

Действительно, замечательная формула!

Соглашусь, про первые 3 гипотезы. Но вот с 4 никак нельзя соглашаться, по крайней мере из того факта, что все наблюдательные факты говорят о том, что Вселенная не бесконечна. Насчёт 5...

Если наши сегодняшние знания, опирающиеся на нашу математику позволяют, грубо говоря, описать наличие других вселенных, то почему в них должна быть другая математика?

Folko пишет:

Насчёт 5... Если наши сегодняшние знания, опирающиеся на нашу математику позволяют, грубо говоря, описать наличие других вселенных, то почему в них должна быть другая математика?

Сережа! Здравствуй! Прокомментируй - какие факты говорят о конечности Вселенной и в какой форме? В общем, из философских соображений можно утверждать, что Вселенная (с большой буквы) конечна. Но в какой форме эта конечность реализуется - это еще надо понять.

Аргументов против высказываемых в данной статье гипотез у меня нет... за исключением того, что предлагаемые суждения не являются аргументами, а являются гипотезами, т.е предположениями, которые не имеют пока какой-либо надежной экспериментальной проверки. А последнее очень существенно.

Все пять обозначенных гипотез относятся к разным разделам физики и, по большому счету, противоречат или могут противоречить друг другу.

Так, например, пятая гипотеза по сути противоречит формулировке всех остальных. Если математика другая, то о чем собственно можно говорить в рамках привычной нам математики...

Первые две гипотезы - это из арсенала современной космологии, причем они являются одними из возможных вариантов множества аналогичных гипотез.

Третья гипотеза Эверетта призвана была рационализировать или "объяснить" смысл квантовых законов, но таких способов интерпретировать квантовую теорию много. А с другой строны, идеи Эверетта никак не связаны с ОТО, на чем построены две первые гипотезы.

Четвертая гипотеза совсем невнятная. И, наконец, существуют более продвинутые гипотезы, которые как раз могут рассчитывать на аргументированность в отличие от представленных.

Например, теория Калуцы-Клейна о пятимерном пространстве. Проблема только в одном. Теория Калуцы-Клейна не столь впечатляюща, как идеи Эверетта, и базируется на математических идеях, которые трудно изложить в форме понятных всем высказываний. Так что аргументов пока очень мало, но уверенности в сложности мира очень много...

zhvictorm пишет:

Предлагаемые суждения не являются аргументами, а являются гипотезами, т.е предположениями, которые не имеют пока какой-либо надежной экспериментальной проверки.

Согласен, это - типичные примеры «математической фантастки». Поэтому, я старательно изменял слова «теория» из на слово «гипотеза». Но осталась устойчивое уже в современной научной лексике понятие «М-теория», которую, конечно, правильнее назвать «М-гипотеза»? А «инфляционная теория» - это теория или гипотеза? А теория/гипотеза Большого взрыва? Последние, конечно, имеют больше экспериментальных аргументов в свою пользу, чем первые. Вопрос в том - где проводить границу между гипотезой и теорией? Может быть, лучше пользоваться более нейтральным (в отношении экспериментальных аргументов) терминов «модель»? Инфляционная модель, модель Большого взрыва, суперструнная модель и т.п.

zhvictorm пишет:

Четвертая гипотеза совсем невнятная.

Я её тоже плохо понял. И пятую - тоже. Но решил оставить их в статье, чтобы, может быть, вместе разобраться.

zhvictorm пишет:

И, наконец, существуют более продвинутые гипотезы, которые как раз могут расчитывать на аргументированность в отличие от представленных. Например, теория Калуцы-Клейна о пятимерном пространстве.

А разве модель Калуцы-Клейна предполагает множество миров? Насколько я помню, в ней вводится 5-е измерение, которое затем компактифицируется до малых масштабов (в более поздних вариантах модели - до планковских размеров). Но, Мир (Вселенная) в этой модели единичны.

Да, и самое главное - насколько модель Калуцы-Клейна подтверждена экспериментом? Или, может быть, есть какие-то другие критерии (кроме непосредственной экспериментальной подтверждённости), которые позволяют рассматривать некую модель, как серьёзную, заслуживающую внимания и являющуюся, в свою очередь, аргументом для чего-либо? Какие это могут быть критерии? Ну, например, красота теории , о чём писал Эйнштейн.

А «инфляционная теория» - это теория или гипотеза? А теория/гипотеза Большого взрыва?

