Хокинг, математика и струны: три ключевых теории о параллельных мирах
Стивен Хокинг считал, что черные дыры — это порталы в параллельные миры, а реликтовое пятно в созвездии Эридан может быть отпечатком другой реальности. Рассматриваем эту и другие теории об альтернативных вселенных
Параллельные вселенные — это миры, которые гипотетически существуют одновременно с нашим, но не обязательно похожи на него. Есть предположения, что там действуют другие законы природы или события принимают альтернативные исходы: если в нашем мире подброшенная монета упала орлом вверх, то в другой реальности — решкой. Научные гипотезы, содержащие конкретные обоснования существования параллельных вселенных, появились только в XX веке, но философы рассуждали на эту тему еще в античности. В V веке до нашей эры в Древней Греции возникла теория атомизма. Согласно этой теории любая материя состоит из химически неделимых частиц — атомов, хаотичное столкновение которых образует параллельные миры. Философ Хрисипп, живший в III веке до нашей эры, предполагал, что Вселенная постоянно умирает и возрождается, то есть одновременно существует бесконечное множество ее состояний. Первым физиком, который высказал предположение о существовании параллельных реальностей, стал австрийский ученый Эрвин Шредингер. В 1952 году в Дублине он прочел лекцию по квантовой механике и ввел понятие суперпозиции — явления, при котором частица одновременно находится в нескольких разных состояниях. Позже идею о мультивселенных стали использовать писатели-фантасты. Одна из первых книг на эту тему — роман Майкла Муркока «Расколотые миры» (1963). Чтобы разобраться, могут ли параллельные миры существовать на самом деле, а не только в литературе и кино, мы рассмотрели основные теории и поговорили с российскими физиками.
Теории параллельных Вселенных Теория Хартла — Хокинга
В 1983 году физики Стивен Хокинг и Джеймс Хартл выпустили научную работу, посвященную новой теории возникновения Вселенной. С помощью квантовой механики ученые пытались объяснить, как мир мог появиться из ничего и что было до Планковской эпохи — самого раннего этапа в его развитии.
Стивен Хокинг посвятил почти всю свою научную карьеру космологии — разделу астрономии, изучающему появление и эволюцию Вселенной. Помимо исследовательских работ, он выпустил несколько научно-популярных книг на эту тему — «Краткая история времени», «Черные дыры и молодые вселенные», «Мир в ореховой скорлупке».
Согласно теории Хартла — Хокинга изначально наш мир находился в космологической сингулярности. Это состояние, для которого характерны бесконечно высокие плотность и температура вещества. В результате Большого взрыва Вселенная расширилась, образовались галактики, звезды, планеты. Она продолжает безгранично расширяться до сих пор. Описывая мир, Хокинг и Хартл рассматривали Вселенную как квантовую систему, которая одновременно находится в бесконечном множестве состояний. Наша реальность — лишь одно из них. Помимо нее существуют параллельные миры, которые отображают все возможные исходы любых происходивших событий.
Идея, согласно которой система может находиться в нескольких состояниях в одно и то же время, объясняется мысленным экспериментом Эрвина Шредингера — одного из основателей квантовой механики. Ученый привел пример с кошкой в непрозрачном ящике рядом с атомом радиоактивного вещества, который с одной и той же вероятностью может распасться или не распасться, и устройством, которое убивает или не убивает животное в зависимости от состояния частицы. Для наблюдателя, пока тот не откроет ящик, кошка будет в равной степени живой и мертвой, то есть одновременно находиться в двух состояниях.
Математическая гипотеза Тегмарка 1-й уровень — области, которые находятся в этой вселенной, но из-за постоянного расширения пространства после Большого взрыва удаляются от нашей части мира настолько быстро, что абсолютно не влияют на нее. В них действуют привычные физические законы, но с другими первоначальными условиями. 2-й уровень — вселенные-«пузыри», которые возникают из-за того, что иногда пространство расширяется более интенсивно, будто происходит небольшой взрыв. Их можно сравнить с отверстиями в хлебном мякише, которые появляются при выпечке теста. Фундаментальные законы природы в этих мирах такие же, но физические константы и элементарные частицы иные. 3-й уровень — множественные квантовые состояния вселенной, о которых говорили Хокинг, Хартл и Шредингер. Могут отображать альтернативные исходы событий. В них другие физические постоянные и элементарные частицы, но такие же законы природы. 4-й уровень — реальности с другими математическими структурами, которые, по версии Тегмарка, во всем отличаются от нашего мира.
