Пять аргументов в пользу существования Мультивселенной. Параллельные вселенные Теория бесконечных вселенных

⁰

11 162

Вселенная, в которой мы живем, может быть не единственной. По сути, наша Вселенная может быть только одной из бесконечного числа вселенных, образующих “мультивселенную”.
Некоторые эксперты считают, что существование скрытых вселенных более вероятно, чем нет.

Вот пять наиболее правдоподобных научных теорий, предполагающих, что мы живем в Мультивселенной:

1. Бесконечные Вселенные

Ученые пока не уверены, какую форму имеет пространство-время, но, скорее всего, оно плоское (в отличие от сферической и даже пончиковой формы) и тянется бесконечно. Но если пространство-время бесконечно, то оно должно начать повторяться в какой-то момент, потому что есть конечное количество способов, как частицы могут быть устроены в пространстве и времени.

Так что если бы вы могли посмотреть достаточно далеко, вы бы увидели еще одну версию себя - на самом деле, бесконечное количество версий. Некоторые из этих близнецов будут делать именно то, что вы делаете прямо сейчас, в то время как другие будут носить этим утром другой свитер, а третьи и четвертые будут иметь совершенно разные карьеры и образ жизни.

Поскольку простирается лишь настолько, насколько свет имеет шанс попасть за 13,7 млрд. лет после большого взрыва (13,7 млрд световых лет), пространство-время за пределами этого расстояния можно считать своей собственной, отдельной вселенной. Таким образом, множество вселенных существует рядом друг с другом в гигантской мозаике из вселенных.

Пространство-время может растянуться до бесконечности. Если это так, то все в нашей Вселенной обязано повториться в какой-то момент, создавая лоскутное одеяло из бесконечных вселенных.

2. Дочерние вселенные

Теория квантовой механики, которая правит в крошечном мире субатомных частиц, предлагает еще один способ возникновения множественных вселенных. Квантовая механика описывает мир в терминах вероятности, без конкретных результатов. И математика этой теории предполагает, что все возможные исходы ситуации происходят в их собственных отдельных вселенных. Например, если вы достигнете перекрестка, где вы можете пойти направо или налево, вселенная порождает две дочерние вселенные: одна, в которой вы идете направо, другая – налево.

“И в каждой Вселенной, есть копия вас, как свидетеля того или иного результата. Думать, что ваша реальность является единственной реальностью, – неправильно.”

– Написал Брайан Рэндолф Грин в “Скрытой реальности”.

3. Вселенная Пузырь

Помимо множественных вселенных, созданных бесконечно расширяющемся пространством-временем, другие вселенные могут возникать в связи с так называемой теорией “вечной инфляции”. Понятие инфляции заключается в том, что Вселенная быстро расширяется после Большого взрыва, словно надуваемый воздушный шар. Вечная инфляция, впервые предложенная космологом университета Тафтса Александром Виленкиным, говорит о том, что отдельные участки пространства перестают раздуваться, тогда как в других регионах продолжают раздуваться, тем самым порождая множество изолированных “пузырчатых вселенных”.

Таким образом наша собственная вселенная, где инфляция закончилась, позволив сформироваться звездам и галактикам, является всего лишь маленьким пузырем в обширном море пространства, часть из которого все еще раздувает, и которая содержит много других пузырей, как наша Вселенная. И в некоторых из этих вселенных пузырей, законы физики и фундаментальных констант могли бы отличаться от наших, делая некоторые вселенные действительно странными местами.

4. Математические Вселенные

Ученые спорят о том, является ли математика просто полезным инструментом для , или сама математика является фундаментальной действительностью, и наши наблюдения за Вселенной – просто несовершенное восприятие ее истинного математического характера. Если последний случай имеет место, то, возможно, конкретная математическая структура, которая составляет нашу вселенную, не является единственным выбором, и на самом деле все возможные математические структуры существуют как свои собственные отдельные вселенные.

“Математическая структура – это нечто, что можно описать таким образом, что это полностью зависит от человеческого багажа”, – сказал Макс Тегмарк из Массачусетского технологического института, который предложил эту, на первый взгляд, безумную идею.

“Я действительно верю, что эта существующая Вселенная может существовать независимо от меня, и будет продолжать существовать, даже если бы не было никаких людей.”

5. Параллельные Вселенные

Еще одна идея, которая возникает из теории струн, является понятие “braneworlds” (мир бран) - параллельные вселенные, которые парят вне досягаемости наших собственных, предложенная Паулем Штайнхардтом Принстонского университета и Нилом Туроком из Института Периметра Теоретической Физики в Онтарио, Канада. Идея исходит из возможности существования многих других измерений в нашем мире, чем трехмерное пространство и одно время, которое мы знаем. В дополнение к нашему трехмерному брану пространства, другие трехмерные браны могут плавать в пространстве большей размерности.

Существует теория, согласно которой существует множество вселенных, где мы живем абсолютно другой жизнью: каждое наше действие связано с определенным выбором и, делая этот выбор на нашей Вселенной, в параллельной – «другой я» принимает противоположное решение. Насколько оправдана такая теория с научной точки зрения? Почему ученые прибегли к ней? Попробуем разобраться в нашей статье.

Многомировая концепция Вселенной
Впервые теорию о вероятном множестве миров упомянул американский физик Хью Эверетт. Он предложил свою разгадку одной из главных квантовых загадок физики. Перед тем как перейти непосредственно к теории Хью Эверетта, необходимо разобраться, что это за тайна квантовых частиц, которая не дает покоя физикам всего мира уже не один десяток лет.

Представим себе обычный электрон. Оказывается, в качестве квантового объекта он может находиться в двух местах одновременно. Это его свойство называют суперпозицией двух состояний. Но магия на этом не заканчивается. Как только мы захотим как-то конкретизировать местоположение электрона, например, попытаемся его сбить другим электроном, то из квантового он станет обычным. Как такое возможно: электрон был и в пункте А, и в пункте Б и вдруг в определенный момент перепрыгнул в Б?

Хью Эверетт предложил свою интерпретацию этой квантовой загадки. Согласно его многомировой теории, электрон так и продолжает существовать в двух состояниях одновременно. Все дело в самом наблюдателе: теперь он превращается в квантовый объект и разделяется на два состояния. В одном из них он видит электрон в пункте А, в другом – в Б. Существуют две параллельные реальности, и в какой из них окажется наблюдатель – неизвестно. Деление на реальности не ограничено числом два: их ветвление зависит лишь от вариации событий. Однако все эти реальности существуют независимо друг от друга. Мы, как наблюдатели, попадаем в одну, выйти из которой, как и переместиться в параллельную, невозможно.

С точки зрения этой концепции легко объясняется и эксперимент с самым научным котом в истории физики – котом Шредингера. Согласно многомировой интерпретации квантовой механики, несчастный кот в стальной камере одновременно и жив, и мертв. Когда мы раскрываем эту камеру, то как бы сливаемся с котом и образуем два состояния – живое и мертвое, которые не пересекаются. Образуются две разные вселенные: в одной наблюдатель с мертвым котом, в другой – с живым.
Стоит сразу отметить, что многомировая концепция не предполагает наличия множества вселенных: она одна, просто многослойная, и каждый объект в ней может находиться в разных состояниях. Такую концепцию нельзя считать экспериментально подтвержденной теорией. Пока что это всего лишь математическое описание квантовой загадки.

Теорию Хью Эверетта поддерживают физик, профессор австралийского университета Гриффита Говард Уайзман, доктор Майкл Холл из Центра квантовой динамики университета Гриффита и доктор Дирк-Андре Деккерт из Университета Калифорнии. По их мнению, параллельные миры действительно есть и наделены разными характеристиками. Любые квантовые загадки и закономерности – это последствие «отталкивания» друг от друга миров-соседей. Возникают эти квантовые явления для того, чтобы каждый мир был не похож на другой.

Как и в случае с многомировой концепцией, теорию струн достаточно трудно доказать экспериментально. Кроме того, математический аппарат теории настолько труден, что для каждой новой идеи математическое объяснение нужно искать буквально с нуля.