На эти вопросы можно отвечать по разному в зависимости от того, к какой точке зрения Вы сами склоняетесь. Но все же есть определенные основания утверждать, что теория Большого взрыва или ее современная составляющая - модель инфляции, могут рассматриваться как теории. Теорию от гипотезы, как правило, отличает глубокая проработанность следствий сразу для многих различных наблюдаемых явлений. Если проверки достоверности выводов затруднены на данный момент времени, то теория может рассматриваться как гипотетическая. ОТО до сих пор можно рассматривать как гипотетическую теорию, поскольку не все в ней проверено. Например, гравитационные волны не обнаружены пока. Теория инфляции объясняет целый букет наблюдаемых явлений из различных разделов физики и астрофизики. Например, отсутствие монополей и отсутствие на небе точки начала Большого взрыва. Но проверить ее прямыми экспериментами не представляется возможным, но она содержит рецепты для построения математических выводов косвенных фактов, которые проверить можно или будет возможно.

...насколько модель Калуцы-Клейна подтверждена экспериментом?

Теория Калуцы-Клейна объясняет электромагнетизм наличием дополнительных измерений. Для начала достаточно одного. При этом она устроена так, что согласуется с ОТО. Поэтому ее обоснованность во многом связана с обоснованностью этих теорий. Но, естественно, содержит такие утверждения, которые пока не проверены. В частности, это касается существования дополнительных измерений. Однако именно органичность объединения ОТО и теории электромагнетизма в ней можно рассматривать как аргумент, хотя у нее в этом плане тоже есть проблемы. Что касается множественности миров, то любая теория, содержащая дополнительные измерения допускает неизбежно наличие многих Вселенных. М-теории с математической точки зрения хорошо развиты и с этой точки зрения могут рассматриваться как гипотетические теории или математические теории. Тем более, что они опираются на ОТО или ее обобщения, а иногда используют и теории типа Калуцы-Клейна. В обсуждаемой статье без особого основания выделены пять гипотез, которые между собой не очень связаны, и тем более не выделены на фоне других всяких гипотез и гипотетических теорий. Даже трудно понять какими предпочтениями пользовался собравший их, видимо, журналист.

zhvictorm пишет:

Теория Большого взрыва или ее современная составляющая - модель инфляции, могут рассматриваться как теории. ... ОТО до сих пор можно рассматривать как гипотетическую теорию, поскольку не все в ней проверено.

Интересно получается: теории Большого взрыва и инфляции, которые основаны на гипотетической ОТО. Как может быть надёжно установленное основываться на ненадёжно установленном?

zhvictorm пишет:

Теория Калуцы-Клейна объясняет электромагнетизм наличием дополнительных измерений. Для начала достаточно одного. При этом она устроена так, что согласуется с ОТО. Поэтому ее обоснованность во многом связана с обоснованностью этих теорий.

Первое . Опять имеет место ситуация: «теория Калуцы-Клейна, основанная на гипотетической ОТО».

Второе . Здесь проявляется интересный принцип: стремление сохранить (пусть и применить в новом ракурсе, но всё-же, сохранить) некую идею , однажды удачно применённую и далее - успешно выдержавшую испытание временем и экспериментом. В данном случае речь идёт об идее геометризации материи и её взаимодействий , которая впервые была удачно введена в физику Эйнштейном в его ОТО (хотя, конечно, она ранее высказывалась Клиффордом). Про идеи , эйдосы (по Платону), мемы (по Докинзу) мы .

zhvictorm пишет:

Что касается множественности миров, то любая теория, содержащая дополнительные измерения допускает неизбежно наличие многих Вселенных.

В отношении модели Калуцы-Клейна мне это не совсем понятно. 3+1-мерное пространство-время + компактифицированное 5-е измерение составляют одну вселенную (нашу). А где здесь вторая вселенная (и другие)?

zhvictorm пишет:

Именно органичность объединения ОТО и теории электромагнетизма в ней можно рассматривать как аргумент...