Компьютерная модель вселенных-«пузырей» (Фото: sakkmesterke / Depositphotos) Теория струн
В 1970 году Йоитиро Намбу, Хольгер Нильсен и Леонард Сасскинд независимо друг от друга выдвинули предположение о том, что не все физические частицы можно считать точечными из-за нетипичного характера их взаимодействия. Исследователи предложили рассматривать некоторые элементарные частицы (например, пионы, которые по массе меньше атома) как тонкие протяженные нити — так называемые квантовые струны.
В 1984–1986 годах произошла суперструнная революция: физики поняли, что теорией струн гипотетически можно описать взаимодействие всех элементарных частиц, а не только пионов. Возникла идея, что квантовые нити колеблются с разными частотами и задают свойства материи, как привычные нам атомы.
Согласно общепринятой теории относительности Вселенная включает в себя четыре измерения, среди которых длина, ширина, глубина и время. По теории струн измерений может быть 6, 10 и даже 26. Но мы осознаем только четыре из них. Остальные измерения сворачиваются, но в них могут помещаться параллельные вселенные. Эта концепция в упрощенной визуальной форме отражена в фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014).
Михаил Иванов, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры теоретической физики МФТИ:
«Тема параллельных миров-вселенных в художественной и научной литературе переплетена с темой множественности миров-областей в пределах одной вселенной. Если рассматривать область якобы нашей вселенной, но отстающую от нас более чем на 14 млрд световых лет (это больше расстояния, которое свет может пройти с момента Большого взрыва к настоящему времени), тут уже возможно говорить о параллельных мирах.
Исторически одним из первых источников идеи мультивселенных была многомерная геометрия. Если в пространстве больше трех измерений, в нем можно представить несколько параллельных или пересекающихся гиперплоскостей, на каждой из которых действует обычная трехмерная физика. Восходят эти идеи минимум к XIX веку.
В современной науке основные источники идеи о мультивселенных — общая теория относительности и квантовая теория.
Общая теория относительности (ОТО) описывает, как геометрия пространства-времени, которая проявляется в виде гравитационных полей, изменяется со временем и взаимодействует с материей. В ней можно сконструировать решения основных уравнений так, чтобы черная дыра оказалась воротами в параллельный мир. Но это требует существования экзотических видов материи, которые едва ли возможны.
Можно применить обобщения ОТО к многомерному пространству и прийти к допущению, что в нем живут трехмерные браны (от слова мембрана), на поверхности которых размещаются параллельные вселенные. Можно модифицировать теорию так, чтобы пространство эволюционировало, порождая практически не связанные друг с другом области, в которых законы физики будут различаться.
В квантовой теории есть концептуальные проблемы, связанные с тем, что она состоит из двух разных частей. Первая — физика того, что происходит в замкнутой системе, обособленной от внешних взаимодействий. Вторая — теория измерений, описывающая взаимодействия системы с измерительным прибором.
Последнюю старались свести к физике замкнутых систем, включая в нее измерительный прибор. Но каждый раз теория измерений возникала снова, на другом уровне: вместо измерения состояния квантовой частицы приходилось рассматривать измерение состояния стрелки прибора или даже экспериментатора. В 1957 году американский физик Хью Эверетт III заметил, что теорию измерений можно исключить из квантовой механики, но тогда окажется, что в каждом эксперименте реализуются одновременно все возможные исходы. Это позволило проинтерпретировать теорию так, что Вселенная ветвится на варианты. В них происходит все, что в принципе могло бы произойти».
