Существует ли Мультивселенная
на самом деле?

ИСТОЧНИК: SCIENTIFIC AMERICAN.COM

АВТОР: SCIENTIFIC AMERICAN.COM

Фото: Теория-N

Доказательства существования параллельных вселенных, радикально отличающихся от нашей, могут всё ещё находиться за пределами научных знаний

Джордж Ф. Р. Эллис

В последнее десятилетие космологов захватило необычайное утверждение: расширяющаяся Вселенная, которую мы видим вокруг себя, не единственная; существуют миллиарды других вселенных. Существует не одна Вселенная — существует мультивселенная. В статьях Scientific American и книгах, таких как последняя книга Брайана Грина «Скрытая реальность», ведущие учёные говорят о суперкоперниканской революции. Согласно этой точке зрения, наша планета — не только одна из многих, но даже вся наша Вселенная незначительна в космическом масштабе. Это всего лишь одна из бесчисленных вселенных, каждая из которых занимается своим делом.

Слово «мультивселенная» имеет разные значения. Астрономы способны видеть на расстоянии около 42 миллиардов световых лет — это наш космический горизонт видимости. У нас нет оснований полагать, что Вселенная заканчивается там. За ним может быть много — даже бесконечно много — вселенных, похожих на ту, которую мы видим. В каждой из них своё начальное распределение материи, но во всех действуют одни и те же законы физики. Почти все современные космологи (включая меня) принимают этот тип мультивселенной, который Макс Тегмарк называет «уровнем 1». Однако некоторые идут дальше. Они предполагают существование совершенно иных вселенных с другой физикой, другой историей, возможно, с другим количеством пространственных измерений. Большинство из них будут бесплодными, хотя в некоторых будет кипеть жизнь. Главным сторонником этой мультивселенной «второго уровня» является Александр Виленкин, который рисует впечатляющую картину бесконечного множества вселенных с бесконечным количеством галактик, бесконечным количеством планет и бесконечным количеством людей с вашим именем, которые читают эту статью.

Подобные утверждения делались с древних времён во многих культурах. Новым является утверждение, что мультивселенная — это научная теория, а значит, она должна быть математически строгой и поддаваться экспериментальной проверке. Я скептически отношусь к этому утверждению. Я не верю, что существование этих других вселенных было доказано или когда-либо будет доказано. Сторонники мультивселенной, расширяя наше представление о физической реальности, косвенно меняют само понятие «наука».

За Горизонтом

Те, кто придерживается широкой концепции мультивселенной, выдвигают различные предположения о том, как могло возникнуть такое множество вселенных и где они могли бы находиться. Они могли бы находиться в областях пространства далеко за пределами нашей Вселенной, как предполагает модель хаотической инфляции Алана Х. Гута, Андрея Линде и других [см. «Самовоспроизводящаяся инфляционная Вселенная» Андрея Линде; Scientific American, ноябрь 1994]. Они могли бы существовать в разные эпохи, как предполагает циклическая модель Вселенной Пола Дж. Штейнхардта и Нила Турока [см. «Миф о начале времени» Габриэле Венециано; Scientific American, май 2004]. Они могли бы существовать в том же пространстве, что и мы, но в другой ветви квантовой волновой функции, как утверждает Дэвид Дойч [см. «Квантовая физика путешествий во времени» Дэвида Дойча и Майкла Локвуда; Scientific American, март 1994]. Возможно, у них нет местоположения, и они полностью отделены от нашего пространства-времени, как предположили Тегмарк и Деннис Сиама [см. «Параллельные вселенные» Макса Тегмарка; Scientific American, май 2003].

Из этих вариантов наиболее распространённым является теория хаотической инфляции, и я сосредоточусь на ней; однако большинство моих замечаний применимы и ко всем остальным предложениям. Идея заключается в том, что пространство в целом — это вечно расширяющаяся пустота, в которой квантовые эффекты постоянно порождают новые вселенные, как ребёнок, пускающий мыльные пузыри. Концепция инфляции появилась в 1980-х годах, и физики развили её на основе своей наиболее всеобъемлющей теории природы — теории струн. Теория струн позволяет пузырям сильно отличаться друг от друга. По сути, каждая из них начинает жизнь не только со случайным распределением материи, но и со случайными типами материи. Наша Вселенная содержит такие частицы, как электроны и кварки, которые взаимодействуют посредством таких сил, как электромагнетизм; в других вселенных могут быть совершенно другие типы частиц и сил, то есть другие локальные законы физики. Полный набор допустимых локальных законов известен как ландшафт. В некоторых интерпретациях теории струн ландшафт огромен, что обеспечивает огромное разнообразие вселенных.

