Мультивселенная и антропный принцип

 

Теория мультивселенной продолжает то направление в науке, которое было определено работами Коперника. Согласно его учению наша Земля вовсе не занимает центральное место среди планет солнечной системы, Солнце не находится в центре галактики, а наша галактика – Млечный путь – не находится в центре всех галактик нашей Вселенной.

Было подорвано представление о центральном положении человека в системе мира. Идея о том, что наша Вселенная является одной из множества других вселенных, составляет смысл понятия мультивселенной. Концепция мультивселенной расширяет наш взгляд на мир, проведение экспериментальных наблюдений и математических вычислений неограниченно увеличивает возможность познания мира.

Конкретные Вселенные, составляющие некоторую мультивселенную, могут сильно различаться, однако установление у них общих свойств будет доказательством единой теории возникновения мультивселенной.

Особый интерес представляет связь свойств разных вселенных с возможностью существования жизни, подобной нашей. Так же, как среди множества планет существует планета, населенная нами, потому что ее орбита обеспечивает благоприятные условия для жизни, так и среди множества вселенных с разными значениями физических констант существует Вселенная, в которой находимся мы, поскольку эти значения благоприятствуют нашему существованию. Концепция мультивселенной обеспечивает возможность произвести на основании антропного принципа отбор той вселенной, которая по своим характеристикам подходит для нашего существования. Применение антропного принципа определяется следующими тремя предположениями:

ü наша Вселенная – это часть мультивселенной;

ü в разных вселенных мультивселенной константы находятся в широком диапазоне возможных значений;

ü жизнь в известной нам форме невозможна при почти всех отклонениях от наблюдамых значений констант. Этот вопрос был рассмотрен в работе Вайнберга по определению космологической постоянной.

 

Мультивселенная

 

Космология бесконечной вселенной дает основание признать, что существуют области вполне конечной величины - это расстояние, которое прошел свет испущенный объектом сразу после Большого взрыва до настоящего момента. Это расстояние называется космическим горизонтом, а все, что находится дальше, недоступно для нашего наблюдения. Точно также свет, испущенный нами, еще не достиг тех удаленных областей космоса, для которых и мы находимся за пределами их космического горизонта. Поскольку никакой сигнал не может распространяться быстрее света, то космический горизонт определяет доступное и недоступное нашему взору. Области вселенной, разделенные космическим горизонтом, существуют независимо друг от друга. Можно представить пространство в виде лоскутного одеяла, каждый лоскут которого определяется космическим горизонтом. Разные лоскутки настолько далеки друг от друга, что всякое перекрестное взаимодействие между ними невозможно. Двумерное изображение волны может быть использовано и в трехмерном мире, трехмерные лоскутки будут иметь сферическую форму, каждый будет находиться за пределами сферы влияния каждого другого и поэтому будут представлять независимые миры.

Для бесконечного пространства число независимых лоскутков тоже бесконечно. Но в каждом лоскутке частицы вещества составляют конечное число и, следовательно, могут быть собраны лишь в конечное число разных конфигураций.

Лоскут космического одеяла - это сфера радиусом 41 миллиард световых лет. Это число определяется тем, что кроме разлёта галактик нужно учитывать ещё и расширение самого пространства. Для любой области пространства данного размера существует предел того, какое количество материи и энергии может в нем уместиться. Стремление втиснуть в эту область энергии

Заполняющая наш космический горизонт черная дыра будет иметь радиус ~10²⁸см, что составляет 10⁶¹ планковских длин. Площадь поверхности черной дыры равна её энтропии, в данном случае 10¹²². Значит, число всех возможных состояний всех частиц в данной области пространства составляет10¹⁰¹²². Число огромное, но оно конечно! Значит, существует ограниченное количество компоновок частиц в каждом лоскуте. В бесконечно большой Вселенной существует бесконечно много лоскутков, но с конечным набором разных компоновок в каждом. Эти компоновки будут повторяться бесконечное число раз в бесконечной вселенной и конечное число раз в конечной вселенной.

Вывод состоит в том, что если известные нам конфигурации частиц повторяются в другом лоскутке, то этот лоскуток будет во всём похож на наш. Физическая система полностью определяется тем, как скомпонованы частицы, её образующие. Если вселенная простирается бесконечно, то мы не одиноки. В глубине космоса существует множество наших точных копий, ведущих и чувствующих себя точно так же, как и мы. Невозможно определить, какая из них – это действительно Я. Все копии физически и, следовательно, ментально тождественны.