Гипотеза математической вселенной
Космолог, профессор Массачусетского технологического института Макс Тегмарк в 1998 году выдвинул свою «теорию всего» и назвал ее гипотезой математической вселенной. Он по-своему решил проблему существования большого количества физических законов. По его мнению, каждому набору этих законов, которые непротиворечивы с точки зрения математики, соответствует независимая вселенная. Универсальность теории в том, что с ее помощью можно объяснить все разнообразие физических законов и значения физических постоянных.

Тегмарк предложил все миры по его концепции разделить на четыре группы. К первой относятся миры, находящиеся за пределами нашего космического горизонта, так называемые внеметагалактические объекты. Во вторую группу входят миры с другими физическими константами, отличными от постоянных нашей Вселенной. В третью – миры, которые появляются в результате интерпретации законов квантовой механики. Четвертая группа – это некая совокупность всех вселенных, в которых проявляются те или иные математические структуры.

Как отмечает исследователь, наша Вселенная не единственная, так как пространство безгранично. Наш мир, где мы живем, ограничен пространством, свет из которого дошел до нас за 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва. Узнать о других вселенных достоверно мы сможем еще минимум через миллиард лет, пока свет от них достигнет нас.

Стивен Хокинг: черные дыры – путь в другую вселенную
Стивен Хокинг также является сторонником теории множества вселенных. Один из самых известных ученых современности в 1988 году впервые представил свое эссе «Черные дыры и молодые вселенные». Исследователь предполагает, что черные дыры – это дорога к альтернативным мирам.
Благодаря Стивену Хокингу мы знаем, что черным дырам свойственно утрачивать энергию и испаряться, выпуская при этом излучение Хокинга, получившее имя самого исследователя. До того, как великий ученый сделал это открытие, научное сообщество полагало, что все, что каким-либо образом попадает в черную дыру, исчезает. Теория Хокинга опровергает это предположение. По мнению физика, гипотетически любая вещь, предмет, объект, попавший в черную дыру, вылетает из нее и попадает в иную вселенную. Однако такое путешествие является движением в один конец: обратно вернуться никак нельзя.

Из всего этого следует, что прохождение через черную дыру вряд ли окажется популярным и надежным способом космических путешествий. Во-первых, вам придется попасть туда, перемещаясь во мнимом времени и не заботясь о том, что ваша история в реальном времени печально закончилась. Во-вторых, на самом деле вы не смогли бы выбрать место назначения. Это все равно, что лететь по какой-то авиалинии, что взбрела вам в голову,
– пишет исследователь.

Параллельные вселенные и бритва Оккама
Как мы видим, с полной уверенностью доказать теорию множественных вселенных пока остается невозможным. Противники теории считают, что мы не имеем права говорить о бесконечном множестве вселенных хотя бы потому, что не можем объяснить постулаты квантовой механики. Такой подход идет вразрез с философским принципом Уильяма Оккама: «Не следует множить сущее без необходимости». Сторонники же теории заявляют: гораздо проще предположить существование множества вселенных, чем наличие одной идеальной.

Чья аргументация (сторонников или противников теории мультивселенной) убедительнее – решать вам. Кто знает, может, именно вам удастся отгадать квантовую загадку физики и предложить новую универсальную «теорию всего».

А если вас волнует устройство нашей Вселенной и привлекают тайны физики, советуем почитать нашу статью про гипотезу компьютерной симуляции.

Как часто вы задумываетесь о том, как бы был устроен наш мир сегодня, если бы результат каких-то ключевых исторических событий был другим? Какой была бы наша планета, если бы динозавры, например, не вымерли? Каждое наше действие, решение автоматически становится частью прошлого. По сути дела, настоящего нет: все, что мы делаем в данную минуту, уже не изменить, оно записано в памяти Вселенной. Однако существует теория, согласно которой существует множество вселенных, где мы живем абсолютно другой жизнью: каждое наше действие связано с определенным выбором и, делая этот выбор на нашей Вселенной, в параллельной – «другой я» принимает противоположное решение. Насколько оправдана такая теория с научной точки зрения? Почему ученые прибегли к ней? Попробуем разобраться в нашей статье.

Многомировая концепция Вселенной

Впервые теорию о вероятном множестве миров упомянул американский физик Хью Эверетт. Он предложил свою разгадку одной из главных квантовых загадок физики. Перед тем как перейти непосредственно к теории Хью Эверетта, необходимо разобраться, что это за тайна квантовых частиц, которая не дает покоя физикам всего мира уже не один десяток лет.

Octavio Fossatti / Unsplash.com

Стоит сразу отметить, что многомировая концепция не предполагает наличия множества вселенных: она одна, просто многослойная, и каждый объект в ней может находиться в разных состояниях. Такую концепцию нельзя считать экспериментально подтвержденной теорией. Пока что это всего лишь математическое описание квантовой загадки.

Концепция параллельных вселенных и теория струн

Из школьных уроков мы хорошо помним, что в физике есть две главные теории: общая теория относительности и квантовая теория поля. Первая объясняет физические процессы в макромире, вторая – в микро. Если обе эти теории использовать на одном масштабе, они будут противоречить друг другу. Кажется логичным, что должна существовать некая общая теория, применимая к любым расстояниям и масштабам. В качестве таковой физики выдвинули теорию струн.

Дело в том, что на очень мелких масштабах возникают некие колебания, которые похожи на колебания от обычной струны. Эти струны заряжены энергией. «Струны» – это не струны в прямом смысле. Это абстракция, которая объясняет взаимодействие частиц, физические постоянные величины, их характеристики. В 1970-х годах, когда теория зародилась, ученые считали, что она станет универсальной для описания всего нашего мира. Однако оказалось, что эта теория работает только в 10-мерном пространстве (а мы живем в четырехмерном). Остальные шесть измерений пространства просто сворачиваются. Но, как оказалось, сворачиваются не простым способом.

В 2003 году ученые выяснили, что сворачиваться они могут огромным количеством методов, и в каждом новом способе получается своя вселенная с разными физическими константами.

Jason Blackeye / Unsplash.com

Гипотеза математической вселенной

Космолог, профессор Массачусетского технологического института Макс Тегмарк в 1998 году выдвинул свою «теорию всего» и назвал ее гипотезой математической вселенной. Он по-своему решил проблему существования большого количества физических законов. По его мнению, каждому набору этих законов, которые непротиворечивы с точки зрения математики, соответствует независимая вселенная. Универсальность теории в том, что с ее помощью можно объяснить все разнообразие физических законов и значения физических постоянных.

Стивен Хокинг: черные дыры – путь в другую вселенную

Стивен Хокинг также является сторонником теории множества вселенных. Один из самых известных ученых современности в 1988 году впервые представил свое эссе «Черные дыры и молодые вселенные». Исследователь предполагает, что черные дыры – это дорога к альтернативным мирам.

Благодаря Стивену Хокингу мы знаем, что черным дырам свойственно утрачивать энергию и испаряться, выпуская при этом излучение Хокинга, получившее имя самого исследователя. До того, как великий ученый сделал это открытие, научное сообщество полагало, что все, что каким-либо образом попадает в черную дыру, исчезает. Теория Хокинга опровергает это предположение. По мнению физика, гипотетически любая вещь, предмет, объект, попавший в черную дыру, вылетает из нее и попадает в иную вселенную. Однако такое путешествие является движением в один конец: обратно вернуться никак нельзя.

Перевод

Что вы думаете по поводу мультивселенной? Вопрос не был совсем уж неожиданным для нашей импровизированной лекции за обеденным столом, но он застал меня врасплох. Не то, чтобы меня никогда раньше не спрашивали о мультивселенной, но объяснять теоретическую конструкцию – это одно, а объяснять свои чувства к ней – совсем другое. Я могу озвучить все стандартные аргументы и главные вопросы по мультивселенной, я могу ориентироваться в фактах и технических подробностях, но в результатах я теряюсь.

