Недавний шум вокруг возможного обнаружения реликтовых гравитационных волн имеет далеко идущие последствия. Джон Гриббин разбирается с тем, как эти волны могли бы подтвердить существование иных вселенных.


Если вы хотите понаблюдать за рождением Вселенной, то вам лучше всего отправиться на Южный полюс. Царящий здесь холод (столбик термометра редко поднимается выше −30 °C) означает, что воздух исключительно прозрачен, и поэтому тут идеальное место для наблюдения едва заметных следов, оставшихся после взрывного рождения нашей Вселенной. В результате в этом довольно экстремальном месте не один, а сразу три телескопа занимаются картографированием космического микроволнового фона — заполняющего мировое пространство излучения, длина волны которого лежит между инфракрасными лучами и радиодиапазоном. Один из этих телескопов — BICEP2 — в начале года заставил всех говорить о регистрации гравитационных волн и окончательном подтверждении космологической теории инфляции (в дальнейшем, впрочем, возобладал скепсис: об открытии, скорее всего, говорить еще рано из-за плохо учтенного влияния межзвездной пыли. — Примеч. ред. ).



1395692

Инфляционная теория объясняет, как возникла наша Вселенная, но она также утверждает, что таким же образом должны возникать и другие вселенные. Так что наличие инфляционной стадии в истории развития нашей собственной Вселенной может стать подтверждением существования Мультиверса. А подтверждение инфляции, по словам исследователей, как раз и было обнаружено на BICEP2.

Нечто из ничего

Теория Большого взрыва — одна из самых развитых научных концепций. Она описывает расширение Вселенной из сверхплотного состояния (гораздо более плотного, чем даже упаковка нуклонов в атомных ядрах), которое и породило наблюдаемую ныне картину звезд и галактик. Представление о реальности Большого взрыва возобладало к началу 1980-х годов. Но оставалась загадкой, как Вселенная оказалось в этом плотном и горячем состоянии — что было до Большого взрыва? Американский космолог Алан Гут (Alan Guth) понял, что процесс, называемый распадом симметрии и отдаленно напоминающий теплоотдачу пара при его конденсации в воду, мог в первую долю секунды выделить энергию, подтолкнувшую Вселенную к быстрому расширению, называемому инфляцией, которая завершилась Большим взрывом (часто допускают ошибку, включая в понятие «Большой взрыв» также и инфляцию, но сама суть инфляции состоит в том, что она происходила до Большого взрыва). В ходе инфляции размеры Вселенной экспоненциально возрастают, удваиваясь каждую сотую триллионной триллионной триллионной доли секунды. Эта идея, развитая Андреем Линде, космологом, эмигрировавшим из СССР в США, а также другими учеными, позволила объяснить, как вселенная, подобная нашей, может появиться из ничего. (Автором первого инфляционного сценария стал в 1979 году советский физик-теоретик Алексей Старобинский, см. «НвФ», 2014, № 5, с. 20–21. — Примеч. ред. )

Всё это завязано на идею квантовых флуктуаций, и тот странный факт, что энергия гравитационного поля является отрицательной. Квантовая теория утверждает, что частицы могут появляться из ничего при условии, что они очень быстро вновь исчезают. Например, электрон-позитронная пара может возникнуть, «позаимствовав» энергию у вакуума, и немедленно (в ничтожную долю секунды) исчезнуть, вернув энергетический «долг». Это так называемые виртуальные частицы, и, хотя они недоступны для непосредственного наблюдения, можно обнаружить их влияние на взаимодействие между собой реальных частиц. Ключевой факт состоит в том, что чем больше вовлеченная в такую флуктуацию масса, тем короче время ее существования. Так что протон-антипротонная пара не может существовать так же долго, как электрон-позитронная и т. п.