Многих физиков, которые говорят о мультивселенной, особенно сторонников теории струн, не особо волнуют параллельные вселенные как таковые. Для них возражения против мультивселенной как концепции не имеют значения. Их теории живут или умирают в зависимости от внутренней согласованности и, как они надеются, в конечном итоге лабораторных испытаний. Они предполагают мультивселенский контекст для своих теорий, не беспокоясь о том, как он возникает, — а это то, что волнует космологов.

Для космолога основная проблема, связанная со всеми предложениями о мультивселенной, заключается в наличии космического горизонта видимости. Горизонт — это предел того, как далеко мы можем видеть, потому что сигналы, движущиеся к нам со скоростью света (которая конечна), не успевают достичь нас с момента начала Вселенной. Все параллельные вселенные находятся за пределами нашего горизонта и остаются за пределами нашей способности видеть, сейчас или когда-либо, независимо от развития технологий. На самом деле они находятся слишком далеко, чтобы оказывать какое-либо влияние на нашу Вселенную. Вот почему ни одно из утверждений сторонников мультивселенной не может быть подтверждено напрямую.

Сторонники этой теории говорят нам, что мы можем в общих чертах описать то, что происходит в 1000 раз дальше нашего космического горизонта, в 10100 раз, в 101 000 000 раз, бесконечно далеко — и всё это на основе данных, которые мы получаем в пределах горизонта. Это экстраполяция экстраординарного рода. Возможно, Вселенная замыкается в очень больших масштабах, и там нет бесконечности. Возможно, вся материя во Вселенной где-то заканчивается, и после этого всегда будет пустое пространство. Возможно, пространство и время заканчиваются в сингулярности, которая ограничивает Вселенную. Мы просто не знаем, что происходит на самом деле, потому что у нас нет информации об этих областях и никогда не будет.

Семь Сомнительных аргументов

Большинство сторонников мультивселенной — осторожные учёные, которые прекрасно осознают эту проблему, но считают, что мы всё равно можем делать обоснованные предположения о том, что происходит за пределами нашего мира. Их аргументы делятся на семь основных типов, каждый из которых вызывает сомнения.

У космоса нет конца

Мало кто спорит с тем, что космос простирается за пределы нашего космического горизонта и что многие другие области находятся за пределами того, что мы видим. Если существует этот ограниченный тип мультивселенной, мы можем экстраполировать то, что мы видим, на области за пределами горизонта, всё больше и больше сомневаясь в том, что происходит в более отдалённых регионах. Тогда легко представить себе более сложные типы вариаций, в том числе альтернативную физику, происходящую там, где мы не можем видеть. Но проблема с такого рода экстраполяцией, от известного к неизвестному, заключается в том, что никто не может доказать, что вы неправы. Как учёные могут определить, является ли их представление о ненаблюдаемой области пространства-времени разумной или неразумной экстраполяцией того, что мы видим? Могут ли другие вселенные иметь другое начальное распределение материи или другие значения фундаментальных физических констант, например, определяющих силу ядерных взаимодействий? В зависимости от того, что вы предполагаете, можно получить любой из этих вариантов.

Известная физика предсказывает существование других областей

Предлагаемые теории единой теории предсказывают существование таких объектов, как скалярные поля, гипотетические родственники других заполняющих пространство полей, таких как магнитное поле. Такие поля должны вызывать космическую инфляцию и создавать вселенные до бесконечности. Эти теории хорошо обоснованы теоретически, но природа предполагаемых полей неизвестна, и экспериментаторам ещё предстоит продемонстрировать их существование, не говоря уже об измерении их предполагаемых свойств. Важно отметить, что физики не доказали, что динамика этих полей приводит к тому, что в разных вселенных-пузырях действуют разные физические законы.