В каждый момент времени в пространстве существует бесконечное множество отдельных миров, объединение которых образует лоскутную Вселенную, где наша Вселенная всего лишь одна из многих. В этой бесконечной коллекции отдельных миров конфигурации частиц обязательно повторяются бесконечное число раз. Можно предположить, что пространство конечно. Однако в довольно маленькой конечной Вселенной может не хватить места для размещения сколько-нибудь значительного количества разных лоскутков, не говоря уж о копиях нашей Вселенной. Поэтому конечность Вселенной наиболее убедительным образом противоречит существованию лоскутной Мультивселенной.

Множество отдельных миров представляют бесконечное объединение, которое принято называть лоскутной Вселенной. Это значит, что реальность в любой заданной Вселенной, включая нашу, воспроизводится в бесконечном множестве других вселенных лоскутной Мультивселенной. Нравится нам это или нет, но таков логический результат существования нашего лоскутка, содержащего конечное число частиц, в бесконечном множестве ему подобных. Вопрос в том – как возникает бесконечное множество вселенных

Прежняя картина происхождения Вселенной была построена на теории Большого взрыва, включавшей представление о гигантском количестве массы, разогретой до сверхвысоких температур. Это предполагалось как данность. Но возникла проблема взрыва. Дело в том, что Большой взрыв – это, прежде всего, не взрыв. Обоснование теории Большого взрыва дает инфляционная космология, основная идея которой – мощный выброс расширяющегося пространства, это и задает взрыв в теории Большого взрыва. Сила, вызывающая расширение области пространства – это отталкивающая гравитация, которая является источником постоянно увеличивающейся энергии в данной области. Существование отрицательной гравитации было получено Эйнштейном в результате решения проблемы стационарной вселенной. Предложенное им умеренное и равномерное расширение не пригодно для объяснения гигантской волны гравитационного отталкивания в инфляционной теории. Поле, вызывающее инфляционное расширение, называется полем инфлатона. Все более расширяющийся объем, в свою очередь, заполняется полем инфлатона. Чем больше заполняемый объем, тем больше энергии он содержит. Создается устойчивый энергетический поток от гравитационного поля к полю инфлатона.

При инфляции огромное количество материи может возникнуть из очень скромных зернышек. В инфляционном процессе вселенная образуется когда поле инфлатона скатывается вниз по кривой потенциальной энергии, образуются пузырьки, в которые выплескивается феноменальная волна энергии. При соскальзывании инфлатона в минимум, содержащаяся в нем энергия трансформируется в газ частиц, равномерно заполняющий некоторый пузырек– нашу вселенную. Именно так образуется материя, наблюдаемая в нашей Вселенной. Источник энергии инфлатона инфляционная космология определяет как энергетический поток от гравитационного поля к полю инфлатона. Возникает вопрос: откуда сама гравитация берет энергию?

Поле инфлатона определяет энергию в объеме - чем больше объем, тем больше энергия в нем. Сила, вызывающая расширение – это отталкивающая гравитация, значит, гравитация является источником постоянно увеличивающейся энергии в данной области пространства. Ответ: гравитация отличается от других сил тем, что где гравитация – там фактически неисчерпаемый резервуар энергии. А гравитирует всё!

Процесс возникновения бесконечного множество вселенных наиболее убедительно объясняется инфляционной теорией. Существуют разные варианты инфляционной теории, однако общим для них является взрывоподобный процесс расширения пространства, сопровождающийся рождением частиц. Причём этот процесс не является единомоментным и может повторяться на бесконечных просторах космоса. Это хорошо объясняет теория вечной хаотической инфляции, разработанная Андреем Линде на основе самовоспроизводства вселенной.

Теоретической основой инфляционной космологии является понятие поля инфлатона. Это поле, заполняющее пространство, создаёт гравитационное отталкивание, которое действует очень короткий промежуток времени ~ 10^-35с. За это время пространство расширяется в колоссальное число раз (возможно, в 10³⁰раз). Высвобождающаяся энергия поля инфлатона конденсируется в однородную среду частиц, заполняющих огромное пространство и представляющих собой сырьё для будущих звёзд и галактик. Инфляционная космология даёт представление о реальном пространстве, подобном гигантскому куску швейцарского сыра, в котором дырки соответствуют областям с малой величиной поля инфлатона; в остальных областях величина поля инфлатона - велика. Дырки – это области, подобные нашей Вселенной, прошедшие стадию сверхбыстрого расширения. В тоже время, области без дырок продолжают испытывать инфляционное расширение, вызываемое большим значением поля инфлатона. Оба процесса совместно приводят к расширению куска сыра и возникновению всё новых дырок, из которых вырастают дочерние Вселенные.