Вот тут-то и пришлась к месту отрицательность гравитационной энергии. Если представить, что атомы, составляющие Солнце, разнесены на бесконечное расстояние, то они обладали бы тогда нулевой гравитационной энергий, поскольку сила притяжения между двумя частицами пропорциональна единице, деленной на квадрат расстояния между ними. Но если частицы падают друг на друга, образуя звезду, то они сталкиваются и разогреваются за счет выделения гравитационной энергии, которая превращается в кинетическую (нечто подобное действительно происходит при образовании звезд, подобных Солнцу). Но ведь гравитационное поле первоначально имело нулевую энергию, так что теперь его энергия меньше нуля. Несложный подсчет показывает, что если всё вещество звезды сколлапсирует (сожмется) в точку, то общее количество выделившейся гравитационной энергии будет в точности равно энергии массы звезды согласно знаменитой формуле Эйнштейна (E = mc2). То есть в этот момент энергия массы материи будет в точности компенсироваться отрицательной энергией гравитационного поля этой материи. Вы получите целую кучу вещества массой со звезду, но общее количество ее энергии будет нулевым. Это значит, по сути, что можно сделать звезду из ничего, как и скопление материи, расширяющиеся из одной точки. Если вы обескуражены, то не беспокойтесь, вы в хорошей компании. Как вспоминал физик Георгий Гамов, когда он упомянул об этой идее Альберту Эйнштейну, тот «остановился от неожиданности и, поскольку мы тогда переходили улицу, нескольким машинам пришлось тормозить, чтобы нас не сбить».



1395694

То, что применимо к звезде, применимо и ко Вселенной в целом. Квантовая физика утверждает, что флуктуации, содержащие всю массу-энергию Вселенной, могут возникать из ничего, как крошечные сверхплотные семена. Если бы это означало «создание» энергии, как в случае электрон-позитронной пары, квантовая флуктуация быстро бы исчезла, вернув «позаимствованную» энергию вакууму. Но поскольку энергия массы оказывается в точности сбалансированной отрицательной гравитационной энергией, не существует квантового ограничения на время жизни такой флуктуации. Можно подумать, что мощное гравитационное поле должно уничтожить едва появившийся зародыш Вселенной. Но тут-то и вступает в игру инфляция. Распад симметрии, о котором говорил Гут, может мгновенно раздуть этот зародыш Вселенной в горячий Большой взрыв и оставить в состоянии постепенного расширения на миллиарды лет, в течение которых Вселенная будет остывать, порождая звезды и галактики. Грубо говоря, всё, что находится сегодня в наблюдаемой части Вселенной, раздулось в ходе инфляции из области размером много меньше протона (в действительности она была меньше милиарной доли протона), достигнув размеров баскетбольного мяча примерно за 10−30 с. Только тогда случился Большой взрыв. «Вселенная, — говорит Гут, — это подлинно бесплатный обед».

Вселенные-пузыри

Но зачем останавливаться на одной вселенной? Если квантовая флуктуация могла привести к рождению нашей Вселенной, то последующие квантовые флуктуации внутри нее могут привести к рождению других, дочерних вселенных — эту идею исследовал Ли Смолин (Lee Smolin), работающий в канадском институте «Периметр». Но не тревожьтесь. Такая новая вселенная не взорвется внутрь нашей Вселенной, уничтожая всё на своем пути. Она станет расширяться в своем собственном наборе измерений, оставаясь связанной с нами лишь едва заметной «кротовой норой». Если эта идея верна, то, быть может, создавать такие дочерние вселенные удастся, порождая крошечные черные дыры при столкновении частиц на ускорителях, ненамного мощнее, чем Большой адронный коллайдер. Блестящим образом наука, стоящая за этой идеей, представлена в фантастическом романе «Косм» (Cosm) физика и писателя Грегори Бенфорда (Gregory Benford).

Конечно, подобные идеи крайне спекулятивны. Но есть куда менее спекулятивная и более простая версия инфляции, разработанная Линде. Небольшая манипуляция с уравнениями общей теории относительности дает математическое описание пространства, которое всегда экспоненциально расширяется, — Линде назвал это «вечной инфляцией». Это своего рода космический фон, на котором всё и происходит. Внутри этого инфлирующего метамира встречаются места, где инфляция остановилась. Эти области образуют пузыри внутри инфлирующего «моря». Наша Вселенная — это один из таких пузырей; следовательно, существуют другие вселенные, другие пузыри далеко в этом инфлирующем «море», подобно пузырям, которые образуются в жидкости, когда открывается газированный напиток.