Физики не привыкли говорить о том, как они относятся к чему-то. Мы за твёрдое знание, количественные оценки и эксперименты. Но даже лучшие из беспристрастных анализов начинаются только после того, как мы решаем, в какую сторону нам идти. В зарождающейся области обычно возникает выбор из возможностей, у каждой из которых есть свои достоинства, и часто мы выбираем одну из них инстинктивно. Этот выбор определяется эмоциональными рассуждениями, стоящими над логикой. То, с какой позицией вы ассоциируете себя, это, как говорит физик из Стэнфордского университета Леонард Сасскинд, «больше, чем просто научные факты и философские принципы. Это вопрос хорошего вкуса в науке. И, как и все споры о вкусах, в нём участвуют эстетические чувства».

Сам я занимаюсь теорией струн, и одной из её особенностей является возможность существования множества логически непротиворечивых вариантов вселенных, отличных от нашей. Процесс, создавший нашу Вселенную, может создать и те, другие, что приводит к бесконечному количеству вселенных, где происходит всё, что может произойти. Последовательность рассуждений начинается со знакомого мне места, и я могу следовать завитушкам, которые проделывают уравнения в своём танце на странице, приводящем к этому заключению, но, хотя я представляю себе мультивселенную, как математическую конструкцию, я не могу поверить, что она вдруг выскочит из области теорий и проявит себя в реальности. Как я могу притворяться, что у меня нет проблем с бесконечным количеством копий меня самого, расхаживающих по параллельным мирам, и принимающих решения, как схожие, так и отличающиеся от моих?

Я не один такой двойственный. Дебаты по поводу мультивселенной были горячими, и она остаётся источником противоречий среди самых выдающихся учёных нашего времени. Дебаты по мультивселенной – это не просто обсуждение частностей теории. Это борьба по теме идентичности и результатов, по поводу того, на чём основывается объяснение, из чего состоит доказательство, как мы определяем науку, и есть ли во всём этом смысл.

Когда бы я ни рассказывал о мультивселенной, на один из неизбежно возникающих вопросов у меня есть ответ. Живём ли мы во вселенной или мультивселенной, эти классификации относятся к масштабам, размер которых выходит за рамки воображения. Вне зависимости от результата, жизнь вокруг нас не изменится. Так какая разница?

Разница есть, поскольку то, где мы находимся, влияет на то, кто мы есть. Разные места приводят к разным реакциям, из которых возникают различные возможности. Один объект может выглядеть по-разному на разном фоне. Мы определяемся тем пространством, которое мы населяем, гораздо большим количеством способов, чем мы осознаём. Вселенная – это предел расширения. Она содержит все места действия, все контексты, в которых мы можем представить бытие. Она представляет общую сумму возможностей, полный набор всего, чем мы можем быть.

Измерение имеет смысл только в системе отсчёта. Числа очевидно абстрактны, пока им не назначены единицы измерения, но даже такие размытые определения, как «слишком далеко», «слишком маленький», «слишком странный» подразумевают некую систему координат. Слишком далеко подразумевает точку отсчёта. Слишком маленький относится к шкале. Слишком странный подразумевает контекст. В отличие от всегда объявляемых единиц измерения, система отсчёта предположений определяется редко, но всё-таки значения, присваиваемые вещам – объектам, явлениям, опыту – откалиброваны по этим невидимым осям.

Если мы обнаружим, что всё что мы знаем и можем узнать, находится всего лишь в одном из карманов мультивселенной, сдвинется весь фундамент, на котором мы расположили нашу координатную сетку. Наблюдения не изменятся, но изменятся выводы. Наличие других пузырьковых вселенных возможно и не окажет влияния на те измерения, что мы проводим, но может повлиять на то, как мы их интерпретируем.

Первое, что поражает в мультивселенной – её необъятность. Она больше, чем что-либо, с чем имело дело человечество – такое возвеличивание подразумевается в самом названии. Можно было бы понять, если бы эмоциональная реакция на мультивселенную происходила бы от чувства собственного преуменьшения. Но размер мультивселенной, наверное, наименее противоречивое из её свойств.

Жиан Жудис , глава теоретиков ЦЕРН, говорит от имени физиков, когда утверждает, что один взгляд в небо прочищает нам мозги. Мы уже представляем себе наши масштабы. Если мультивселенная существует, то, как он говорит, «проблема противопоставления меня и необъятности вселенной не изменится». Многих даже успокаивает такая космическая перспектива. По сравнению со вселенной все наши проблемы и жизненные драмы уменьшаются так сильно, что «всё, что здесь происходит, не имеет никакого значения», говорит физик и автор Лоуренс Краусс . «Меня это очень утешает».

От потрясающих фотографий, сделанных телескопом им. Хаббла, до поэм Октавио Паса об «обширной ночи» и «галактической песни» Монти Пайтонов, существует романтизм, связанный с нашим лилипутским масштабом. В какой-то момент нашей истории мы смирились с нашей бесконечной малостью.

Не из-за нашей ли боязни масштабов мы так неохотно принимаем понятие мультивселенной, включающее миры, находящиеся вне нашего поля зрения, и обречённые там находиться? Это, конечно, очень частая жалоба, которую я слышу от моих коллег. Южноафриканский физик Джордж Эллис, сильно возражающей против мультивселенной, и британский космолог Бернард Карр, настолько же сильно за неё агитирующий, обсуждали эти вопросы в нескольких очаровательных разговорах. Карр считает, что их точка расхождения относится к тому, «какие свойства науки необходимо считать неприкосновенными». Обычным показателем служат эксперименты. Сравнительные наблюдения – допустимая замена. Астрономы не в состоянии управлять галактиками, но обозревают их миллионами, в разных формах и состояниях. Ни один из методов не подходит мультивселенной. Лежит ли она, в таком случае, за пределами научной области?

Сасскинд, один из отцов теории струн, обнадёживает нас. В эмпирической науке существует третий подход: делать выводы о невидимых объектах и явлениях из того, что мы в состоянии увидеть. Для примера достаточно будет взять субатомные частицы. Кварки навечно связаны в протоны, нейтроны и другие составные частицы. «Они, так сказать, скрыты за завесой,- говорит Сасскинд,- но сейчас, хотя ни единого изолированного кварка мы не видели, никто всерьёз не будет подвергать сомнению правильность теории кварков. Это часть фундамента современной физики».

Поскольку Вселенная расширяется с ускорением, галактики, находящиеся сейчас на горизонте поля зрения, вскоре исчезнут за ним. Мы не считаем, что они уйдут в небытие, так же, как мы не считаем, что корабль будет дезинтегрирован, скрывшись за горизонтом. Если известные нам галактики могут существовать в отдалённых районах за пределами поля зрения, кто скажет, что там не может быть и чего-то другого? Вещей, которые мы никогда не видели, и никогда не увидим? Как только мы признаем возможность существования регионов, находящихся вне нашего кругозора, последствия вырастают экспоненциально. Британский королевский астроном Мартин Рис сравнивает эту линию рассуждений с терапией, направленной на выработку отвращения. Когда вы признаёте наличие галактик вне нашего текущего горизонта, вы «начинаете с маленького паука, находящегося очень далеко», но, вы не успеете оглянуться, как дадите волю возможности существования мультивселенной, населённой бесконечными мирами, возможно, сильно отличающимися от вашего – то бишь, «найдёте тарантула, ползающего по вам».

Отсутствие возможности напрямую управлять объектами никогда не было моим персональным критерием определения пригодности физической теории. Если что-то и волнует меня по поводу мультивселенной, уверен, к этому оно отношения не имеет.

Мультивселенная бросает вызов ещё одному дорогому нам представлению – уникальности. Может ли это быть причиной проблем? Как поясняет космолог Александр Виленкин, неважно, насколько велик наблюдаемый регион, пока он конечен, он может находиться в конечном числе квантовых состояний. И описание этих состояний однозначно определяет содержимое региона. Если этих регионов бесконечно много, то то же самое состояние обязательно будет воспроизведено где-то ещё. Даже наши слова будут точно воспроизведены. Поскольку процесс продолжается в бесконечность, наших копий тоже будет бесконечное количество.

