Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная

в 14:36, , рубрики: астрономия, Вселенная, мультивселенная, Научно-популярное, физика

Каждая по-настоящему вечная проблема одновременно является и вечной ошибкой; каждый ответ – расплатой, каждое открытие – улучшением.
Отто Вейнингер

Наши лучшие измерения удалённой Вселенной, за пределами нашей Галактики, привели нас к существующей ныне картине того, чем занимается наша Вселенная: расширяется и охлаждается, в то время, как галактики разлетаются всё дальше друг от друга.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 1

Но что это значит для нашего прошлого?

Если мы расширяемся и охлаждаемся, это значит, что в прошлом мы были меньше и не такими холодными, то есть, плотнее и горячее.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 2

Если вы попытаетесь думать, как учёный, вам будет недостаточно знаний только о том, чем она занимается сейчас. Вам захочется узнать – если она расширяется – то под воздействием чего и как быстро. Иначе говоря, определить скорость расширения.

Ответ довольно прост: если в качестве теории гравитации мы выберем ОТО, то скорость расширения Вселенной будет определяться доминирующим в ней типом энергии.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 3

В относительно недавнем прошлом, когда Вселенная была заполнена галактиками, звёздами, планетами, и всеми открытыми нами объектами, большую часть времени в ней доминировала материя, как обычная, так и тёмная.

И вот как в таком случае расширяется Вселенная.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 4

Обратите внимание, что H со временем падает. Это значит, что в прошлом Вселенная была горячее, плотнее и расширялась быстрее.

Но если забраться достаточно далеко в прошлое, раз Вселенная была плотнее и горячее, в какой-то момент она окажется слишком горячей для того, чтобы в ней формировались нейтральные атомы. Кроме этого, очевидно, что энергия излучения во Вселенной была гораздо большей.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 5

Продолжая экстраполяцию, мы придём к тому, что энергия излучения превысит энергию материи. Из-за этого Вселенная будет расширяться по-другому! А как расширяется Вселенная, в которой доминирует излучение?

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 6

Ситуация схожая с той, где доминирует материя, просто цифры немного меняются. Но мы не можем возвращаться назад к произвольным температурам и к сингулярности. Существуют ограничения на температуру Вселенной в прошлом, и о них нам говорит реликтовое излучение.

Так что было до этого? Что было до горячей, плотной Вселенной, заполненной веществом и излучением?

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 7

Насколько нам известно, был период инфляции. Распрямляя Вселенную и обеспечивая повсюду однородные свойства, космическая инфляция задала начальные условия, приведшие к существованию сегодняшней Вселенной.

Кроме вещества и излучения, во Вселенной может доминировать энергия вакуума (в конце концов, вся энергия пустого пространства не обязана быть нулевой, и она и сегодня ненулевая!).

Когда во Вселенной доминирует энергия вакуума, её история расширения выглядит совсем по-другому.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 8

Обратите внимание на то, что скорость расширения не уменьшается со временем! Это значит, что вместо роста по закону степеней, Вселенная растёт экспоненциально, и очень быстро может растянуться не только гораздо больше того размера, который вы можете себе представить, но в гуголы раз больше всей наблюдаемой Вселенной!

Возможно, вам хочется узнать размер ненаблюдаемой Вселенной. Очень вероятно, что существуют части Вселенной, отдалённые от нас более, чем на 46,5 миллиардов световых лет; мы просто не можем увидеть свет, исходящий от них!

Так что же определяет инфляцию? Давайте взглянем на стандартную картину инфляции.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 9

По оси Y откладывается энергия. В частности, количество энергии вакуума, присущей пространству. Очевидно, количество энергии вакуума в сегодняшнем космосе очень мало: на 28 порядков меньше, чем было во время инфляции!