Вот это то, что примерно соответствует принципу красоты теории Эйнштейна : когда возникает новая идея-эйдос-мем, из которого на уровне теорий всё старое вдруг органично и просто («красиво») объединяется и объясняется. Это, действительно, является мощным аргументом, но - чисто умозрительным, не имеющим прямого отношения к эксперименту . Так, например, и Коперник руководствовался желанием упростить систему Мира Птолемея, уже обросшую эпициклами, дифферентами и эквантами, но, вместе с тем - дававшую очень хорошее совпадение с опытом. Поразительное сходство ситуации с современной Стандартной моделью, дающей отличное совпадение с экспериментом! И идеи-эйдосы в системе Птолемея были выдержаны: 1) геоцентричность, т.е. расположение Богом созданной Земли в центре Мира и 2) идеальность кругового равномерного движения божественных небесных тел - планет . Все «навороты» в системе Птолемея были подчинены желанию сохранить эти «надёжные и веками проверенные» эйдосы. Прямо, как в Стандартной модели - есть идея симметрии и её последующего нарушения и усилия большинства физиков-теоретиков второй половины 20 века и начала 21 века, изучающих частицы, направлены на то, чтобы сохранить (пусть и применить в новом ракурсе , но всё-же, сохранить) идей-эйдосы, родившиеся в ходе революции в физике первой трети 20 века. Идея симметрии - одна из них (но не единственная, конечно!). В результате и возникли те «навороты», которые вылились в Стандартную модель (симметрии частиц, калибровочные поля, механизм Хиггса и т.п.) и далее - в модель суперсимметрии (симметрии уже между фермионами и бозонами). И во время Коперника, как и сейчас, всё, вроде, хорошо... Сторонники роли науки, как служанки практики были довольны - по эфемеридам светил, вычисленным по Птолемею, можно было спокойно вести корабли с товарами во все концы Мира. Только вот, одна закавыка... Пытливому уму Коперника (ох, уж эти «умники»!) было непонятно - в чём физический (или, правильнее сказать для той эпохи - божественный) смысл того, что планеты движутся не по геоцентричным окружностям, а по эпициклам, да ещё сдвинутым на экванты? Также и сейчас становится всё более непонятно - в чём физический смысл суперсимметрий или, например, процедуры перенормировки, или почему существует всего 3 поколения лептонов и кварков и т.д., и т.д. Не говоря уже о вопросе о физическом смысле комплексности и вероятностности пси-функции... Коперник в качестве выхода из сложившейся ситуации предложил новую идею-эйдос - гелиоцентричность и всё органично и просто объяснилось . Правда вот с «соответствием опыту» у него было не всё хорошо: система Птолемея давала гораздо большую точность эфемерид. А всё потому, что Коперник «недотянул» до эйдоса эллиптичности орбит , который открыл только Кеплер, а объяснил Ньютон. Так что, модель Коперника была, в лучшем случае, гипотезой, но главным в ней был новый эйдос (строго говоря, не совсем новым: и идеи Птолемея и идеи Коперника и идеи Кеплера - родом из античности, но они были применены этими исследователями на более высоком уровне конкретности и развёрнутости).

Так не нуждается ли современная физика частиц в новых идеях-эйдосах, а не в бесконечном «наворачивании» старых?

Илья! Вообще-то смысл моего комментария был исключительно о неясности выбора "аргументов"-гипотез относительно гипотезы множественности миров.

Теорию Калуцы-Клейна я привел в качестве примера, который в большей степени может рассчитывать на аргументированность своего существования, чем приведенные в статье. Что касается гипотетичности ОТО и связанных с ней теорий, то этот вопрос достаточно сложный и требует обсуждения проблем уже в форме некоторых математических построений. Тем более, я не говорил об абсолютной надежности таких теорий как теория Больщого взрыва (ТБО) и модель космологической инфляции (МКИ). Однако можно предполагать, что если даже ОТО будет существенно модифицирована, то основные элементы ТБО и МКИ могут остаться неизменными. Например, решения Фридмана имеют и классический аналог - взрыв в плоском пространстве сферического объекта. Поэтому все эти теории гипотетические в той или иной мере.

Что касается теории Калуцы-Клейна . Во-первых, компактификация не является обязательным атрибутом теории Калуцы-Клейна. Компактификацию ввели, чтобы объянить то, что мы не наблюдаем дополнительных измерений. Идея компактификации - лишь один из вариантов. Во-вторых, если наблюдаемое пространство трехмерно, а общее имеет размерность n+1, то в этом объемлющем прострастве могут уместиться сколько угодно трехмерных. Например, компактификация может быть многозначной. В любой многомерной теории есть место для множественности миров. В-третьих, органичность сочетания ОТО и электромагнетизма в теории Калуцы-Клейна дает лишь аргумент в пользу этой теории, но не делает ее истинной.

Теперь о том, какие идеи нужны современной физике . Во все времена любой науке нужны плодотворные идеи, которые могут объяснить наблюдаемые явления в максимальной степени. Называть эти идеи можно как угодно. Это не принципиально. Во времена Аристотеля плодотворной идеей была идея эпициклов, во времена Кеплера - теория эллиптических орбит. Чуть позже их место заняла небесная механика. Идеи симметрии всегда были полезны, если не возводить их в ранг абсолюта. Поэтому современной физике нужны новые идеи, как и в любые другие времена.

