Существует ли Мультимир на самом деле?
Доказательство существования параллельных вселенных, совершенно не похожих на нашу, может оказаться за пределом возможностей науки. За последние десятилетия в космологии появилось новое поле научной деятельности, увлекшее многих ученых. Расширяющаяся вокруг нас Вселенная может оказаться не единственной: нас могут окружать миллиарды других вселенных. Возможно, наш мир представляет собой лишь часть Мультимира.
В статьях журнала «В мире науки», а также в книгах, например в последней книге Брайана Грина (Brian Greene) «Скрытая реальность» (The Hidden Reality), ведущие ученые обсуждают эту «сверхкоперниканскую революцию». Не только наша планета одна среди многих, но и сама наша Вселенная - всего лишь песчинка в масштабах космоса; одна среди бесчисленных вселенных, каждая из которых не похожа на другие. Слово «Мультимир» многозначно. Размер космологического горизонта, т.е. области, доступной астрономическим наблюдениям, составляет около 42 млрд световых лет. Однако у нас нет причин полагать, что Вселенная ограничивается этой областью. Дальше могут простираться другие, и их может быть бесконечно много. Каждая обладает различным начальным распределением вещества, но одинаковыми для всех физическими законами. Практически все космологи, включая меня, принимают такую гипотезу строения Мультимира. Космолог Макс Тегмарк (Max Tegmark) называет ее «Уровень 1». Однако нашлись и те, кто придерживается более радикальной гипотезы, которая заключается в том, что вселенные Мультимира могут быть совершенно различными, с разными законами физики, разными историями и, возможно, даже с разным количеством пространственных измерений. Большинство таких вселенных стерильны, но некоторые могут быть пригодны для жизни. Главный вдохновитель этого «Уровня 2» - Александр Виленкин (Alexander Vilenkin). В бесконечном множестве вселенных есть бесконечное множество галактик и, следовательно, бесконечное множество планет и даже бесконечно много людей с вашим именем, читающих сейчас эти строки.
Подобные утверждения делались не раз с античных времен. Однако теперь концепция Мультимира претендует на статус научной теории, положения которой могут быть математически строго сформулированы и экспериментально проверены. Лично я смотрю на это скептически: вряд ли можно доказать существование вселенных, лежащих за пределами нашей. Сторонники теории Мультимира, стремясь расширить наше представление о физической реальности, тем самым меняют смысл понятия «наука».
За горизонтом
Тот, кто разделяет радикальную концепцию Мультимира, может предложить несколько сценариев его возникновения и указать, где размещаются все «дочерние» миры. Так, согласно модели Алана Гута (Alan H. Guth), Андрея Линде (Andrei Linde) и других, многочисленные вселенные могут располагаться очень далеко от нас, в причинно не связанных областях пространства, формирующихся в ходе хаотической инфляции. Другие вселенные могут существовать в различные временные эпохи, как это предложили в модели циклической Вселенной Пол Стейнхард (Paul J. Steinhardt) и Нейл Тюрок (Neil Turok). Они также могут существовать и в одном пространстве с нами, но при различных реализациях квантовой волновой функции, как предполагает Дэвид Дойч (David Deutsch). Они могут вообще не обладать определенной пространственной локализацией, будучи совершенно отделены от нашего пространства-времени, как это предполагают Макс Тегмарк и Дэннис Шьяма (Dennis Sciama).
Идея о параллельных вселенных перекочевала со страниц фантастических романов в научные журналы в 1990-е гг. Многие ученые утверждают, что миллионы других вселенных, каждая со своими законами физики, лежат за пределами нашего горизонта. Все вместе они называются Мультимир.
Беда в том, что никогда не удастся увидеть эти вселенные при помощи астрономических наблюдений. Аргументы в их пользу в лучшем случае косвенные. Но даже если Мультимир существует, это не поможет нам разгадать глубокие тайны природы.