«Наличие этих копий вгоняет меня в депрессию,- говорит Виленкин. – У нашей цивилизации есть много отрицательных черт, но мы хотя бы могли заявлять об её уникальности – как о произведении искусства. А теперь мы и этого не можем сказать». Я понимаю, что он имеет в виду. Это волнует и меня, но не уверен, что именно эта мысль лежит в основе моей неудовлетворённости. Как говорит с тоской Виленкин, «Я недостаточно самонадеян, чтобы говорить реальности, какой она должна быть».

Главная загадка дебатов заключается в странной иронии. Хотя мультивселенная увеличивает нашу концепцию физической реальности до почти невообразимого размера, она вызывает чувство клаустрофобии, поскольку проводит границу нашего знания и наших возможностей получения знаний. Теоретики мечтают о мире без своевольности, описываемом самодостаточными уравнениями. Наша цель – найти логически полную теорию, сильно ограниченную самодостаточностью, и принимающую только одну форму. Тогда для нас, даже не знающих, откуда или почему взялась эта теория, её структура не будет выглядеть случайной. Все фундаментальные константы природы появятся «из математики, числа π и двоек», как говорит физик из Беркли Рафаэль Буссо .

В этом притягательность Общей теории относительности Эйнштейна – причина, по которой физики всего мира восклицают из-за её необычной бессмертной красоты. Соображения симметрии диктуют уравнения так чётко, что теория кажется неизбежной. Именно это мы хотели повторить в других областях физики. И пока у нас ничего не получилось.

Десятилетиями учёные ищут физические причины того, почему фундаментальные константы обязаны принимать именно такие значения, какие у них имеются, но пока ещё ни одной причины обнаружено не было. И вообще, если мы используем имеющиеся теории, чтобы вычислять возможные значения некоторых из известных параметров, результаты оказываются до смешного далеки от измеренных величин. Но как же объяснить эти параметры? Если существует всего одна-единственная вселенная, то управляющие ей параметры должны быть облечены особым значением. Либо процесс, управляющий выбором параметров, случаен, либо в нём есть некая логика, или даже продуманная цель.

Ни один из вариантов не выглядит привлекательно. Мы, учёные, проводим жизнь в поисках законов, поскольку считаем, что всё происходит по какой-то причине, даже если она нам неизвестна. Мы ищем закономерности, потому что верим в некий порядок во вселенной, даже если не видим его. Чистая случайность не вписывается в это мировоззрение.

Но говорить о разумном плане тоже не хочется, ведь это подразумевает существование некоей силы, предшествовавшей законам природы. Эта сила должна выбирать и судить, что, в отсутствие такой чёткой, сбалансированной и жёстко ограниченной структуры, как, например, ОТО, подразумевает произвол. В идее о возможности существования нескольких логически непротиворечивых вселенных, из которых была выбрана только одна, есть что-то откровенно неудовлетворительное. Если бы это было так, то, как говорит космолог Деннис Сциама , придётся думать, что «существует некто, изучающий такой список, и приговаривающий, "Нет, такой вселенной у нас не будет, и такой не будет. Будет только вот такая"».

Лично меня такой вариант, со всеми его подтекстами по поводу того, что могло бы быть, огорчает. На ум приходят различные сцены: брошенные дети в приюте из какого-то забытого фильма, когда одного из них усыновляют; лица людей, лихорадочно стремившихся к мечте, но не достигших её; выкидыши в первом триместре. Такие вещи, которые почти уже родились, но не смогли, мучают меня. Если не существует теоретического ограничения, исключающего все возможности, кроме одной, такой выбор кажется жестоким и несправедливым.

В таком тщательно настроенном творении как объяснить ненужные страдания? Поскольку эти философские, этические и моральные проблемы не относятся к области физики, большинство учёных избегает их обсуждений. Но нобелевский лауреат Стивен Вайнберг высказался от их имени: «Есть ли в нашей жизни следы великодушного творца – на этот вопрос каждый ответит для себя. Моя жизнь была удивительно счастливой. Но всё равно, я видел, как моя мать мучительно умирала от рака, как болезнь Альцгеймера разрушала личность отца, и как множество двоюродных и троюродных родственников было убито при Холокосте. Признаки присутствия великодушного творца очень хорошо спрятаны».

Перед лицом боли принять случайность гораздо легче, чем чёрствое игнорирование или намеренное злодеяние, присутствующее в дотошно продуманной вселенной.

Мультивселенная обещала отвлечь нас от этих ужасных мыслей, дать нам третий вариант, побеждающий дилемму объяснения.

Конечно, мультивселенную физики придумали не для этого. Она появилась из других соображений. Теория космической инфляции должна была объяснить широкомасштабную гладкость и отсутствие кривизны Вселенной. «Мы искали простое объяснение тому, почему Вселенная похожа на большой шар,- говорит физик из Стэнфорда Андрей Линде. – Мы не знали, что что-то пойдёт к этой идее в нагрузку». Нагрузкой стало понимание того, что наш Большой взрыв был не уникальным, и что, вообще-то, должно существовать бесконечное количество таких взрывов, каждый из которых создаёт не связанное с нашим пространство-время.

Затем появилась теория струн. На сегодня это лучший кандидат на объединённую теорию всего. Она не только достигает невозможного – примирения гравитации и квантовой механики – но просто-таки настаивает на этом. Но для схемы, уменьшающей невероятное разнообразие вселенной до минимального набора строительных кирпичиков, теория струн страдает от унизительной проблемы: мы не знаем, как определить точные значения фундаментальных констант. По текущим прикидкам, существует потенциальных возможностей – неизмеримо огромное число, для которого у нас даже нет названия. Теория струн перечисляет все формы, которые способны принять законы физики, и инфляция даёт возможность для их реализации. С рождением каждой новой вселенной тасуется воображаемая колода карт. Розданная рука определяет законы, управляющие вселенной.

Мультивселенная объясняет, каким образом константы из уравнений приобрели присущие им значения, не привлекая случайность или разумный выбор. Если есть множество вселенных, в которых реализованы все возможные законы физики, мы получаем именно такие значения при измерениях, потому что наша вселенная находится именно на этом месте ландшафта. Никакого более глубокого объяснения нет. Всё. Это и есть ответ.

Но, освобождая нас от старой дихотомии, мультивселенная оставляет нас в тревожном состоянии. У вопроса, над которым мы бились так долго, может не быть более глубокого ответа, чем «так всё устроено». Возможно, это лучшее, что мы можем сделать, но мы к таким ответам не привыкли. Он не срывает покровы и не объясняет, как всё работает. Более того, он разбивает мечту теоретиков, утверждая, что уникального решения найти нельзя, поскольку его не существует.

Некоторым людям не по душе такой ответ, другие считают, что это и ответом-то назвать нельзя, а иные просто принимают его.

Нобелевскому лауреату Дэвиду Гроссу кажется, что мультивселенная «попахивает ангелами». Он говорит, что принятие мультивселенной сродни тому, что вы сдаётесь, принимая, что вы никогда ничего не поймёте, потому что всё наблюдаемое можно свести к «исторической случайности». Его коллега по нобелевке, Герард ’т Хоофт, жалуется, что не может принять сценарий, по которому нужно «перебирать все решения, пока не найдёте соответствующее нашему миру». Он говорит: «физики не работали так в прошлом, и ещё можно надеяться, что в будущем у нас появятся доказательства получше».

Космолог из Принстона, Пол Стейнхардт называет мультивселенную «теорией чего угодно», потому что она всё допускает и ничего не объясняет. «Научная теория обязана быть избирательной,- говорит он. – Её сила в исключаемом количестве возможностей. Если она включает все возможности, то не исключает ничего, и сила её нулевая». Стейнхардт был одним из ранних сторонников инфляции, пока не понял, что она приводит к мультивселенной, и порождает пространство возможностей, вместо того, чтобы делать конкретные предсказания. С тех пор он стал одним из самых громких критиков инфляции. В недавнем эпизоде Star Talk он представился, как поборник альтернатив мультивселенной. «Чем вам так насолила мультивселенная? - пошутил ведущий. – Она уничтожила одну из моих любимых идей», ответил Стейнхардт.