Существуют ли параллельные вселенные
Идею о существовании других реальностей в научном сообществе воспринимают неоднозначно. Сторонники этой концепции — Стивен Хокинг, американские физики-теоретики Брайан Грин и Ли Смолин, американский космолог Александр Виленкин.
Аргументы за:
Существование черных дыр — Стивен Хокинг считал, что они могут быть тоннелями в параллельный мир. Об этом говорится в его книге «Черные дыры и молодые вселенные». Существование реликтового холодного пятна — области в созвездии Эридан с необычно низким микроволновым излучением и большими размерами. Некоторые ученые считают, что оно может быть отпечатком другой вселенной. Гипотетическое существование кротовых нор — «тоннелей», соединяющих отдаленные друг от друга точки пространства. Они согласуются с общей теорией относительности, но требуют существования экзотических видов материи.
Первое изображение галактики Messier 87, в центре которой находится черная дыра (Фото: Event Horizon Telescope / Wikimedia Commons)
Против идеи о параллельных вселенных выступают британский космолог Джордж Эллис, американские физики-теоретики Стивен Вайнберг и Дэвид Гросс. Их главный аргумент в том, что она ненаучна в целом. Ни одну из описанных выше теорий невозможно опровергнуть экспериментально, а значит, и доказать.
Михаил Иванов:
«В обозримом будущем мы едва ли сможем доказать существование параллельных вселенных. Многие теории основаны больше на игре ума, чем на экспериментальных фактах. Доказательство других порой требует ускорения элементарных частиц до энергии Планка (500 кг в тротиловом эквиваленте) или наблюдения за ними в течение миллиардов лет.
Более важный вопрос — удастся ли нам сформулировать квантовую теорию гравитации. Есть вероятность, что с ней мы сможем создавать параллельные вселенные, даже если раньше их не существовало».
В интервью для журнала Scientific American Джордж Эллис объяснил, что, по его мнению, ученые предложили идею о параллельных вселенных как универсальное объяснение природы нашего существования. Эту концепцию нельзя назвать неправильной, но она носит чисто философский, а не научный характер.
Станислав Алексеев, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института имени П. К. Штернберга:
«У идеи о существовании параллельных вселенных есть несколько причин. Например, наличие черных дыр — каналов, через которые гипотетически энергия попадает из нашего мира в другой. Противоположные им белые дыры, существование которых не доказано, но допускается, могут быть источниками излучения из параллельных вселенных.
С точки зрения космологии, наличие других вселенных — возможность нарушить закон сохранения энергии, показав каналы, через которые она может убывать и прибывать. Это могло бы объяснить проблему космических лучей, энергия которых выше теоретического верхнего предела, без нарушения лоренц-инвариантности — свойства физической величины оставаться неизменной при преобразованиях.
Для доказательства или выбора одной из вышеописанных теорий не хватает экспериментальных, наблюдательных данных. В настоящее время во всех проектах общая теория относительности (ОТО) подтверждается с высокой точностью, но возможно, что в будущем удастся экспериментально выйти за ее границы».
Как современная наука изучает возможность существования параллельных Вселенных
В 1998 году во время наблюдения за сверхновыми звездами была обнаружена темная энергия. Это форма энергии, которая заполняет пустое пространство и действует противоположно гравитации, то есть отталкивает тела, а не притягивает их. За счет нее Вселенная расширяется с ускорением.
Ученые из Даремского и Сиднейского университетов создали компьютерную модель развития Вселенной и пришли к выводу, что в нашем мире относительно мало темной энергии. Согласно теориям возникновения Вселенной, ее должно было быть настолько много, что галактики и звезды не могли сформироваться, а жизнь не появилась бы.
В 2015 году в научном издании The International Journal of Physics вышла статья ученого А. А. Антонова о том, что темная энергия может быть признаком существования других вселенных. Для проверки этой и других теорий, связанных с темной энергией, ученые Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, США, создали прибор Dark Energy Spectroscopic Instrument, который исследует электромагнитные спектры далеких галактик. Впервые он начал работу в 2019 году.
"