Теория, предсказывающая бесконечное количество вселенных, проходит ключевое наблюдение

Космическое микроволновое фоновое излучение показывает, как выглядела Вселенная в конце своей горячей ранней эпохи расширения. Наблюдаемые в нём закономерности позволяют предположить, что наша Вселенная действительно пережила период инфляции. Но не все типы инфляции длятся вечно и создают бесконечное количество вселенных-пузырей. Наблюдения не позволяют выделить нужный тип инфляции из других. Некоторые космологи, такие как Штейнхардт, даже утверждают, что вечная инфляция привела бы к другим закономерностям в фоновом излучении, нежели те, которые мы наблюдаем [см. «Дискуссия об инфляции» Пола Дж. Штейнхардта; Scientific American, апрель]. Линде и другие с этим не согласны. Кто прав? Всё зависит от того, что вы предполагаете относительно физики инфляционного поля.

Фундаментальные константы точно настроены на жизнь

Примечательным фактом о нашей Вселенной является то, что физические константы имеют именно те значения, которые необходимы для существования сложных структур, в том числе живых организмов. Стивен Вайнберг, Мартин Рис, Леонард Сасскинд и другие утверждают, что экзотическая мультивселенная даёт простое объяснение этому очевидному совпадению: если все возможные значения встречаются в достаточно большом количестве вселенных, то где-то обязательно найдутся жизнеспособные. Это рассуждение было применено, в частности, для объяснения плотности тёмной энергии, которая сегодня ускоряет расширение Вселенной. Я согласен с тем, что мультивселенная является возможным обоснованным объяснением значения этой плотности; возможно, это единственный научно обоснованный вариант, который у нас есть на данный момент. Но у нас нет надежды проверить его экспериментальным путём. Кроме того, в большинстве исследований этого вопроса предполагается, что основные физические уравнения везде одинаковы, различаются только константы, но если серьёзно относиться к мультивселенной, то это не обязательно так [см. «В поисках жизни в мультивселенной» Алехандро Дженкинса и Гилада Переса; Scientific American, январь 2010].

Фундаментальные константы соответствуют предсказаниям теории мультивселенной

Этот аргумент уточняет предыдущий, предполагая, что Вселенная не более приспособлена для жизни, чем это необходимо. Сторонники этой теории оценили вероятность различных значений плотности тёмной энергии. Чем выше значение, тем оно более вероятно, но тем более враждебной к жизни будет Вселенная. Наблюдаемое нами значение должно быть на грани непригодности для жизни, и, по-видимому, так оно и есть [см. иллюстрацию справа]. Проблема этого аргумента в том, что мы не можем применить аргумент о вероятности, если нет мультивселенной, к которой можно было бы применить концепцию вероятности. Таким образом, этот аргумент предполагает желаемый результат ещё до начала; он просто неприменим, если существует только одна физически существующая вселенная. Вероятность — это проверка согласованности гипотезы о мультивселенной, а не доказательство её существования.

Теория струн предсказывает разнообразие вселенных

Теория струн превратилась из теории, объясняющей всё, в теорию, в которой возможно практически всё. В своей нынешней форме она предсказывает, что многие важные свойства нашей Вселенной являются чистой случайностью. Если Вселенная уникальна, эти свойства кажутся необъяснимыми. Как мы можем понять, например, тот факт, что физика обладает именно теми строгими ограничениями, которые позволяют существовать жизни? Если Вселенная одна из многих, эти свойства имеют смысл. Ничто не выделяет их; они просто возникли в нашей области пространства. Если бы мы жили в другом месте, мы бы наблюдали другие свойства, если бы действительно могли там существовать (в большинстве мест жизнь была бы невозможна). Но теория струн — это не проверенная теория; она даже не является полной теорией. Если бы у нас были доказательства того, что теория струн верна, её теоретические предсказания могли бы быть обоснованным, экспериментально подтверждённым аргументом в пользу мультивселенной. У нас нет таких доказательств.