Однако, как говорил Ходжа Насреддин, сколько не произноси слово сахар, во рту слаще не станет. Эти идеи надо искать и проверять, искать и проверять... . Других рецептов, кроме великой идеи научного тыка, просто нет. Если что-то можно применить из старого багажа, то это просто счастье, а консерватизм в науке, если он не переходит определенной грани, полезен в том смысле, что это отсеивает необоснованные теории. К сожалению, это не всегда в науке выдерживается, и ряд теорий слишком долго ждали своего использования. Ну это уже определяется обстановкой в обществе и науке в целом.

zhvictorm пишет:

Современной физике нужны новые идеи, как и в любые другие времена.

Однако, как говорил Ходжа Насреддин, сколько не произноси слово сахар, во рту слаще не станет. Эти идеи надо искать и проверять, искать и проверять... . Других рецептов, кроме великой идеи научного тыка, просто нет.

Согласен насчёт сахара, только вот метод научного тыка (перебора) - это, мягко говоря, не самый эффективный способ поиска. Нужно изучать общие закономерности развития физического знания и следовать им более осознанно в поисках новых фундаментальных и эффективных идей. Впрочем, может быть, именно это и отражено в характеристике тыка, как научного ?

Хочу высказать своё мнение о том, что общество, а значит, и мы в какой-то степени, можем сделать для того, чтобы повысить вероятность появления новых фундаментальных физических идей и теорий. Что мы можем сделать (делать) здесь и сейчас , а не ждать пока они случайно появятся.

zhvictorm пишет:

Если что-то можно применить из старого багажа, то это просто счастье, а консерватизм в науке, если он не переходит определенной грани, полезен в том смысле, что это отсеивает необоснованные теории. К сожалению, это не всегда в науке выдерживается, и ряд теорий слишком долго ждали своего использования. Ну это уже определяется обстановкой в обществе и науке в целом.

Параллельные вселенные - это теория или действительность? Многие ученые-физики бьются над решением этого вопроса далеко не первый год.

Существуют ли параллельные вселенные?

Является ли наша Вселенная одной из множества? Идея параллельных вселенных, ранее приписываемая исключительно научной фантастике, теперь становится все более уважаемой среди ученых - по крайней мере, среди физиков, которые обычно доводят любую идею до самых рамок того, что вообще можно предположить. В действительности существует огромное количество потенциальных параллельных вселенных. Физики предложили несколько возможных форм «мультивселенной», каждая из которых является возможной по тому или иному аспекту законов физики. Проблема, которая вытекает непосредственно из самого определения, заключается в том, что люди никогда не смогут посетить эти вселенные, чтобы убедиться в том, что они существуют. Таким образом, вопрос заключается в том, как другими методами проверить существование параллельных вселенных, которые невозможно увидеть или потрогать?

Зарождение идеи

Предполагается, что по крайней мере в некоторых из этих вселенных живут человеческие двойники, которые проживают похожие или даже идентичные жизни с людьми из нашего мира. Такая идея затрагивает ваше эго и пробуждает фантазии - именно поэтому мультивселенные, какими бы далекими и недоказуемыми они ни были, всегда получали такую широкую популярность. Наиболее наглядно вы могли увидеть идеи мультивселенных в таких книгах, как «Человек в высоком замке» Филиппа К. Дика, и в таких фильмах, как «Осторожно, двери закрываются». На самом деле, нет ничего нового в идее мультивселенных - это наглядно доказывает религиозный философ Мери-Джейн Рубенштейн в своей книге «Миры без конца». В середине шестнадцатого века Коперник спорил о том, что Земля не является центром Вселенной. Спустя несколько десятилетий телескоп Галилео показал ему звезды вне досягаемости, так человечество получило первое представление о необъятности космоса. Таким образом, в конце шестнадцатого века итальянский философ Джордано Бруно рассуждал о том, что Вселенная может быть бесконечной и содержать в себе бесконечное число населенных миров.

Вселенная-матрешка

Идея о том, что Вселенная содержит множество солнечных систем, стала довольно распространенной в восемнадцатом веке. В начале двадцатого века ирландский физик Эдмунд Фурнье Д’Альба даже предположил, что может существовать бесконечная регрессия «вложенных» вселенных разного размера, как больших, так и меньших. С этой точки зрения, отдельно взятый атом можно рассматривать как настоящую населенную солнечную систему. Современные ученые отрицают предположение о существовании мультивселенной-матрешки, но взамен они предложили несколько других вариантов, в которых могут существовать мультивселенные. Вот самые популярные среди них.