Как и все удачные научные идеи, инфляция дает предсказания. Прошли годы с момента, когда она была предложена, и теоретики сформулировали несколько более или менее экзотических вариантов инфляции с тем или иным числом различных «примочек». Но простейшая версия давала ясное предсказание. Многократное удвоение размера Вселенной за долю секунды, в течение которой протекала инфляция, — это настолько катастрофическое событие, что оно должно вызвать колебания самой структуры пространства. Эти колебания, называемые гравитационными волнами, растягивались последующим расширением Вселенной, пока не достигли длины в миллиарды световых лет. Такие огромные структуры во Вселенной невозможно было породить никаким иным способом. Искажения в пространстве естественным образом влияют на проходящий сквозь них свет. Первичное излучение, прошедшее сквозь эту гравитационную рябь, наблюдается сегодня в виде космического микроволнового фона. Теория инфляции говорит, что искажения, вызванные растянутыми гравитационными волнами, должны проявляться как поляризация фонового излучения (явление поляризации знакомо всем, у кого есть пара хороших солнечных очков). В частности, она должна влиять на так называемую B-моду поляризации, которая служит мерой круговой поляризации. Эффект проявляется в образовании закручивающегося узора, когда поляризация наносится на карту неба. Именно это и было обнаружено в эксперименте BICEP2. И рисунок оказался простым.

Как раз подходит для жизни

Экспериментальные результаты совпадают с предсказаниями основной версии инфляции, которая, к счастью для космологов, является простейшей в обращении. Результаты также исключают модели очень ранней Вселенной, в которых нет инфляции. Алан Гут был в восторге от этой новости: «Результаты BICEP2 поразительны. Обнаруженные признаки гравитационных волн выражены сильнее, чем мы ожидали. Если этот результат будет подтвержден, в чем я почти не сомневаюсь, он откроет совершенно новый метод исследования физики инфляции», — говорит он.



1395696

Если в Мультиверсе действительно существуют другие «пузырьковые вселенные», то, возможно, когда-то давно одна или несколько из них столкнулись с нашей Вселенной подобно двум мыльным пузырям, соприкоснувшимся и разлетевшимся. Одним из результатов такого столкновения должен был стать отчетливый, но слабый дискообразный след на микроволновом фоне. Такие круги были бы слишком велики, чтобы их мог заметить BICEP2, но космологи рассчитали, какого рода рисунок должен появиться в результате столкновения. Дэниел Мортлок (Daniel Mortlock) из Лондонского имперского колледжа говорит, что его группа «тщательно рассчитала шансы на то, что подобный след от столкновения пузырей возникнет случайно». Он надеется, что в данных, которые вскоре будут получены с космического аппарата «Планк», может обнаружиться подробный рисунок.

Однако основное значение нового открытия, пожалуй, в том, что из него следует неуникальность нашей Вселенной. Если верна теория вечной инфляции, а всё говорит в ее пользу, то наша Вселенная — лишь одна из многих. Среди прочего это объясняет, почему она выглядит удачно приспособленной для существования жизненных форм вроде нас. Если наша Вселенная единственная, то это весьма загадочно; если же существует бесконечное множество вселенных, причем одни пригодны для жизни, а другие нет, то в «стерильных» вселенных не будет никого, кто бы обратил внимание на их существование. Наблюдатели будут только в «фертильных» вселенных. Тот факт, что мы замечаем Вселенную, означает, что мы живем во Вселенной, пригодной для жизни.

Джон Гриббин (Jonh Gribbin) — приглашенный научный сотрудник Сассекского университета (Великобритания), автор книги «В поисках Мультиверса»



Кажется ли вам правдоподобным предположение некоторых ученых о существовании параллельных вселенных, в которых действуют совершенно другие законы физики?

да
нет
не знаю
J 1092 человек проголосовало. Смотреть результаты

Комментарии

31

Пожалуйста, авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оставить комментарий.

