Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса

Используя данные о гамма-всплесках, полученные космическим гамма-телескопом Ферми, астроном Роберт Немирофф и его соавторы сравнили время прибытия гамма-фотонов разных энергий, излученных из одного источника. В случае гамма-всплеска GRB 090510, зарегистрированного в мае 2009 года на расстоянии 7 млрд. световых лет от нас, прибытие трех фотонов было зафиксировано в пределах 1 мс^{329}. Этот результат накладывает ограничения на размер пузырьков пространственно-временной пены — в 525 раз меньше планковской длины. Хотя результат требует независимого подтверждения, похоже, что пространство-время в наблюдаемой Вселенной гладко.

Может возникнуть вопрос, как это значение согласуется с утверждением, которое я высказал в главе 6, что никакое расстояние меньше планковской длины нельзя измерить. Ответ имеет отношение к разнице между теорией и экспериментом, которую я раз за разом подчеркиваю в этой книге. Реально было измерено вовсе не расстояние короче планковской длины. Тем не менее измеренное значение было включено в теоретическую модель, в результате предсказавшую ограничение на размер пузырьков, которые должны быть значительно меньше планковской длины. Но само это число существует только в рамках модели, а не в прямом наблюдении.

Бивселенная

Теперь давайте поставим вопрос, что могло существовать по отрицательную сторону нашей временной оси, то есть до t = О в нашем прошлом. Откуда же взялась эта первичная сфера абсолютного хаоса? Хотя у нас нет никакой эмпирической информации о том, что могло происходить до планковского времени, мы все еще можем применить наши наиболее глубокие теоретические знания, то есть общую теорию относительности и квантовую теорию, которые были основаны на эмпирических свидетельствах из более позднего времени.

В книге и статье 2006 года я описал сценарий, который обосновывает естественное происхождение нашей Вселенной и вытекает из общепризнанной физики и космологии^{330}. Он строится на модели, предложенной в 1982 году Дэвидом Аткацем и Хайнцем Пейджелсом^{331}. Я выработал этот сценарий чисто математически на уровне, доступном для студента-физика, в значительной степени полагаясь на очень приятное учебное пособие, опубликованное Аткацем в 1994 году, «Квантовая космология для пешеходов»^{332}. Здесь я только кратко опишу порядок действий.

В 1982 году Аткац и Пейджелс показали, каким образом наша Вселенная могла появиться благодаря квантовому туннелированию. Этот механизм был предложен Виленкиным в 1982 году^{333}, а также Джеймсом Хартлом и Стивеном Хокингом в 1983 году^{334}.

Начнем с уравнений Фридмана для пустой, гомогенной, изотропной Вселенной с положительной кривизной, то есть с параметром кривизны k = +1. Хотя наша Вселенная очень близка к плоской, из этого не обязательно следует, что глобальный параметр кривизны k = 0; она может иметь k = +1 или k = -1 и все еще быть очень, очень плоской после инфляции. Аткац и Пейджелс показали, что туннелирование работает только при k = +1.

Имея в распоряжении это уравнение, мы следуем стандартным правилам, согласно которым нужно перейти от классического уравнения к квантово-механическому, заменив действительные числа математическими операторами [25] . Результат выглядит неожиданно просто. Вы получаете квантово-механическое, не зависящее от времени уравнение Шрёдингера для нерелятивистской частицы с массой, равной половине планковскои массы, и нулевой полной энергией, которое имеет единственное измерение, представляющее собой космологический масштабный коэффициент Вселенной, который мы можем принять за радиус Вселенной. Следует отметить, что это просто математическое тождество и из него не следует, что такая частица существует.

25

Для тех, кто знаком с дифференциальным исчислением в частных производных: в волновой механике Шрёдингера x-компонента импульса px заменяется дифференциалом, который не коммутирует с x, из чего вытекает принцип неопределенности. В квантовой механике Гейзенберга наблюдаемые объекты представлены в виде матриц. В квантовой механике Дирака наблюдаемые объекты представлены в виде операторов в линейном векторном пространстве.

Выведенное уравнение — это упрощенная форма уравнения Уилера — Девитта, решение которого гордо именуется волновой функцией Вселенной^{335}. При стандартном квантово-механическом подходе к интерпретации волновых функций квадрат амплитуды волновой функции Вселенной определяет вероятность нахождения конкретной Вселенной среди ансамбля похожих вселенных.

Итоговый сценарий проиллюстрирован схемой пространства-времени на рис. 15.2. Время t изображено вертикально, а два из трех измерений пространства, x и y, показаны в перспективе. В каждый момент времени расширяющаяся сферическая Вселенная спроецирована на окружность, перпендикулярную временной оси. Она развивается из сферы планковских размеров, расположенной в начальной точке, t=0.

Рис. 15.2. Схема пространства-времени, изображающая нашу Вселенную и зеркальную Вселенную, которые развиваются из одной планковской сферы в противоположных временных направлениях. Одно пространственное измерение скрыто, поэтому сферические вселенные и планковская сфера спроецированы на окружности. Авторская иллюстрация 

Также показана зеркальная Вселенная на противоположной стороне временной оси. Если мы посмотрим на уравнения Фридмана и другие космологические уравнения, то увидим: ничего в них не запрещает отрицательное время. Зеркальная Вселенная развивается из той же планковскои сферы в противоположном временном направлении. Заметьте, что это не противоречит картине временных линий, изображенной на рис. 15.1.

А вот следствие, которое редко отмечают: поскольку зеркальная Вселенная существует в нашем прошлом, ее стрела времени направлена противоположно нашей. Как мы узнали из главы 5, в физических уравнениях не используется направление времени. Привычная, обиходная стрела времени — это исключительно статистическое определение, в котором будущее время — это направление наиболее вероятных событий, в соответствии с ростом энтропии нашей Вселенной^{336}. Таким образом, поскольку зеркальная Вселенная расширяется в противоположную сторону от нашей, направление стрелы времени, которое было бы определено наблюдателем в этой вселенной, противоположно нашему.

Поскольку планковская сфера не содержит никакой информации или структуры, она функционально неотличима от ничего, и мы имеем две вселенные, туннелирующие из ничего. Я назову нашу Вселенную и ее зеркальную пару Бивселенной.

Я должен добавить, что мы не предполагаем, что зеркальная Вселенная идентична нашей, поскольку она ровно с такой же вероятностью будет подвержена случайности, как и наша.

Хотя я не могу доказать, что наша Вселенная появилась именно таким образом, никто еще не доказал обратного. То есть мы имеем правдоподобный сценарий естественного, нерукотворного происхождения Вселенной, основанный на общепризнанных физике и космологии. Это только один из нескольких предложенных сценариев, но он впечатляет меня своей явной простотой по сравнению с остальными, поскольку он не требует никаких новых допущений, используя только общепризнанные физику и космологию. По меньшей мере Бивселенная позволяет опровергнуть любое заявление о том, что наша Вселенная могла появиться только в результате сверхъестественного творческого акта.

Здесь читатель может спросить, откуда взялись общепризнанная физика и космология. Пожалуйста, запаситесь терпением. Скоро мы доберемся до этого вопроса.

Мультивселенная

Если возможны две вселенные, то почему не три, или четыре, или любое другое количество? В 1980-е ученые осознали возможность того, что наша Вселенная может быть лишь одной из неограниченного числа похожих, но не идентичных вселенных. Эта совокупность была названа Мультивселенной. Как мы узнали из главы 12, вскоре после того, как физики предложили идею инфляции, ученые поняли, что если наша Вселенная образовалась из пузырька, то таким же образом вполне могли появиться и многие другие вселенные.