Из всех перечисленных вариантов самый популярный – подход в рамках модели хаотической инфляции. Далее я буду говорить именно о нем, хотя ряд замечаний можно отнести и к другим моделям Мультимира. Идея заключается в том, что мир в целом представляет собой вечно расширяющуюся пустоту, в которой из-за квантовых эффектов непрерывно рождаются новые вселенные; этот процесс напоминает выдувание мыльных пузырей. Идея инфляции восходит к 1980-м гг.; работавшие над ней физики опирались на самую всеобъемлющую теорию природы – теорию струн. Согласно ей, пузыри сильно отличаются друг от друга: не только различным распределением вещества, но и различным типом вещества. В нашей Вселенной такие частницы, как электроны и кварки, взаимодействуют друг с другом посредством разных сил, например электромагнитных. В других вселенных могут быть совсем другие частицы, подчиняющиеся иным взаимодействиям; т.е. физические законы в разных частях Мультимира могут быть различны. Всю совокупность этих законов называют ландшафтом (смотри статью Рафаэля Буссо (Raphael Bousso) и Йозефа Полчински (Joseph Polchinski). В некоторых интерпретациях струнной теории ландшафт гарантирует громадное многообразие вселенных.
Многие физики, рассуждающие о Мультимире, защищают концепцию ландшафта струнной теории, не заботясь о других возможных интерпретациях параллельных миров. Для них не важны фундаментальные возражения против Мультимира как научной концепции. Теория признается жизнеспособной или нет в зависимости от внутренней непротиворечивости своих положений или, по возможности, в зависимости от экспериментальных исследований. Концепция Мультимира задается при таком подходе аксиоматически. Сторонников подобного подхода не заботят вопросы о происхождении самого Мультимира. Но для космологов это важно.
С точки зрения космолога главная проблема всех теорий, связанных с Мультимиром, – наличие космологического горизонта, ограничивающего область применения астрономических инструментов. Горизонт существует, потому что сигналы, идущие отовсюду к наблюдателю, распространяются с конечной скоростью, не превышающей скорости света. С момента рождения нашей Вселенной сигналы успели пройти определенный путь. Все параллельные вселенные лежат за пределами этого горизонта и остаются вне нашего поля зрения ныне и вовеки, вне зависимости от будущего технического прогресса человечества. Иными словами, параллельные вселенные слишком далеки от нас, чтобы оказать на нас когда-нибудь хоть какое-то влияние.
Когда астрономы вглядываются во Вселенную, они видят до расстояния около 42 млрд световых лет; это наш космический горизонт, который определяется тем, как далеко смог уйти свет с момента Большого взрыва (а можно сказать -насколько расширилась Вселенная с того момента). Считая, что пространство не ограничено этим размером и вполне может быть бесконечным, космологи делают предположения о том, как выглядят остальные части мира.
Мультимир первого уровня: вероятный. Самое простое предположение состоит в том, что наш объем пространства типичен для мира в целом. Далекие наблюдатели видят другие объемы, но все они выглядят в целом одинаково за исключением случайных вариаций в распределении вещества. Вместе эти области - наблюдаемые и ненаблюдаемые - составляют Мультимир основного типа
Мультимир второго уровня: сомнительный. Многие космологи идут дальше и предполагают, что на достаточно большом расстоянии все выглядит совсем не так, как у нас. Наши окрестности могут быть лишь одним из множества пузырей, плавающих в пустоте. Законы физики могут различаться от пузыря к пузырю, что привело бы к немыслимому разнообразию явлений. Те другие пузыри могут быть даже в принципе ненаблюдаемыми. Автор и другие скептики полагают сомнительным этот тип Мультимира
Таким образом, ни одно из утверждений сторонников существования Мультимира невозможно проверить путем наблюдений. Существуют возражения против этой точки зрения: всю необходимую информацию о процессах, происходящих сколь угодно далеко от нас, можно получить, находясь в рамках горизонта. Это экстраполяция совершенно особо рода, ведь в действительности мы не знаем и не можем знать, что происходит в областях за горизонтом. Быть может, наша Вселенная замкнута на сверхбольших расстояниях, и бесконечности вообще не существует. Быть может, все вещество во Вселенной где-то заканчивается, и дальше до бесконечности идет совершенно пустое пространство. Быть может, сами пространство и время завершают свое существование в сингулярности – на границе нашей Вселенной.