Все, что может случиться, случается

Пытаясь объяснить, почему природа подчиняется одним законам, а не другим, некоторые физики и философы предположили, что природа никогда не делала такого выбора: все мыслимые законы где-то применимы. Эта идея отчасти вдохновлена квантовой механикой, которая, как метко выразился Мюррей Гелл-Манн, утверждает, что всё, что не запрещено, обязательно. Частица проходит все возможные пути, и то, что мы видим, — это взвешенное среднее всех этих возможностей. Возможно, то же самое верно и для всей Вселенной, что подразумевает мультивселенную. Но у астрономов нет ни малейшей возможности наблюдать за этим множеством возможностей. На самом деле, мы даже не можем знать, что это за возможности. Мы можем понять это предложение только в контексте какого-то непроверяемого организующего принципа или структуры, которая определяет, что допустимо, а что нет, — например, что все возможные математические структуры должны быть реализованы в какой-то физической области (как предположил Тегмарк). Но мы не имеем ни малейшего представления о том, какие виды существования подразумевает этот принцип, кроме того факта, что он обязательно должен включать мир, который мы видим вокруг себя. И у нас нет никакой возможности проверить существование или природу какого-либо подобного организующего принципа. В каком-то смысле это привлекательное предложение, но его применение в реальности — чистая спекуляция.

Отсутствие доказательств

Хотя теоретические аргументы несостоятельны, космологи также предложили различные эмпирические тесты для проверки существования параллельных вселенных. В космическом микроволновом фоновом излучении могут быть следы других вселенных-пузырей, если, например, наша Вселенная когда-либо сталкивалась с другим пузырём, как предполагает сценарий хаотической инфляции. Фоновое излучение также может содержать остатки вселенных, существовавших до Большого взрыва в бесконечном цикле вселенных. Это действительно способы, с помощью которых можно получить реальные доказательства существования других вселенных. Некоторые космологи даже утверждали, что видели такие остатки. Однако утверждения, основанные на наблюдениях, вызывают серьёзные сомнения, и многие из гипотетически возможных мультивселенных не привели бы к таким доказательствам. Таким образом, наблюдатели могут проверить только некоторые конкретные классы моделей мультивселенных.

Второй способ наблюдения заключается в поиске изменений в одной или нескольких фундаментальных константах, которые подтвердили бы предположение о том, что законы физики не так уж и неизменны. Некоторые астрономы утверждают, что обнаружили такие изменения [см. «Непостоянные константы» Джона Д. Барроу и Джона К. Уэбба; Scientific American, июнь 2005 г.]. Однако большинство считает эти доказательства сомнительными.

Третий тест — измерить форму наблюдаемой Вселенной: является ли она сферической (положительно искривлённой), гиперболической (отрицательно искривлённой) или «плоской» (неискривлённой)? Сценарии мультивселенной обычно предполагают, что Вселенная не является сферической, потому что сфера замыкается сама на себя, оставляя лишь конечный объём. К сожалению, этот тест не является однозначным. Вселенная за пределами нашего горизонта может иметь форму, отличную от наблюдаемой части; более того, не все теории мультивселенной исключают сферическую геометрию.

Лучшим тестом является топология Вселенной: закручивается ли она, как пончик или крендель? Если да, то она была бы конечной по размеру, что определённо опровергло бы большинство версий инфляции и, в частности, сценарии мультивселенной, основанные на хаотической инфляции. Такая форма создавала бы повторяющиеся узоры на небе, например гигантские круги в космическом микроволновом фоновом излучении [см. «Является ли пространство конечным?» Жан-Пьера Люмине, Гленна Д. Старкмана и Джеффри Р. Уикса; Scientific American, апрель 1999]. Наблюдатели искали и не смогли найти никаких подобных закономерностей. Но этот нулевой результат нельзя считать аргументом в пользу мультивселенной.

Наконец, физики могут надеяться доказать или опровергнуть некоторые теории, предсказывающие существование мультивселенной. Они могут найти наблюдательные доказательства, противоречащие хаотичным версиям теории инфляции, или обнаружить математическую или эмпирическую непоследовательность, которая вынудит их отказаться от теории струн. Такой сценарий подорвёт большую часть аргументов в пользу мультивселенной, хотя и не исключит эту концепцию полностью.

Слишком Много места для Маневра

В целом, аргументы в пользу мультивселенной неубедительны. Основная причина заключается в чрезвычайной гибкости этого предположения: это скорее концепция, чем чётко сформулированная теория. Большинство предположений представляют собой совокупность различных идей, а не единое целое. Базовый механизм вечной инфляции сам по себе не приводит к тому, что физика в каждой области мультивселенной будет отличаться; для этого его нужно связать с другой спекулятивной теорией. Хотя их можно совместить, в этом нет ничего неизбежного.