Физики должны были заниматься истиной, абсолютными понятиями, предсказаниями. Либо вещи такие, либо не такие. Теории не должны быть гибкими или инклюзивными, они должны быть ограничивающими, строгими, исключающими варианты. Для любой ситуации хочется иметь возможность предсказать вероятный – а в идеале, единственный и неизбежный – результат. Мультивселенная ничего такого нам не даёт.

Дебаты по поводу мультивселенной часто выливаются в шумные споры, где скептики обвиняют поборников идеи в предательстве науки. Но важно осознать, что такое положение вещей никто не выбирал. Всем хочется вселенную, органически возникающую из прекрасных глубоких принципов. Но из того, что нам известно, в нашей вселенной такого нет. Она такая, какая есть.

Нужно ли спорить против идеи мультивселенной? Должна ли она остаться на вторых ролях? Многие мои коллеги пытаются представить её в более выгодном свете. Логически рассуждая, с бесконечным количеством вселенных работать проще, чем с одной – меньше вещей приходится объяснять. Как говорил Сциама, мультивселенная «в каком-то смысле удовлетворяет бритве Оккама, поскольку вам хочется минимизировать количество случайных ограничений, налагаемых на вселенную». Вайнберг говорит, что теория, свободная от произвольных предположений, и не подвергавшаяся «тщательной подстройке для соответствия наблюдениям», красива сама по себе. Может оказаться, что эта красота сходна с красотой термодинамики, со статистической красотой, объясняющей состояние макроскопической системы, но не каждой из её отдельных компонент. «В поисках красоты нельзя быть заранее уверенным в том, где вы её обнаружите, или какую именно красоту найдёте», говорит Вайзенберг.

Много раз, когда я размышлял над этими сложными интеллектуальными проблемами, мысли мои возвращались к простой и прекрасной мудрости Маленького принца из произведения Антуана де Сент-Экзюпери, который, считая свою любимую розу единственной для всех миров, оказался в розовом саду. Сбитый с толку таким предательством и огорченный утратой важности – его розы и себя самого – он плачет. В итоге он понимает, что его роза «важнее сотен остальных», потому что она его.

В нашей Вселенной может не быть ничего особенного, кроме того, что она наша. Разве этого не достаточно? Даже если все наши жизни и всё, что мы можем познать, окажутся незначительными в масштабах космоса, они всё же наши. Есть что-то особенное в здесь и сейчас, в том, что нечто – моё.

Несколько раз за последние месяцы я воспроизводил в уме мой разговор с Жианом Жудисом. Я находил уверенность в том, как спокойно он относился к огромному количеству возможных вселенных и вроде бы случайных выборах, сделанных нашей. Возможно, мультивселенная просто сообщает нам, что мы работаем не над теми вопросами, говорит он. Возможно, как Кеплер с орбитами планет, мы пытаемся найти в числах более глубокий смысл, чем там есть.

Поскольку Кеплер знал лишь о существовании Солнечной системы, он считал, что в форме орбит планет и в расстояниях между ними скрыта какая-то важная информация, но оказалось, что это не так. Эти значения не были фундаментальными, они были просто данными об окружении. В то время это могло показаться прискорбным, но с точки зрения ОТО мы уже не испытываем чувства потери. У нас есть прекрасное объяснение гравитации. Просто в этом объяснении значения, связанные с орбитами планет, не являются фундаментальными константами.

Возможно, говорит Жудис, мультивселенная подразумевает нечто похожее. Может, нам надо отказаться от того, за что мы хватаемся. Может, нужно мыслить шире, перегруппироваться, поменять вопросы, задаваемые нами природе. По его словам, мультивселенная может открыть «чрезвычайно удовлетворительные, приятные и расширяющие взгляд возможности».

Из всех аргументов в пользу мультивселенной этот нравится мне больше всего. В любом сценарии в любой физической системе можно задать бесконечно много вопросов. Мы пытаемся распутать проблему до её основ и спрашивать самые базовые вопросы, но наша интуиция построена на том, что было раньше, и возможно, что мы основываемся на парадигмах, уже не имеющих отношения к новым областям, которые мы пытаемся изучить.

Мультивселенная больше похожа на ключ, чем на закрытую дверь. С моей точки зрения, мир окрасился надеждой и наполнился возможностями. Он не более расточителен, чем беседка, полная роз.

Вселенные, обладающие различными законами физики, могут быть обитаемы. Чтобы лучше понять наше истинное место в Мультивселенной, необходимо изучать иные вселенные.

Типичный герой голливудского фильма пребывает в постоянной борьбе со смертью. Множество плохих парней стреляют в него, каждый раз промахиваясь лишь на волосок. Какие-то доли секунды отделяют отпрыгнувшего супермена от огненного шара взорвавшейся машины. Друзья приходят ему на помощь за мгновение до того, как нож негодяя должен перерезать ему горло. Повернись любое из этих событий хоть немного иначе - и прости-прощай. При этом, даже если мы не видели фильма раньше, что-то подсказывает нам, что он закончится определенным образом.

В некотором отношении история нашей Вселенной похожа на голливудский фильм. Некоторые ученые считают, что даже небольшое изменение одного из основополагающих законов физики могло бы привести к катастрофе, которая нарушила бы ход нормального развития Вселенной, сделав невозможным наше существование. Например, если удерживающее ядра атомов сильное ядерное взаимодействие оказалось бы немного сильнее или, наоборот, слабее, то в звездах образовалось бы очень мало углерода и других химических элементов, необходимых для формирования планет, не говоря о жизни. Если протон был бы всего на 0,2 % тяжелее, чем он есть, то весь первичный водород практически сразу же распался бы на нейтроны, и никаких атомов вообще не сформировалось бы. И таким совпадениям нет числа.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Множество иных вселенных, каждая со своим набором физических законов, могли возник- нуть из того же первичного вакуума, который породил и нашу Вселенную.

2. Многие из этих возможных вселенных могут содержать сложные структуры и, вероятно, даже некоторые формы жизни.

3. Такие концепции о множественности миров наводят на мысль, что наша Вселенная может и не быть специально «настроена» на возникновение жизни, как это полагалось ранее.

Законы физики - и, в частности, входящие в них мировые константы, такие как константы связи фундаментальных сил, - оказались «настроены» таким образом, чтобы сделать возможным наше существование. Такая точка зрения недалеко ушла от попыток привлечения сверхъестественных объяснений, которые могли бы оказаться вне компетенции науки. Многие физики и космологи в 1970-х гг. начали решать проблему, предполагая, что наша Вселенная - всего лишь одна из многих существующих, каждая из которых обладает собственными физическими законами. Согласно таким «антропным» рассуждениям, мы можем занимать очень редкую, специально «настроенную» вселенную, в которой вся совокупность условий позволила образоваться жизни.

Удивительно, что согласно господствующей в современной космологии теории, основы которой были заложены в 1980-х гг., «параллельные вселенные» могут реально существовать. Фактически, множество вселенных могли бы постоянно рождаться из первичного вакуума таким же образом, как образовалась и наша Вселенная. Наша Вселенная могла бы быть одной из большого количества таких «карманных» вселенных в огромном объемлющем пространстве, называемом Мультивселенной. В подавляющем большинстве таких вселенных законы физики могли бы не приводить к образованию знакомой нам материи или же галактик, звезд, планет и жизни. Однако если рассматривать полный набор всех возможных вариантов, у природы есть неплохой шанс сформировать «правильные» законы хотя бы единожды.

ЧТО ТАКОЕ МУЛЬТИВСЕЛЕННАЯ?