Семь сомнительных аргументов
Почти все сторонники гипотезы Мультимира знают об упомянутой проблеме и осторожны в своих суждениях, но они полагают, что можно сделать разумные предположения о важнейших свойствах Мультимира. Их аргументы делятся на семь основных типов, каждый из которых приводит к нерешенным проблемам. Пространство безгранично. Пространство простирается за наш космологический горизонт, и многие другие домены, подобные нашей Вселенной, лежат вне области, доступной нашим наблюдениям. Если такой ограниченный тип Мультимира существует, то мы можем экстраполировать то, что видим, на лежащие за горизонтом домены. По мере удаления наша экстраполяция будет все менее и менее определенной. Легко вообразить себе множество разнообразных доменов, в том числе и таких, в которых могут нарушаться законы физики, - но это будет так далеко, что мы этого никогда не увидим. Проблема подобной экстраполяции состоит в том, что никто не может определить, правы мы или нет. Как ученые смогут решить, верна представленная ими на основе экстраполяции имеющихся наблюдений картина далеких частей Мультимира или нет? Могут ли другие домены-вселенные обладать различными начальными распределениями вещества, или они также могут обладать различными значениями фундаментальных физических постоянных, таких как константы ядерного взаимодействия? В зависимости от наших предположений оказывается возможным получить все что угодно.
Известные законы физики предсказывают другие домены. В современных теориях объединения физических взаимодействий возникают новые сущности, такие как гипотетические скалярные поля, которые могут заполнять пространство и определять его свойства. Например, поле инфлатона может быть ответственно за инфляцию - экспоненциальное расширение вселенных. В модели хаотической инфляции процесс рождения и расширения вселенных может быть вечным. Модели со скалярными полями имеют хорошее теоретическое обоснование, однако физическая природа таких полей остается неизвестной. Кроме того, физики не могут привести достаточно оснований для доказательства того, что динамика таких полей способна приводить к появлению различных физических законов, действующих в различных вселенных.
Теория, предсказывающая бесконечное количество вселенных, проходит ключевой наблюдательный тест. Космическое микроволновое фоновое (т.е. реликтовое) излучение характеризует раннюю горячую Вселенную и демонстрирует, как она выглядела в конце инфляционной стадии первичного расширения. Детали этой картины показывают, что наша Вселенная действительно прошла стадию экспоненциального расширения. Но не все теоретически возможные варианты инфляции длятся вечно и порождают бесконечное число дочерних вселенных. Наблюдения не могут выявить единственную модель инфляции среди многих других. Некоторые космологи, например Стейнхард, даже согласны с тем, что вечная инфляция должна привести к другим «отпечаткам» на реликтовом излучении, нежели это наблюдается. Линде и некоторые другие космологи не согласны с такой точкой зрения. Кто же из них прав? Ответ зависит от того, какими мы предполагаем физические свойства поля, вызывающего инфляцию.
Сторонники идеи Мультимира часто приводят как аргумент плотность темной энергии, доминирующей в нашей Вселенной. Процесс вечной инфляции наделяет каждую вселенную в Мультимире случайной плотностью темной энергии. У немногих вселенных ее значение нулевое или малое, у большинства - высокое (синяя зона). Но слишком плотная темная энергия разрушит сложные структуры, необходимые для поддержания жизни (красная зона). Так что у большинства пригодных для жизни вселенных должна быть средняя плотность (пик в области перекрытия), точь-в-точь как у нашей Вселенной. Но критики идеи Мультимира говорят, что это замкнутый круг: такое рассуждение справедливо, только если вы уверены, что Мультимир существует.