Ключевым шагом в обосновании мультивселенной является экстраполяция от известного к неизвестному, от проверяемого к непроверяемому. Вы получите разные ответы в зависимости от того, что вы решите экстраполировать. Поскольку теории, включающие мультивселенную, могут объяснить практически всё, любое наблюдение может быть объяснено каким-либо вариантом мультивселенной. Различные «доказательства», по сути, предполагают, что мы должны принять теоретическое объяснение вместо того, чтобы настаивать на проверке с помощью наблюдений. Но до сих пор такое тестирование было основным требованием научной деятельности, и мы отказываемся от него на свой страх и риск. Если мы ослабим требование достоверных данных, мы ослабим основную причину успеха науки на протяжении последних столетий.

Действительно, удовлетворительное объединяющее объяснение какого-либо ряда явлений имеет больший вес, чем набор разрозненных аргументов в пользу одних и тех же явлений. Если объединяющее объяснение предполагает существование ненаблюдаемых объектов, таких как параллельные вселенные, мы вполне можем почувствовать себя обязанными принять эти объекты. Но ключевой вопрос здесь заключается в том, сколько ненаблюдаемых объектов необходимо. В частности, предполагаем ли мы существование большего или меньшего количества объектов, чем количество явлений, которые необходимо объяснить? В случае с мультивселенной мы предполагаем существование огромного количества — возможно, даже бесконечности — ненаблюдаемых сущностей, чтобы объяснить существование только одной существующей вселенной. Это едва ли соответствует утверждению английского философа XIV века Уильяма Оккама о том, что «сущности не следует умножать без необходимости».

Сторонники теории мультивселенной приводят последний аргумент: хороших альтернатив не существует. Как бы ни было неприятно учёным распространение параллельных миров, если это лучшее объяснение, мы вынуждены будем его принять; и наоборот, если мы откажемся от теории мультивселенной, нам нужна жизнеспособная альтернатива. Поиск альтернатив зависит от того, какое объяснение мы готовы принять. Физики всегда надеялись, что законы природы неизбежны — что всё так, как есть, потому что иначе и быть не могло, — но мы не смогли доказать, что это так. Существуют и другие варианты. Вселенная может быть чистой случайностью — просто так сложилось. Или же всё в каком-то смысле должно быть таким, какое оно есть, — цель или замысел каким-то образом лежат в основе существования. Наука не может определить, что из этого верно, потому что это метафизические вопросы.

Ученые предположили, что мультивселенная — это способ решить сложные вопросы о природе существования, но это предположение оставляет нерешенными фундаментальные вопросы. Все те же вопросы, которые возникают в связи со Вселенной, возникают и в связи с мультивселенной. Если мультивселенная существует, то возникла ли она в силу необходимости, случайности или цели? Это метафизический вопрос, на который ни одна физическая теория не может ответить ни для Вселенной, ни для мультивселенной.

Чтобы добиться прогресса, нам нужно придерживаться идеи о том, что эмпирическое тестирование — это основа науки. Нам нужен своего рода причинно-следственный контакт с любыми предложенными нами сущностями; в противном случае нет никаких ограничений. Связь может быть немного косвенной. Если сущность ненаблюдаема, но абсолютно необходима для свойств других сущностей, которые действительно проверены, её можно считать проверенной. Но тогда бремя доказательства того, что она абсолютно необходима для системы объяснений, ложится на нас. Вопрос, который я задаю сторонникам теории мультивселенной: можете ли вы доказать, что невидимые параллельные вселенные необходимы для объяснения мира, который мы видим? И является ли эта связь существенной и неизбежной?

Каким бы скептиком я ни был, я считаю, что размышления о мультивселенной — это отличная возможность поразмышлять о природе науки и о том, что лежит в основе нашего существования: почему мы здесь. Это приводит к новым и интересным выводам и является продуктивной исследовательской программой. Рассматривая эту концепцию, мы должны быть непредвзятыми, но не слишком. Это тонкий путь. Параллельные вселенные могут существовать, а могут и не существовать; это не доказано. Нам придётся жить с этой неопределённостью. Нет ничего плохого в научно обоснованных философских спекуляциях, которыми и являются предложения о мультивселенной. Но мы должны называть это так, как оно есть.