Альтернативные вселенные сейчас становятся предметом серьезных исследований, частично за счет того, что действительно могут существовать. Согласно общепринятой космологической модели, наша Вселенная была рождена из микроскопической области первичного вакуума за счет стремительного экспоненциального расширения, называемого инфляцией. Но вакуум может непрерывно порождать и другие вселенные. Каждая из вселенных обладает собственным набором физических законов; какието могут допускать появление жизни, какие-то нет

Тем не менее, согласно нашим недавним исследованиям, некоторые из иных вселенных - в рамках предположения, что они всё-таки существуют - могут и не быть столь недружелюбными. Примечательно то, что мы нашли примеры альтернативных значений фундаментальных констант и, таким образом, альтернативные множества физических законов, на основе которых могли бы существовать очень интересные миры, а возможно, даже и жизнь. Основная идея заключается в том, чтобы изменить какой-то один из законов природы, а затем некоторым образом подстроить под него все остальные.

Наша работа стоит несколько в стороне от серьезных проблем теоретической физики, таких как, например, проблема малости космологической постоянной, благодаря чему наша Вселенная не схлопнулась сразу же после Большого взрыва и не оказалась разорванной экспоненциально растущим расширением. Тем не менее существование альтернативных и в принципе обитаемых вселенных ставит интересные вопросы и позволяет понять, насколько уникальна наша Вселенная.

Жизнь без слабого взаимодействия

Общепринятый путь, выбранный учеными, таков: превратить какую-нибудь фундаментальную константу в подходящую переменную и изменить ее, оставляя все остальные параметры исследуемой модели неизменными. Основываясь на возникающих при этом новых законах физики, ученые как бы смотрят кинофильм о вселенной - они производят вычисления, прогнозируя различные сценарии ее развития с помощью компьютерного моделирования, чтобы сделать предположения о возможных катастрофах. Но почему одновременно фиксируется только один параметр? Ситуация напоминает вождение автомобиля, когда водитель следует только по одной широте или долготе, но не меняет обе величины сразу. Однако очевидно, что, придерживаясь одной из линий сетки, вы не будете двигаться по нужной вам дороге. Таким образом, нужно менять хотя бы два параметра.

Для поиска альтернативных множеств физических законов, которые все-таки могут создавать сложные структуры, способные в свою очередь порождать жизнь, один из нас (Гилад Перес) и его сотрудники, не делая даже небольшой модификации известных законов физики, просто полностью исключили одно из четырех фундаментальных взаимодействий.

КАК НАЙТИ ГОСТЕПРИИМНУЮ ВСЕЛЕННУЮ?

Многие детали в законах природы оказываются хорошо «настроенными». Так, небольшое изменение величины любой константы, которая появляется в физических уравнениях, обычно ведет к катастрофе. Например, атомы не могут возникнуть, или вещество оказывается сильно рассеянным в пространстве, так что ни галактики, ни звезды, ни планеты не могут образоваться. Изменение одновременно двух констант, тем не менее, может иногда привести к множеству возможных значений, которые допускают возникновение сложных структур или даже некоторых форм разумной жизни. Изменения трех или более параметров еще более расширяют количество возможностей

По самому своему названию фундаментальные взаимодействия представляются как нечто обязательное для любой уважающей себя вселенной. Так, без сильных ядерных взаимодействий, связывающих кварки в протоны и нейтроны, а их в свою очередь в атомные ядра, материя, какой мы ее знаем, не существовала бы. Без электромагнитного взаимодействия не было бы света, атомов и химических связей. Без гравитации нет силы, объединяющей вещество в галактики, звезды, планеты.

Четвертое взаимодействие (слабое ядерное) незримо присутствует в нашей повседневной жизни, но также играет важную роль и в истории Вселенной. Помимо различных прочих важных свойств слабое взаимодействие делает возможными превращения нейтронов в протоны и наоборот. В первые мгновения после Большого взрыва, после того как кварки (возникшие в числе первых форм материи) объединились в группы по три, формируя протоны и нейтроны, вместе называемые барионами, последние смогли объединиться, в группы по четыре, формируя ядра гелия-4, содержащие два протона и два нейтрона. Этот так называемый нуклеосинтез Большого взрыва занял всего несколько секунд жизни нашей Вселенной, когда она остыла достаточно для формирования барионов, но не для того, чтобы последние испытали ядерный синтез. В процессе нуклеосинтеза Большого взрыва образовались водород и гелий, которые позже сформировали бы звезды, где ядерный синтез и другие процессы смогли бы выковать все остальные химические элементы. До сих пор синтез четырех протонов для создания гелия-4 продолжается внутри нашего Солнца, где рождается большая часть энергии, получаемой нами от этой звезды.

ЕЩЕ ЗАМЕЧАНИЯ О «ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ВСЕЛЕННЫХ»

Физики и космологи (а зачастую и писатели-фантасты) говорят о парал- лельных вселенных в различных контекстах. Есть по крайней мере три концепции Мультивселенной, отличные от представленной в статье

ХАББЛОВСКИЙ ПУЗЫРЬ
Наша Вселенная, возможно, гораздо больше, чем та ее часть, которую мы можем на- блюдать, - наш «Хаббловский пузырь» («хаббл-бабл»). Если наша Вселенная обладает бесконечным размером, то должно существовать бесконечное множество таких пузырей с центрами в наблюдателях, расположенных в разных галактиках. Некоторые могут быть идентичны нашему, другие - нет

БРАНЫ
Если пространство обладает более чем тремя измерениями, наша Вселенная может быть одной из трехмерных мембран, или «бран», в многомерном пространстве. Такие параллельные вселенные могут воздействовать одна на другую и даже сливаться

ГИПОТЕЗЫ О МНОГОМЕРНЫХ МИРАХ .
В квантовой физике один и тот же объект может находиться в различных состояниях - как тот знаменитый «кот Шредингера», который одновременно и жив, и мертв. И только внешнее воздействие может заставить объект перейти в какое-то одно конкретное состояние. Некоторые ученые полагают, что все непрерывное множество возможных состояний существует, каждое в отдельном «ответвлении» истории нашей Вселенной

Без слабого взаимодействия кажется маловероятным, что во Вселенной сформировались бы сложные химические соединения, а следовательно, и жизнь. В 2006 г. Перес и его команда обнаружили множество физических законов, которые основываются только на остальных трех взаимодействиях, но, тем не менее, делают Вселенную пригодной для жизни.

Исключение слабого взаимодействия потребовало некоторых изменений в так называемой Стандартной модели физики частиц, которая описывает все взаимодействия за исключением гравитации. Группа исследователей показала, что модификации могут быть сделаны таким образом, что поведение остальных трех взаимодействий - и остальных основных параметров, таких как массы кварков, - могут быть такими же, как и в нашем мире. Мы хотим отметить, что подобный выбор консервативен, предназначен для облегчения расчетов параметров развития вселенной. Вполне возможно, что большое количество других вселенных, «лишенных» слабого взаимодействия, обитаемы, но совершенно не похожи на нашу. Во вселенной без слабого взаимодействия обычное слияние протонов для формирования гелия было бы невозможным, потому что этот процесс требовал бы превращения двух протонов в нейтроны. Однако возможен другой путь для образования химических элементов. Например, в нашей Вселенной материя существенно преобладает над антиматерией, но небольшой настройки величины параметра, контролирующего такую асимметрию, достаточно для того, чтобы нуклеосинтез Большого взрыва оставил основную часть ядер дейтерия. Дейтерий, также известный как водород-2, изотоп водорода, ядро которого содержит помимо одного протона еще и один нейтрон. Так, звезды могли бы светить за счет слияния протона и ядра дейтерия и формирования ядер гелия-3 (два протона и один нейтрон).Такие звезды, лишенные реакций, обусловленных слабым взаимодействием, были бы холоднее и меньше, чем звезды нашей Вселенной. Согласно компьютерному моделированию, проведенному астрофизиком Адамом Барроусом (Adam Burrows) из Принстона, такие звезды могли бы сгорать всего за 7 млрд лет (что составляет примерный возраст нашего Солнца) и выделять энергию со скоростью в несколько процентов от соответствующей солнечной.