Фундаментальные константы тонко настроены для существования жизни. Важное замечание относительно нашей Вселенной заключается в том, что все физические постоянные имеют такие значения, которые делают возможным существование сложных структур, включая живые организмы. Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), Мартин Рис (Martin Rees), Леонард Сасскинд (Leonard Susskind) и другие полагают, что концепция бесконечно многообразного Мультимира дает превосходное объяснение имеющимся значениям фундаментальных физических констант. Коль скоро мир бесконечен и допускает все что угодно, то рано или поздно случайным образом возникнет мир, приспособленный для нашего существования. Такой аргумент, в частности, применялся для объяснения наблюдаемой плотности темной энергии, которая вызывает современное ускоренное расширение Вселенной. Я согласен с тем, что концепция Мультимира дает нам одно из возможных объяснений значения плотности темной энергии, причем это единственное научно обоснованное предположение о значении этой плотности, которое мы сегодня имеем. Но у нас нет надежды проверить это предположение путем наблюдений. Кроме того, теоретические исследования этого вопроса показывают, что основные уравнения физики остаются неизменными для всех областей Мультимира, что отличия присутствуют только в значениях фундаментальных постоянных. Однако если принимать концепцию Мультимира серьезно, то в этом нет необходимости.
Фундаментальные константы делают Мультимир предсказуемым. Этот аргумент улучшает предыдущий за счет предположения о том, что наша Вселенная приспособлена к жизни минимальным образом. Сторонники такого подхода оценили вероятности различных значений плотности темной энергии. Чем больше это значение, тем более оно вероятно; но при этом менее вероятно появление жизни. Значение плотности темной энергии, которое мы наблюдаем, балансирует на грани благоприятных для нас значений. Проблема этого аргумента в том, что мы не можем применить вероятностный подход, если не существует Мультимира для применения самой концепции вероятностей. Таким образом, этот аргумент позволяет получить желаемое, заложив его как начальное условие цепочки рассуждений. Этот аргумент неприменим, если существует лишь одна вселенная. Вероятностный подход доказывает согласованность гипотезы Мультимира, но не само его существование.
Струнная теория предсказывает разнообразие вселенных. Изначально струнная теория была призвана объяснить все на свете, а теперь стала теорией, в которой может реализоваться практически все. В своем текущем состоянии теория струн предсказывает, что многие из основных свойств нашей Вселенной чисто случайны. Если Вселенная единственна в своем роде, то ее свойства необъяснимы. Например, как мы можем понять тот факт, что физика обладает ровно теми свойствами, которые нужны для существования жизни? Если наша Вселенная - одна из многих, то ее свойства обладают смыслом. Эти свойства - единственно возможные в нашей области пространства. Если бы мы жили в других областях, то наблюдали бы другие свойства, если, конечно, они оказались бы совместимы с нашим существованием. Однако теория струн пока не проверяема экспериментальными методами; до сих пор она не полностью сформулирована даже теоретически. Если мы сможем доказать, что теория струн верна, то все ее предсказания станут обоснованными, и таким образом гипотеза Мультимира получит поддержку. Но пока мы не располагаем доказательствами.
Все, что может случиться, случается. В попытках объяснить, почему в природе реализуются именно такие, а не иные законы природы, некоторое физики и философы полагают, что природа не делает выбора, не отдает предпочтения тем или иным законам: все возможные законы где-нибудь да реализуются. Отчасти эта идея идет от квантовой механики. Как сказал когда-то Мюррей Гелл-Манн (Murray Gell-Mann), «все, что не запрещено, разрешено». В квантовой теории частица перемещается по всем возможным путям, а наблюдатель фиксирует некую усредненную траекторию. Возможно, то же самое верно и для поведения вселенных применительно к Мультимиру. Но астрономы не имеют возможности наблюдать все возможные варианты. Мы не можем даже знать, есть ли эти варианты. Мы можем только представить себе эти предложения как некие непроверяемые принципы или правила, говорящие, что верно, а что нет. Например, что все возможные математические структуры обязаны быть реализованы в некотором физическом домене (так предлагает М. Тегмарк). Однако мы не знаем, какой тип существования влекут за собой эти принципы, которые должны включать и наш мир. Кроме того, у нас нет способа проверить, есть ли такие принципы организации. Приложение их к реальному миру выглядит чистой спекуляцией.