Инфляция связана с хаотическим процессом возникновения пузырьков, которые приводят к образованию дочерних Вселенных. Это обеспечивает свойство самовоспроизводства Мультивселенной. Инфляция по своей природе является процессом, который никогда не останавливается, она порождает и порождает пузырьки-Вселенные, в одном из которых мы живем. С точки зрения вечной инфляции, пузырьки-Вселенные для находящихся внутри них наблюдателей являются пространственно бесконечными. Возникающие в процессе инфляции пузырьки-Вселенные порождают лоскутные Вселенные. Существование лоскутной Мультивселенной определяется бесконечностью пространства. Однако установлено, что каждый пузырёк, возникающий в процессе инфляции, имеет конечный пространственный размер, если смотреть снаружи, и бесконечный размер, если смотреть изнутри. Значит, реальность инфляционной Мультивселенной обеспечивает население пузырька – нас с вами, живущих в инфляционной вселенной, также и лоскутной Мультивселенной. Таким образом, согласно современной космологической теории мы населяем лишь одну из обширных инфляционных систем параллельных Вселенных, в каждой из которых скрыто своё многообразие параллельных лоскутных Вселенных.

Теория струн

Возникновение инфляционной Вселенной поставило задачу рассмотреть объекты и очень большой массы, и очень малых размеров. Такая физическая система, для которой существенную роль играют и гравитация, и квантовая механика. Задача объединения гравитации и квантовой механики существовала с момента создания общей теории относительности и квантовой механики.

Попытка её решения была предпринята в середине 1980-х годов в результате создания теории струн. Основная идея этой теории состояла в том, чтобы вместо точечной модели элементарных частиц, фундаментальных объектов квантовой теории поля, рассматривать струноподобные вибрирующие нити. Согласно теории струн, частицы разного типа являются струнами, которые не различимы, но вибрируют по-разному. Чем больше масса частицы, тем больше энергия вибрации. Разные свойства частиц объясняются разными вибрациями в теории струн, подобно тому, как разные вибрации гитарных струн порождают звучание разных музыкальных нот. Разные вибрации струн - это и есть сами частицы.

Особенность теории струн стоит в том, что частицы определяются самой теорией, т.е. разные типы частиц соответствуют разным колебаниям струны. Стандартная модель, которую представляет квантовая теория поля, позволяет производить описание частиц, наблюдавшихся ранее экспериментально или же полученных гипотетически в результате теоретических расчетов. Теория струн, путем задания вибрационного поведения всех возможных типов, способна объяснить все свойства всех частиц.

Теория струн строится не последовательными приближениями к полному описанию природы, а предлагает полное описание с самого начала. В теории струн была получена гипотетическая частица, являющаяся квантом гравитационного поля, получившая название гравитон. Этот результат особой важности означает, что теория струн является давно искомой квантовой теорией гравитации. Замена точки пространственно протяженным объектом (струной) разрешила противоречия между общей теорией относительности и квантовой механикой.

В начале создания теории струн было распространенно мнение, что не далеко время, когда можно будет рассчитывать свойства элементарных частиц. Но с установлением огромного числа дополнительных измерений такая возможность стала призрачной. Задача построения теории для расчета характеристик элементарных частиц по-прежнему остается важнейшей в теории струн, в качестве основного ориентира. Но нельзя требовать от теории получать такие числа, как масса электрона или космологическая постоянная. Получение таких чисел – за пределами возможностей самых мощных компьютеров.

Новый подход предлагает концепция Мультивселенной. Нужно выделить те физические свойства, которые меняются от одной вселенной к другой и для которых Мультивселенная позволяет осуществлять точный контроль. Космологическая постоянная – это пример такого подхода.

Все возможные формы пространств дополнительных измерений, возникающие в математическом аппарате теории струн – реальные свойства частиц. Это значит, что каждая из форм задает дополнительные измерения в своей отдельной вселенной. Тогда такой результат даст основание для решения самого трудного вопроса - космологической постоянной. Необходимым становится учет антропного принципа.

 

 

10 загадок вселенной

• Темная материя

• Темная энергия

• Была ли стадия инфляции?

• Какими были свойства первых звезд и галактик?

• Какова природа черных дыр?

• Откуда летят космические лучи сверхвысоких энергий?

• Как взрываются сверхновые?

• Что находится внутри нейтронных звезд?

• Сколько существует планет земного типа?

Как объяснить «аномалию пионеров»?