Лоскутная вселенная

Самая простая из этих теорий вытекает из идеи о бесконечности Вселенной. Невозможно знать наверняка, является ли она бесконечной, но и отрицать это невозможно. Если она все же бесконечна, то она должна быть разделена на «лоскуты»-регионы, которые не видны друг другу. Почему? Дело в том, что эти регионы находятся настолько далеко друг от друга, что свет не может преодолеть такую дистанцию. Возраст Вселенной составляет всего 13.8 миллиарда лет, так что любые регионы, находящиеся на расстоянии 13.8 миллиарда световых лет друг от друга, полностью отрезаны друг от друга. В соответствии со всеми данными, эти регионы могут считаться отдельными вселенными. Но они не остаются в таком состоянии навсегда - в конце концов свет переходит границу между ними, и они расширяются. И если Вселенная на самом деле состоит из бесконечного количества «островных вселенных», содержащих материю, звезды и планеты, то где-то должны быть и миры, идентичные Земле.

Инфляционная мультивселенная

Вторая теория вырастает из идей о том, как Вселенная зародилась. В соответствии с доминирующей версией о Большом Взрыве, она началась как бесконечно малая точка, которая невероятно быстро расширилась в раскаленном огненном шаре. Спустя долю секунды после начала расширения ускорение уже достигло такой огромной скорости, которая намного превышала скорость света. И этот процесс называется «инфляцией». Инфляционная теория объясняет, почему Вселенная является относительно однородной в любой отдельно взятой ее точке. Инфляция расширила этот огненный шар до космических масштабов. Однако изначальное состояние также имело большое количество различных случайных вариаций, которые также подверглись инфляции. И теперь они сохраняются в качестве реликтовой радиации, слабого послесвечения Большого Взрыва. И это излучение пронизывает всю Вселенную, делая ее не такой равномерной.

Космический естественный отбор

Данная теория была сформулирована Ли Смолиным из Канады. В 1992 году он предположил, что вселенные могут развиваться и воспроизводиться точно так же, как живые существа. На Земле естественный отбор способствует появлению «полезных» черт, таких как большая скорость бега или особое расположение больших пальцев. В мультвселенной также должно существовать определенное давление, которое делает одни вселенные лучшими, чем другие. Смолин назвал эту теорию «космическим естественным отбором». Идея Смолина заключается в том, что «материнская» вселенная может давать жизнь «дочерним», которые формируются внутри нее. Материнская вселенная может сделать это только в том случае, если у нее имеются черные дыры. Черная дыра формируется, когда большая звезда разрушается под воздействием ее собственной силы притяжения, сталкивая все атомы до такой степени, пока они не достигают бесконечной плотности.

Мультивселенная брана

Когда общая теория относительности Альберта Эйнштейна начала набирать популярность в двадцатые годы, многие люди обсуждали «четвертое измерение». Что может там находиться? Возможно, скрытая вселенная? Это была бессмыслица, Эйнштейн не предполагал существование новой вселенной. Все, что он говорил - это то, что время является таким же измерением, которое похоже на три измерения пространства. Все четыре сплетаются между собой, образую пространственно временной континуум, материя которого искажается - и получается гравитация. Несмотря на это, другие ученые начали обсуждать возможность существования других измерений в космосе. Впервые намеки на скрытые измерения появились в работах теоретического физика Теодора Калуцы. В 1921 году он продемонстрировал, что, добавляя к уравнению общей теории относительности Эйнштейна новые измерения, можно получить дополнительное уравнение, с помощью которого можно предсказывать существование света.

Многомировая интерпретация (квантовая мультивселенная)

Теория квантовой механики является одной из самых успешных во всей науке. Она обсуждает поведение самых малых объектов, таких как атомы и их составляющие элементарные частицы. Она может предсказывать самые различные феномены, начиная от формы молекул и заканчивая тем, как взаимодействуют свет и материя - и все это с невероятной точностью. Квантовая механика рассматривает частицы в форме волн и описывает их математическим выражением, которое именуется волновой функцией. Возможно, самой странной особенностью волновой функции является то, что она позволяет частице существовать одновременно в нескольких состояниях. Это называется суперпозицией. Но суперпозиции разрушаются, как только предмет измеряется любым способом, так как измерения заставляют объект выбрать конкретную позицию. В 1957 году американский физик Хью Эверетт предложил перестать жаловаться на странную природу такого подхода и просто жить с ним. Он также предположил, что объекты не переключаются на конкретную позицию при их измерении - вместо этого он считал, что все возможные позиции, заложенные в волновую функцию, одинаково реальны. Поэтому, когда происходит измерение предмета, человек видит лишь одну из многих реальностей, но все остальные реальности также существуют.

• 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)