Отсутствие доказательств
Карта (панорама) анизотропии реликтового излучения (горизонтальная полоса — засветка от галактики Млечный Путь). Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области.
Восстановленная карта (панорама) анизотропии реликтового излучения с исключённым изображением Галактики, изображением радиоисточников и изображением дипольной анизотропии. Красные цвета означают более горячие области, а синие цвета — более холодные области.
Несмотря на слабость теоретических аргументов, космологи предложили несколько эмпирических тестов для проверки существования параллельных вселенных. Реликтовое излучение может содержать следы других вселенных, если наша Вселенная когда-либо сталкивалась с ними согласно сценарию хаотической инфляции. Это излучение может содержать и следы вселенных, которые были до Большого взрыва в рамках сценария бесконечного цикла вселенных. Так что есть способы обнаружить реальные доказательства существования других миров. Некоторые космологи утверждают, что они уже видят искомые знаки. Но наблюдения и их интерпретация очень спорны; к тому же многие гипотетически возможные типы мультимиров не способны проявлять себя таким образом. Иными словами, наблюдатели могут проверить только узкий класс моделей. Еще один наблюдательный тест – поиск изменений одной или нескольких фундаментальных констант, чтобы подтвердить, что законы физики не так уж неизменны. Некоторые астрономы утверждают, что уже нашли такие изменения. Но большинство считают эти доказательства сомнительными. Третий тест – измерение формы наблюдаемой Вселенной: она сферическая (положительная кривизна), гиперболическая (отрицательная кривизна) или «плоская»? Модели Мультимира обычно предсказывают, что Вселенная не сферическая, поскольку сфера замкнута на себя, а значит, имеет конечный объем. К сожалению, это ненадежный тест: Вселенная за пределами нашего горизонта может иметь иную форму, чем у наблюдаемой ее части. Более того, не все теории Мультимира исключают сферическую геометрию. Эффективный тест – топология Вселенной: искривлена ли она как пончик или крендель? Если да, то ее размер конечен, что, несомненно, опровергает большинство версий инфляции, в частности сценарии Мультимира, основанные на хаотической инфляции. Такая форма проявится в повторяющихся узорах на небе, таких как гигантские круги в распределении реликтового излучения. Наблюдатели искали, но не нашли такие узоры. Впрочем, этот отрицательный результат нельзя рассматривать как аргумент в пользу Мультимира. Наконец, физики могут надеяться доказать или опровергнуть некоторые теории, предсказывающие Мультимир. Они могли бы найти наблюдательные доказательства против хаотической версии инфляции или обнаружить математические либо эмпирические нестыковки, которые заставят их отказаться от ландшафта теории струн. Это подорвало бы их энтузиазм в отношении идеи Мультимира, хотя и не исключило бы эту идею окончательно.
Слишком много неопределенности
В целом идея Мультимира не выглядит продуктивной. Главная причина – чрезвычайная гибкость предположений: это скорее концепция, нежели четкая теория. Большинство ее положений – больше смесь различных идей, чем нечто цельное. Основной механизм вечной инфляции сам по себе не приводит к тому, что в разных доменах Мультимира возникает разная физика; для этого к нему нужно добавить другую спекулятивную теорию. Хотя их можно было бы объединить, в этом нет острой необходимости.