Если нам нужно, чтобы Вселенная расширилась достаточно, чтобы прийти к плоскому и грубо однородному сегодняшнему состоянию, нам нужно, чтобы она находилась в состоянии инфляции достаточно долго. Нам нужно начать, когда мы находимся на плоской части графика выше.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 10

Пока мы можем скользить вниз по кривой достаточно медленно, мы получим достаточно инфляции для появления нашей Вселенной. В будущем мы начнём соскальзывать в углубление.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 11

И в итоге упадём в него. В этот момент энергия вакуума превращается в вещество, излучение, и всё то, что приводит к появлению Большого взрыва, давшего начало нашей Вселенной. И если теория инфляции права, это однозначно произошло в нашем районе Вселенной; более того, это случилось конкретно 13,7 миллиарда лет назад.

Но нужно помнить, что поле, приведшее к инфляции – чем бы оно ни было – должно было быть квантовым полем или частицей, как и всё во Вселенной.

А что же случается с электроном – хорошо изученной квантовой частицей – внутри того, что мы можем изучить, например, в атоме? Можно измерить его и узнать его положение в какой-то момент. Но давайте подождём.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 12

Если это квантовая частица, её волновая функция со временем распространяется, и занимает суперпозицию разрешённых состояний. А как это связано с нашим инфляционным полем? Что мы получим, если тоже позволим ему распространиться со временем?

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 13

Мы получим, что часть этого квантового поля, если она будет двигаться достаточно медленно, распространится в прошлое, туда, где оно началось, по направлению к состоянию, где оно будет продолжать расширяться! Помните картинку с классической инфляцией, которую мы приводили ранее?

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 14

В этой картине инфляция какое-то время происходит, а затем заканчивается везде одновременно. Но если инфляция будет квантовым полем – а она и должна им быть – нужно подсчитать, как быстро оно распространяется, как быстро Вселенная расширяется, как быстро она катится вниз с холма. Если она катится слишком быстро, или расширяется слишком медленно, у него не будет времени распространиться на достаточное количество районов Вселенной. Но если она движется медленно, а расширяется быстро, и распространяется достаточно быстро, что мы получим?

Мы начнём с расширяющегося региона, нарисованного синим. Если потенциал достаточно сильно приблизится к провалу графика, инфляция кончится, и мы отметим это красным Х. Но если инфляция продолжается, мы оставляем его синим и создаём больше расширяющегося пространства-времени, перед тем, как проверить его снова. И вот, что мы увидим.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 15

Хотя в любой момент примерно в 50% регионах Вселенной инфляция закончена, достаточно большое её количество распространится обратно вверх по холму, в результате чего инфляция будет длиться бесконечно. И это оказывается верным для любой модели медленно передвигающейся инфляции!

Иначе говоря, во Вселенной существуют регионы, которые в прошлом подвергались инфляции, которые энергия ложного вакуума превратила в излучение и материю, и история этих частей Вселенной очень похожа на нашу. Но между этими регионами существуют другие, в которых инфляция продолжается, и так далее, и тому подобное.

Почему мы думаем, что кроме Вселенной существует Мультивселенная - 16

Именно поэтому существует не только Вселенная, но и Мультивселенная!

Рассказанная мною история консервативная. В этой её версии фундаментальные константы в разных регионах мультивселенной одинаковые, и в других вселенных действуют те же законы физики – с тем же квантовым вакуумом, и т.п. Но большая часть людей, рассуждающих о мультивселенных, пошла гораздо дальше этого.

Можно услышать идеи о множественных ложных вакуумах, ландшафтах, связях с квантовой гравитацией, появившиеся в последние несколько лет. В основном они порождены желанием притянуть происходящее к теории струн, и представляют набор трудностей, но и множество интересных вариантов. Здесь я не буду их рассматривать, но когда вы услышите эти слова, то имейте в виду, что выше приведена общая для них история.

И эта базовая концепция, хотя и не является полной, представляет собой простую квантовую механику в применении к лучшей из работающих модели ранней Вселенной. В результате получается, что в большинстве регионов Вселенная будет расширяться вечно – это и есть Мультивселенная.

Автор: SLY_G

Источник

Поделиться новостью

* - обязательные к заполнению поля