(комментарий скрыт)

uncles 17 сентября 2014 | 12:56

se___65: отнюдь. почитайте, например, популярную книжку Виленкина , не помню точно название, вроде "мир многих миров". Там даже пара формул есть.


myxamop 17 сентября 2014 | 13:29

uncles: увы, данные вопросы практически не поддаются изучению ввиду принципиального отсутствия инструментов для наблюдений... гравитационные волны это уж слишком косвенное свидетельство наличия "других вселенных", да и сами эти волны еще толком не наблюдались...


uncles 17 сентября 2014 | 14:15

myxamop: гравитационные волны и не свидетельствуют о наличии "других вселенны", а являются аргументом в пользу инфляционной модели.


(комментарий скрыт)

uncles 17 сентября 2014 | 21:18

bloom_l: отнюдь. в замкнутых вселенных суммарная энергия равна нулю, и гравитационная энергия будет честно и физически отрицательна. А вот в теории струн ( во всех 5 , насколько я знаю), например, энергия вселенной больше нуля.
ОТО проверена во все дыры и вряд ли нуждается в проверке. Это как веке так в 18 - непонятные "неравенства" (отклонения движения планет , термин того времени) пытались объяснять отклонением закона тяготения от 1/r2.


(комментарий скрыт)

uncles 17 сентября 2014 | 22:52

bloom_l: посмотрите что я написал:
и гравитационная энергия будет честно и физически отрицательна.
"Гравитационная" отрицательна, а не полная.

а полная энергия обязательно равна нулю в замкнутой вселенной, как должен быть равен нулю интеграл по нулевому контуру.
совсем не мошенничество, а похоже на открытие "на кончике пера" Нептуна.
Да, насколько я знаю, "темная материя" спасает даже не ото, а закон всемирного тяготения.
Кстати, есть теории , корректирующие и ОТО, и закон всемирного тяготения, но они пока лишь на уровне прикольных гипотез.


(комментарий скрыт)

alivas 17 сентября 2014 | 12:22

существуют материя, энергия и разум ... всегда и везде
и от разума польза небольшая .... если законом вселенных является краткосрочность и необязательность появления разума и и исчезновение без следа .... обидно
но ещё обиднее если окажется что наша вселенная неудачная
а разум так же вечен и приятен ... но не для нас


(комментарий скрыт)

alivas 17 сентября 2014 | 19:50

bloom_l: так я говорю -- не та материя досталась этой вселенной
где Разум ... если он всегда исчезал без следа .... то стоит ли надеяться, что в этот раз получится .... достичь Всемогущества Разума ....


neznaika45 18 сентября 2014 | 11:23

alivas: vo_van_helsing: Разум встроен каждому человеку для разумения происходящего и для управления мозгом, в свою очередь управляющему телом. А всеобщий разум, конечно, есть и он всеобъемлющий и созидающий.


17 сентября 2014 | 12:30

Хм, а как с уникальностью разума и его ограниченностью в пространстве? Множество не соприкасающихся разумов - это же уникальность?


napoleon2013 17 сентября 2014 | 12:45

Это всё настолько интересно, что когда вникаешь в это, то какие-то наши междусобойчики кажутся настолько мизерными и убогими...
Люди, хорош ерундой заниматься!
Космос - вот наша цель!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!


(комментарий скрыт)

oldmen56 17 сентября 2014 | 13:10

Нераскрыта тема "настройщика" и случайности.


vo_van_helsing 17 сентября 2014 | 14:01

Здесь Вселенная понимается, как материя и энергия в некоем вместилище,
т.е. пространстве. Само же понятие пространства как-то не объясняется,
а ведь это основное!
Задайте себе вопрос, как и чем обеспечивается действие всех законов
природы в любом месте в любой момент времени?
Как мне кажется, тут не обойтись без понятия структуры пространства.
Причем эта структура должна быть типа матрицы, обладающей свойством
абсолютной динамической симметрии, чтобы все силы были скомпенсированы
и она воспринималось, как пустота.
А поняв, как пространство устроено, можно далее рассуждать о возникновении
материи, энергии, разума и т.п.


uncles 17 сентября 2014 | 21:22

vo_van_helsing: так это и есть передний край науки- в настоящее время независящей от фона (т.е. не требующей предварительно описания пространства) теории не существует. Есть только попытки, но это и хорошо - есть куда работать.