Ключевой шаг в оправдании Мультимира – это экстраполяция от известного к неизвестному, от проверяемого к непроверяемому. Вы получите разные ответы в зависимости от того, что выберете для экстраполяции. Поскольку теории, использующие Мультимир, могут объяснить почти все что угодно, любое наблюдение можно согласовать с каким-либо вариантом Мультимира. Фактически эти «доказательства» толкают нас к тому, чтобы принять теоретическое объяснение и не настаивать на проверке путем наблюдений. Но до сих пор именно такая проверка была важнейшим требованием научного метода, и мы сильно рискуем, отказываясь от нее. Если мы ослабим требование к надежности данных, то лишимся основы успеха науки в течение последних столетий.
Разумеется, единое объяснение некоторого круга явлений предпочтительнее, чем набор отдельных толкований для того же массива явлений. Если объединяющее объяснение предполагает наличие ненаблюдаемых сущностей, таких как параллельные миры, мы могли бы с этим смириться. Но ключевой вопрос здесь в том, сколько этих ненаблюдаемых сущностей требуется. А именно, предполагаем ли мы количество этих сущностей больше или меньше числа явлений, которые хотим объяснить? В случае Мультимира мы постулируем существование огромного быть может, даже бесконечного - числа ненаблюдаемых сущностей, чтобы объяснить лишь одну реальную Вселенную. Вряд ли это согласуется с советом английского философа XIV в. Уильяма Оккама не умножать сущностей сверх необходимого.
Защитники идеи Мультимира приводят последний аргумент: для нее нет достойной альтернативы. Хоть ученым и неприятна мысль о параллельных мирах, но если это наилучшее объяснение, то мы вынуждены его принять. И наоборот, если мы хотим отказаться от Мультимира, то должны предложить идею получше. Оценка альтернатив зависит от того, объяснение какого типа мы готовы принять. У физиков всегда была надежда, что законы природы неизбежны, что все происходит так, потому что не может происходить иначе. Но мы не смогли это доказать. Другие варианты тоже возможны. Вселенная может быть чистой случайностью, которая реализовалась именно таким образом. Или же в основе всего сущего лежит некая цель, замысел? Наука не может определить, где здесь истина, поскольку это уже область метафизики.
Ученые предложили Мультимир как способ решения глубоких вопросов о природе бытия, но это предложение оставило важнейшие проблемы нерешенными. Все те же вопросы, которые возникают в отношении Вселенной, вновь встают и в отношении Мультимира. Если он существует, то возник ли он по необходимости, случайно или в результате замысла? Это вопрос метафизический, и никакая физическая теория не ответит на него ни в отношении Вселенной, ни в отношении Мультимира.
Чтобы двигаться вперед, мы должны помнить, что в науке практика - критерий истины. Нам нужна некая причинная связь между теми сущностями, которые мы рассматриваем, иначе все размывается. Эта связь может быть косвенной. Если нечто ненаблюдаемо, но абсолютно необходимо для свойств других сущностей, которые надежно проверены, то и само оно может считаться проверенным. Но в этом случае обязательно нужна цепь надежных доказательств. Защитникам идеи Мультимира я бросаю вызов: сможете ли вы доказать, что ненаблюдаемые параллельные вселенные жизненно необходимы для объяснения того мира, который мы видим?
Будучи скептиком, я считаю, что размышление о Мультимире - это прекрасная возможность задуматься о природе науки и о природе нашего бытия: почему мы здесь. Это наводит на новые интересные мысли и служит плодотворной исследовательской программой. Размышлять об этой концепции мы должны непредвзято, но и не слишком увлекаясь. Здесь важно не сбиться с пути. Параллельные вселенные могут быть или не быть; проверить это невозможно. Нам придется жить с этой неопределенностью. Нет ничего плохого в научно обоснованной философской концепции, какова и есть идея о Мультимире. Однако мы должны называть вещи своими именами.
Перевод: В.Г. Сурдин
Об авторе
Джордж Эллис (George F. R. Ellis) - космолог и почетный профессор математики Кейптаунского университета (ЮАР), один из крупнейших в мире специалистов по общей теории относительности Эйнштейна и соавтор, вместе со Стивеном Хокингом, новаторской книги «Крупномасштабная структура пространства-времени» (М.: Мир, 1977).