Следующая стадия

Подобно звездам нашей Вселенной, звезды без слабого взаимодействия могли бы синтезировать в результате ядерных реакций химические элементы вплоть до железа. Однако типичная реакция, которая в наших звездах приводит к созданию элементов тяжелее железа, осуществлялась бы в этих звездах не всегда, прежде всего потому, что слишком мало нейтронов было бы доступно для захвата ядрами для создания тяжелых изотопов - первый этап в формировании тяжелых элементов. Небольшое количество тяжелых элементов (до стронция) могут быть синтезированы в лишенных слабого взаимодействия звездах за счет других механизмов.

В нашей Вселенной взрывы сверхновых распространяют новые синтезированные элементы по пространству и сами синтезируют новые элементы. Сверхновые бывают нескольких типов: во вселенной без слабого взаимодействия взрывы сверхновых, вызванные коллапсом сверхмассивных звезд, могут не происходить, потому что взрыв есть поток нейтронов, рожденных в результате слабого взаимодействия, которое выносит энергию из недр звезды и создает ударную волну, служащую причиной взрыва. Но различные типы сверхновых - термоядерный взрыв звезды за счет аккреции или гравитационного коллапса - тоже могут существовать. Так элементы могут быть рассеяны в межзвездном пространстве, где они дадут начало новым звездам и планетам.

С учетом относительно невысокой температуры звезд, лишенных реакций слабого взаимодействия, похожее на Землю тело должно быть примерно в шесть раз ближе к своему Солнцу. Для обитателей подобной планеты светило выглядело бы гораздо больше. Такая новая Земля без слабого взаимодействия во многом отличалась бы от нашей родной планеты. В нашем мире тектонические плиты и вулканическая активность обладают энергией за счет радиоактивного распада урана и тория в недрах Земли. Лишенная этих тяжелых элементов, типичная Земля без слабого взаимодействия обладала бы сравнительно скучной и лишенной особенностей геологией - за исключением гравитационных процессов, дающих дополнительный источник нагрева, как это происходит на некоторых спутниках Сатурна и Юпитера.

С другой стороны, химия была бы схожей с нашим миром. Разница заключалась бы в том, что периодическая таблица окончилась бы на железе, за исключением очень незначительных следов других элементов. Однако такое ограничение не запретило бы образование жизненных форм, схожих с известными нам. Так, даже во Вселенной с тремя фундаментальными взаимодействиями могла бы зародиться жизнь.

Иной подход, рассмотренный другим автором этой статьи (Алехандро Дженкинсом) с сотрудниками, представляет собой поиск альтернативных множеств законов физики, чтобы модифицировать Стандартную модель меньше, чем это делается в случае вселенной без слабого взаимодействия (при этом вводятся дополнительные параметры). В 2008 г. группа ученых изучала, до какой степени массы трех наиболее легких из шести кварков (называемых верхним, нижним и странным) могут меняться с сохранением органической химии. Изменение масс кварков неизбежно коснется того, какие барионы и какие атомные ядра могут существовать без быстрого распада. В свою очередь различный ассортимент атомных ядер затронет химию в целом.

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ АЛЬТЕРНАТИВНОЙ ВСЕЛЕННОЙ

Вселенная, обладающая вместо обычных четырех тремя фундаментальными взаимодействиями, могла бы оказаться удивительно знакомой. Вот как это можно сделать:

Удалить слабое взаимодействие, модифицируя некоторые константы в Стандартной модели физики частиц;
остальные взаимодействия оставить в точности такими же, как в нашей Вселенной;
изменить другие параметры, чтобы способствовать наличию ядерных реакций в звездах.

В результате получится мир сложной структуры, который мог бы поддерживать формы жизни, схожие с земными

Кварковая химия

Кажется правдоподобным, что разумная жизнь - если она не слишком сильно отличается от нашей - требует некоторого вида органической химии, которая по определению обладает углеродом. Химические свойства углерода суть следствия его атомного строения: его ядро обладает электрическим зарядом 6, т.е. на орбитах в нейтральном атоме углерода находятся шесть электронов. Эти свойства приводят к тому, что углерод создает огромное разнообразие молекул. Часто делаемое писателями-фантастами предположение о том, что жизнь может основываться на кремнии, следующем элементе в группе углерода в периодической таблице, спорно, поскольку нет сколько-нибудь значительного количества разнообразных молекул, основанных на кремнии. Кроме того, для формирования сложных органических молекул должны быть элементы с химическими свойствами водорода (заряд 1) и кислорода (заряд 8). Для того чтобы увидеть, могут ли они порождать органическую химию, группа ученых должна была рассчитать, могут ли ядра с зарядами 1, 6 или 8 радиоактивно распадаться до того, как они смогли бы принять участие в химических реакциях (см врезку).Устойчивость ядер частично зависит от их масс, которая в свою очередь определяется массами составляющих их барионов. Вычисления масс барионов и ядер, если начинать расчет с масс кварков, очень сложны даже для нашей Вселенной. Однако после тонкой настройки интенсивности взаимодействия кварков можно использовать массы барионов, измеренные в нашей Вселенной, для оценки того, какие изменения масс кварков могли бы повлиять на массы ядер.

В нашем мире нейтрон ровно на 0,1% тяжелее протона. Если массы кварков изменились бы так, что нейтрон стал бы на 2% тяжелее протона, то не существовало бы устойчивых соединений углерода и кислорода. Если бы массы кварков были «настроены» таким образом, чтобы сделать протон тяжелее нейтрона, то протон в ядре водорода мог бы захватить электрон на орбите и превратиться в нейтрон - таким образом, атомы водорода не были бы устойчивыми в течение долгого времени. Но дейтерий или тритий (водород-3) могли бы все же быть устойчивыми и образовывать некоторые формы кислорода и углерода. Наши исследования показали, что даже если протон станет тяжелее нейтрона более чем на 1%, то могут исчезнуть некоторые устойчивые формы водорода.

С дейтерием (или тритием), замещающим водород-1, океаны наполняла бы «тяжелая вода», которая обладает всего лишь небольшими отличиями своих физических и химических свойств от обычной воды. В таких мирах не появится фундаментальных препятствий к развитию органической жизни.

ИГРАЯ С ВЕЩЕСТВОМ

Представьте, что масса легких кварков изменилась (речь идет о частицах, которые могут формировать стабильные барионы, такие как нейтроны и протоны). Останутся ли элементы такими, чтобы была возможна жизнь, какой мы ее знаем? Уж как минимум получившаяся вселенная должна содержать стабильные ядра с электрическими зарядами 1, 6 и 8, т.к. подобные заряды дали бы им свойства, схожие с водородом, углеродом и кислородом соответственно. Далее рассмотрено несколько вариантов того, что могло произойти

В нашем мире третий легчайший кварк (странный кварк) слишком тяжел, чтобы принимать участие в процессах ядерной физики. Однако если его масса сократится более чем в десять раз, то ядра можно будет сформировать не только из протонов и нейтронов, но также и из других барионов, содержащих странный кварк.

Например, наша научная группа выявила вселенную, в которой верхний и странный кварки могли бы иметь одинаковые массы, а нижний кварк был бы много легче. Атомные ядра состояли бы не из протонов с нейтронами - вместо нейтронов был бы другой барион, называемый «сигма минус». Важно отметить, что даже такая радикально отличная от нашей вселенная обладала бы устойчивыми формами водорода, углерода и кислорода и, таким образом, могла бы иметь органическую химию. Возникали бы такие элементы в достаточном количестве для появления где-нибудь жизни или нет - вопрос остается открытым.

Но если бы жизнь могла зародиться, могло бы случиться то же, что и в нашем мире. В такой вселенной физики столкнулись бы с вопросом, почему верхний и странный кварки обладают почти одинаковыми массами. Они могли бы даже представить, что такое удивительное совпадение имеет антропное объяснение, основанное на необходимости существования органической химии. Тем не менее нам известно, что такое объяснение было бы ложным, потому что наш мир тоже обладает органической химией, несмотря на то что массы верхнего и странного кварков различны.

С другой стороны, вселенные, в которых все три легких кварка имеют одинаковые массы, возможно, и не обладали бы органической химией: любое ядро с достаточно большим электрическим зарядом практически сразу же распалось бы. К сожалению, очень сложно воссоздать в деталях истории вселенных, физические параметры которых отличаются от наших. Эта тема требует дальнейшего исследования.

Струнный ландшафт

Ученые получили косвенные свидетельства о существовании Мультивселенной с помощью моделирования и подгонки параметров. Остается ли под вопросом реальное существование Мультивселенной? Мы не думаем, что это обязательно, по двум причинам. Первая следует из наблюдений, согласуемых с теорией. Астрономические данные строго поддерживают гипотезу о том, что наша Вселенная родилась из крошечной области пространства-времени, возможно, размером с одну миллиардную часть протона. Затем Вселенная прошла через стадию быстрого - экспоненциального - роста, называемую инфляцией. Космологи до сих пор не создали окончательной модели инфляции, но, согласно теории, различные области пространства-времени могли бы расширяться с различной скоростью, создавая таким образом нечто, напоминающее «карман», который мог бы стать самостоятельной вселенной со своими физическими константами. Пространство между отдельными «карманными» вселенными могло бы продолжать расширяться так быстро, что оказалось бы невозможным путешествовать и посылать сообщения от одной вселенной к другой, даже со скоростью света.

Вторая причина, позволяющая допустить существование Мультивселенной, следующая: величина космологической постоянной, меры энергии пустого пространства, «настроена» с необычайной степенью точности. Квантовая физика предсказывает, что энергией обладает даже пустое пространство. Общая теория относительности Эйнштейна гласит, что все формы энергии вызывают гравитацию. Если энергия положительная, это вынуждает пространство расширяться с экспоненциальной скоростью. Если отрицательная - вселенная сожмется в «Большом хлопке». Согласно квантовой теории, космологическая постоянная должна быть настолько велика по модулю, что пространство расширялось бы слишком быстро для того, чтобы успели сформироваться такие структуры, как галактики, или для того чтобы вселенная схлопнулась за доли секунды.

ЕСТЬ ТАМ КТО-НИБУДЬ?

Множество физических законов могут появиться из первичного вакуума. В большинстве случаев, включая те, о которых пойдет речь ниже, неизвестно, способна ли в таких вселенных зародиться жизнь. Но будущие исследования, вероятно, смогут ответить на этот вопрос

ПРАВИЛА ГЕЛИЯ
Определенные модификации вселенной без слабого взаимодействия могли бы привести к формированию вселенной практически без водорода; звезды были бы преимущественно из гелия

МНОГОКВАРКОВОСТЬ
В нашей Вселенной кварки формируют частицы, объединяясь парами или тройками, но в других вселенных кварки могут объединяться в группы по четыре, пять и более

ВЫСШИЕ РАЗМЕРНОСТИ
Согласно теории суперструн, пространство обладает десятью измерениями. В нашей Вселенной все кроме трех скручены или по какой то иной причине невидимы. А что если четыре или более измерений все-таки видимы?

Один из способов объяснить, почему наша Вселенная избежала таких ужасов, - предположение, что какой-то член в уравнениях Эйнштейна погасил вклад космологической постоянной. Проблема в том, что этот член должен был бы быть «настроен» очень точно - отклонение его значения всего на сотый знак после запятой привело бы к отсутствию структур во Вселенной.

В 1987 г. Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), лауреат Нобелевской премии, физик-теоретик из Техасского университета в Остине, предложил антропное объяснение. Он вычислил верхнее ограничение на величину космологической постоянной. Если ее реальное значение больше, то пространство расширялось бы так быстро, что во Вселенной не оказалось бы структур, которые необходимы для возникновения жизни. Таким образом, само наше существование доказывает, что значение космологической постоянной невелико.

Далее, в конце 1990-х гг. прошлого века астрономы обнаружили, что Вселенная расширяется ускоренно за счет неизвестной формы «темной энергии». Наблюдаемый темп расширения говорит о том, что космологическая постоянная мала и положительна - в рамках, предсказанных Вайнбергом: это означает, что темная энергия очень «разрежена».

Так, космологическая постоянная кажется «настроенной» с величайшей точностью. Кроме того, методы, приложенные нашей группой к слабому взаимодействию и массам кварков, кажутся в этом случае провальными, потому что, видимо, невозможно обнаружить родственные вселенные, в которых космологическая постоянная существенно больше наблюдаемого нами значения. В Мультивселенной огромное большинство вселенных могли бы иметь космологическую постоянную, при которой не образовалось бы никаких структур. Аналог из реального мира - поход тысячи людей через труднопроходимую пустыню. Те несколько счастливчиков, которые смогут это сделать и остаться в живых, расскажут захватывающие истории о ядовитых змеях и других смертельных опасностях, кажущихся слишком далекими от реальности.

Теоретические аргументы, рожденные в теории струн (спекулятивное расширение Стандартной модели и попытки описать все взаимодействия как колебания микроскопических струн), кажется, подтверждают такой сценарий. Эти аргументы говорят, что во время инфляции космологическая постоянная и другие параметры могли обладать поистине безграничным разбросам различных значений, называемым «ландшафтом теории струн» (см.: Буссо Р., Полчински Й. Ландшафт теории струн // ВМН, № 12, 2004 ). Наша собственная работа, тем не менее, подвергает сомнению полезность антропного принципа, по крайней мере вне случая космологической постоянной. Возникают также и важные проблемы. Например, если жизнь действительно возможна без слабого взаимодействия, тогда почему в нашей Вселенной оно вообще есть? Фактически физика частиц утверждает, что в нашей Вселенной есть слабое взаимодействие, но недостаточно слабое. Его наблюдательная величина кажется неестественно большой в Стандартной модели. Основное объяснение для этой загадки требует существования новых частиц и новых сил, которые физики надеются обнаружить на Большом адронном коллайдере. Как следствие, многие теоретики ожидают, что основное количество вселенных обладают слабым взаимодействием, которое так слабо, что его можно считать практически отсутствующим. Таким образом, нет ничего удивительного в том, что мы живем во Вселенной, обладающей слабым взаимодействием. Естественно, только глубокое знание того, как Вселенная родилась, поможет ответить на все эти вопросы. В частности, мы можем открыть физические принципы более фундаментальных уровней, гласящие, что природа принимает именно такие законы, а не иные.Возможно, нам не суждено найти прямых указаний на существование других вселенных, и мы не сможем увидеть ни одну из них, но нам следует узнать о них больше, если мы хотим понять наше истинное место в Мультивселенной или то, что таится за ее пределами.

Алехандро Дженкинс (Alejandro Jenkins), урожденный костариканец, работает в Группе физики высоких энергий в Университете Флориды. Окончил Гарвардский университет и Калифорнийский технологический институт. Занимается исследованиями возможности существования альтернативных вселенных в Массачусетсском технологическом университете с Бобом Джаффом (Bob Jaffe) и Итамаром Кимчи (Itamar Kimchi). Гилад Перес (Gilad Perez) - физик-теоретик израильского Института Вейцмана в Реховоте, где он и получил докторскую степень в 2002 г. В Национальной лаборатории им. Лоуренса в Беркли он исследует Мультивселенную с Рони Харником (Roni Harnik) из Стэнфордского университета и Грэхемом Крибсом (Graham D. Kribs) из Орегонского университета. Он работает также в Университете в Стони-Бруке, в Бостонском и Гарвардском университетах.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Designer Universe? Steven Weinberg. Conference on Cosmic Design of the American Association for the Advancement of Science, Washington, D.C., April 1999. Доступно онлайн на www.physlink.com/education/essay_weinberg.cfm .
Тегмарк М. Параллельные вселенные // ВМН, № 8, 2003.
A Universe without Weak Interactions. Roni Harnik, Graham D. Kribs and Gilad Perez in Physical Rreview D, Vol. 74, No. 3, pages 035006-1-035006-15; August 2006.
Quark Masses: An Environmental Impact Statement. Robert l. Jaffe, Alejandro Jenkins and Itamar Kimchi in Physical Review D, Vol. 79, No. 6, pages 065014-1065014-33; March 2009.