tymopheevich 17 сентября 2014 | 14:04

Всякоразных вселенных в свое время нафантазировал Борхес. И, похоже, был прав. А вообще, если исходить из положений квантовой физики, то сознание определяет поведение волны-частицы, стало быть - реальности. Чего ученые понаблюдают, подогадываются - то и будет. Тоись, Сознание - Бог мироздания.


av_babich 17 сентября 2014 | 15:07

Здесь Вселенная понимается, как материя и энергия в некоем вместилище,
т.е. пространстве. Само же понятие пространства как-то не объясняется,
а ведь это основное!
-------------
о каком пространстве речь и в каком смысле?
в теории относительности нет пространства , пока нет материи


vo_van_helsing 17 сентября 2014 | 15:19

av_babich: а тогда по каким законам всё начинается и дальше развивается?
что задает эти законы до образования? и, если их нет, до образования
вселенной, то непонятно, что тогда исследовать и о чем говорить?
из этого следует, что пространство или какая-то подобная структура,
содержащая всё, должна существовать ДО образования (пустой) вселенной.


vo_van_helsing 17 сентября 2014 | 15:48

вообще-то, теория о том, что из ничего можно
образовать что-то является идеологической
базой ростовщиков и банкиров ;0)


alivas 17 сентября 2014 | 19:52

vo_van_helsing: и учение о Бесплатном у коммунистов


av_babich 17 сентября 2014 | 16:15

, если их нет, до образования
вселенной, то непонятно, что тогда исследовать и о чем говорить?
из этого следует, что пространство или какая-то подобная структура,
содержащая всё, должна существовать ДО образования (пустой) вселенной
-------------------------------------------------------------------------------------------------------
А кто сказал, что мы можем исследовать что-то до образования Вселенной? :)))
Возможно, что в принципе не можем.
Так же как не можем, например, бесконечно повышать мощность ускорителей, чтобы
продвигаться "вглубь материи". Есть принципиальные преграды (типа уровня энергии, на котором это все происходит и может соответственно быть исследовано). Ничего страшного. Мы почти все знаем о Вселенной и ее эволюции , но не можем узнать , что есть некий... ну можно употребить слово Универсум.


spinogruz 17 сентября 2014 | 22:18

av_babich: "А кто сказал, что мы можем исследовать что-то до образования Вселенной? :))) Возможно, что в принципе не можем."
Почитайте, кто такой Ли Смолин и его "квантовую теорию гравитации". Очень красивая теория, жаль ПОКА не проверяемая.


(комментарий скрыт)

vo_van_helsing 17 сентября 2014 | 17:24

Универсум - это обобщенное слово "ни о чем".
Противоположность этому - теория , изложенная выше,
которая развивает какие-то специфические уравнения -
это пример узкой специализации в науке.
А сейчас насущным является поиск оснований науки,
её обобщающих принципов, что определяет её эффективность.
Хороший пример начала этого процесса - это доказательство
Гришей Перельманом гипотезы Пуанкаре. При доказательстве
он использовал не только математические соображения, но
физические законы. И когда его пригласили в Штаты рассказать
о своем доказательстве, то почти все в аудитории ничего не поняли,
т.к. были ууузкими специалистами в чистой математике. И только
несколько разно-научных команд смогли подтвердить его правоту.
Так вот, если пытаться проводить исследования в метаматематике и
метафизике, т.е. искать основания для этих наук, то там всё происходит
"по-взрослому" - нет той свободы: "допустим так... а может быть эдак...".
И в итоге уже не заметно разницы между ними и все начинает "упираться"
в структуру абсолютного динамического пространства.
Кстати динамика пространства есть источник всех видов энергии, а также
она связана с ходом времени...


silver_lion 17 сентября 2014 | 21:34

Вот и мне очень интересен этот вопрос: что было до БВ? Спасибо за интересный обзор. Глоток свежего воздуха в политизированной атмосфере общей истерии и неадеквата, царившего здесь всегда, но ставшей особо невыносимой в последнее время.


(комментарий скрыт)

cvx 18 сентября 2014 | 14:08

Ни черта не понятно. Вредная буржуазная научная концепция.

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире