Где, для чего и как ищут параллельные вселенные?

На ночном небосводе есть много созвездий, которые можно наблюдать невооружённым взглядом и Созвездие Большой Медведицы — одно из них. Именно в его области небосвода в 2016 году космический телескоп Hubble "разглядел" крошечное красноватое пятно — галактику GN-z11.

Как позже стало известно, эта галактика — самый удаленный от Земли астрономический объект, который когда-либо был зафиксирован. Свет, который уловил Hubble, GN-z11 испустила 13,4 млрд лет назад, задолго до появления Солнечной системы. Это было так давно, что из-за расширения Вселенной эта галактика удалилась от нас на расстояние более 30 млрд. световых лет.

Если Луну мы считаем форпостом на пути к освоению Солнечной системы, то GN-z11 — наш форпост на границе с "краем" Вселенной. Видимой Вселенной. Увидеть объекты, удаленные от Земли намного дальше GN-z11, невозможно при современных технологиях, да и в вряд ли станет возможным в обозримом будущем — свет этих объектов до нас банально не дошёл.

Что находится за границей нашей Вселенной, можно только гадать. Одна из гепотиз говорит о том, что там тоже есть свои галактики, звёзды и планеты, разделённые бесконечными расстояниями и подчиняющиеся тем же, а, возможно, и совершенно другим законам физики.

GN-Z11. Изображение: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) / CC BY 4.0
GN-Z11. Изображение: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) / CC BY 4.0

В поисках смысла

Человечество на протяжении своего существования пытается найти смысл во всём, что происходит вокруг. Так, Иоганн Кеплер был помешан на поиске гармонии божественного замысла в шести планетах Солнечной системы, известных в его время. Это сейчас мы понимаем, что даже исходные данные у него были в корне неверными. Он обрабатывал данные наблюдений другого астронома, Тихо Браге, и старался свести траектории планет к пяти «платоновым телам».

Самое интересное, что его работа пришла в логическому завершению и Кеплер, наверняка восторженный своими открытиями, опубликовал книгу Mysterium Cosmographicum («Тайна мироздания»), в которой орбиты шести известных тогда планет складывались в стройную геометрическую систему. Орбита Сатурна (самой дальней из известных в то время планеты) была окружностью на поверхности шара, описанного вокруг куба, внутри этого куба был другой шар с орбитой Юпитера, а внутрь уже этого шара был вписан тетраэдр — и так далее с идеальным чередованием шаров, вложенных в пять разных многогранников. Полная гармония тел земных и тел небесных.

Рисунок из книги Mysterium Cosmographicum. Модель Солнечной системы, построенная на правильных многогранниках. Фото ETH-Bibliothek Zürich  Public Domain
Рисунок из книги Mysterium Cosmographicum. Модель Солнечной системы, построенная на правильных многогранниках. Фото ETH-Bibliothek Zürich Public Domain

Прошло несколько лет, и космическая красота Кеплера начала тускнеть. Сначала учёные того времени подметили, что небесные сферы и многогранники вписываются друг в друга как-то неаккуратно, а потом и сам Кеплер показал, что орбиты планет представляют собой не окружности, а эллипсы. Правда, предрассудки того времени так и не дали возможности этому величайшему учёному наслаждаться созерцанием красоты случайности и, разочарованный своими прошлыми идеями, Иоганн Кеплер переключился на поиски зашифрованной небесной гармонии в величинах этих эллипсов.

Сегодня мы знаем, что ни в формах орбит, ни в их размерах не нашлось никаких зашифрованных закономерностей, скрывающих истинную природу вещей, указывающих человечеству путь к познанию. Только хаос газа, льда и камней, собравшихся в случайные сгустки материи. Фантастическая случайность, подчиняющаяся нескольким правилам — гравитации, законам термодинамики, скорости света и нескольким другим, благодаря которым мы и существуем.

Математичность Вселенной

С развитием математики у учёных появились новые загадки, которые они как только не пытаются объяснить.

Математику делает успешной сочетание двух вещей — совершенной конкретики (если А = 0, то так оно и есть) и, при этом, высокая степень абстрактности, например, если вы приходите к математику с задачей из своей области, его сильно начинают раздражать ваши упоминания, скажем так, реалий. Комбинации ли это белков, или электрические потенциалы — не важно. Математику хочется освободиться от тех терминов, в которых вы мыслите и оставить исключительно логическую схему того, что вы пытаетесь до него донести.

Математика, при этом, является наиболее универсальным языком Вселенной. И удивительно то, что человек смог его познать самостоятельно. Один из интереснейших вопросов озвучивал Алексей Михайлович Семихатов.

Если завтра к нам прилетят инопланетяне на своём космическом корабле, то число Пи, знанием про которое они будут обладать, после необходимых пересчётов совпадёт с нашим?

Почему это загадка? С одной стороны, число Пи, как и любое другое, существует только в наших головах. Выходя из дома, никто из нас никогда не спотыкался о какое-либо число. В парке может быть 10 деревьев, а на улице 7 домов, но это деревья и дома. Чисел самих по себе не существует. С другой стороны, в силу нашего математичного восприятия Вселенной, если у этих инопланетян число Пи, условно говоря, какое-то не верное, то они неправильно посчитают объём какой-то части своего двигателя и просто не взлетят с поверхности своей планеты. Природа на удивление не постяжимым образом содержит в себе числа. Либо же человек способен воспринимать природу исключительно посредством чисел. Как и говорилось выше, всё, что существует во Вселенной, подчинено различным законам и довольно жёстким ограничениям. Самое принципиальное из них — закон сохранения энергии. Сохраняется число. При всём качественном разнообразии того, что во Вселенной происходит — галактики, звёзды, чёрные дыры, кипение воды, функционирование нашего организма, вообще всё, что угодно — сохраняется число! Почему оно должно сохраняться? Где и как во Вселенную встроен счётчик, который всё время следит за каким-то балансом? Отдельная загадка в том, что это число для всей Вселенной равно нулю. Где-то положительная энергия, где-то отрицательная, что, в том числе, говорит нам о "необходимости" наличия антиматерии, но сейчас не об этом.

Математика позволяет нам силой мысли проникать в те уголки Вселенной, куда мы физически проникнуть не можем. Непонятно свойство ли это Вселенной, или математики, но так происходит. Чисто средствами логики мы можем увидеть, что происходит во Вселенной, не говоря о том, что огромное количество того, чего быть просто не может, мы способны заранее исключить. В качестве заключительных деферамбов математике стоит сказать, что можно только восхищаться тому, насколько Вселенная в своей природе математична. Или же наш мозг так устроен, что всё, что мы видим только через призму математики. Причём это касается всех. Например, когда вы ловите отскакивающий от стены мяч, в вашей голове на подсознательном уровне происходит нечто вроде векторно-дифференциальных исчислений, даже если вы гуманитарий до мозга костей. Это наш способ познания Вселенной.

И, возвращаясь к загадке о прилетевших инопланетянах, можно ответить так — мы не знаем, будет ли у них таким же число Пи, потому что мы не знаем, будут ли они воспринимать Вселенную так же, как и мы.

Возвращаясь к законам Вселенной и константам

Одна из проблем человечества в познании Вселенной состоит в том, что люди то ли боятся, то ли просто не хотят изучать математику, как, например, один из языков. При этом, из-за недостатка математического образования начинаются поиски тайных шифров природы, потому что проще убедить себя в том, что тебе не стоит лезть в устройство великого инженера, ибо ты всё сломаешь, да и просто не поймёшь. Но находятся те, кто всё-таки пытаются понять — пишут уравнения теории струн и квантовой гравитации, чтобы получить значения постоянных из других законов, а третьи просто вытесняют этот вопрос куда-нибудь подальше из своего сознания, чтобы не повторить ошибку Кеплера, всю жизнь искавшего разумное объяснение случайности.

Учёные и здесь перевели всё в свою пользу — описали гипотезу Мультивселенной, согласно которой в мире существует бесконечное число разных вселенных, и в каждой из них действуют свои законы физики со своими наборами констант: где-то они совершенно не подходят для зарождения разумной жизни, а где-то как будто специально подогнаны для этого. И, исходя из теории вероятностей, получается, что нет никаких противоречий в нашем существовании, а значит, нет смысла искать в нём разумный замысел.

Бурлящий океан вселенных

Гипотеза мультивсленной не стала исключением и, как водится, приобрела несколько различных интерпретаций. Одни учёные ищут другие вселенные на бранах, другие верят во вселенные, рожденные с обратной стороны черных дыр, считая последние своего рода тоннелями между вселенными. А третьи предлагают предлагают разобраться в устройстве собственной Вселенной, заглянув в эпоху её "младенчества". И пока такой подход гораздо продуктивнее остальных. По некоторым особенностям взрослой Вселенной учёные могут предположить, что происходило буквально в первые моменты её существования.

Теория инфляции

В этой теории рождения Вселенной как и в любой другой много фундаментальных вопросов: из-за чего началась инфляция, что её подпитывало, почему она закончилась. Один из главных авторов теории инфляции советский физик Андрей Линде в 1983 году сформулировал теорию хаотической инфляции, в которой показал, что невероятному расширению пространства совсем не обязано заканчиваться в других частях нашего мира и уж точно вряд ли оно происходило только один раз.

Согласно теории Линде весь мир — это Мультивселенная, огромное, безграничное пространство, заполненное загадочной энергией, которая в любой случайный момент может сгуститься в крошечной точке, чтобы инфляцией раздуть её до гигантского пузыря Вселенной с начинкой из разнообразной эволюционирующей материи. Так могла родиться наша Вселенная, а параллельно где-нибудь неподалеку от неё — всего в нескольких триллионах световых лет — мог сгуститься один, второй, третий пузырь иных вселенных.

Как ни странно, но эта фантастическая теория неплохо описывает некоторые особенности нашей современной Вселенной, с которыми не могли справиться предыдущие модели:

1. Почему видимая нам Вселенная плоская?

— Расширение шло так быстро, что радиус кривизны мира увеличился почти до бесконечности. То есть всё зависит от того с какой "высоты" мы наблюдаем. Точно так же раньше Земля считалась плоской, пока её, грубо говоря, не увидели с достаточной высоты.

2. Почему она однородна на больших космических масштабах?

— Вселенная родилась из маленького кусочка пространства, который за мимолетное время расширения просто никак не мог потерять свою однородность.

3. Почему во Вселенной есть только небольшие локальные флуктуации плотности?

— Вселенная была настолько мала, что имела полное право называться квантовым объектом, а значит, в ней были квантовые флуктуации вакуума, подхваченные потом инфляцией и раздутые до первичных флуктуаций плотности материи, из которых за миллиарды лет последующей эволюции уже сформировались все крупные структуры.

Результат моделирования крупномасштабной структуры Вселенной. Светлым показаны скопления галактик, а также облака газа и квазары, темным — разделяющие их пустоты. Изображение: Andrew Pontzen and Fabio Governato / CC BY 3.0
Результат моделирования крупномасштабной структуры Вселенной. Светлым показаны скопления галактик, а также облака газа и квазары, темным — разделяющие их пустоты. Изображение: Andrew Pontzen and Fabio Governato / CC BY 3.0

В теории инфляции гипотеза Мультивселенной выглядит уже не уловкой, единственным удобным выходом из дилеммы фатальной случайности и замысла, а логическим математическим путем: если теория инфляции будет полностью доказана, то становится необходимым принять множественные вселенные.

Смутные воспоминания

Увидеть, услышать, почувствовать иные вселенные непросто. Другие законы физики, другие константы — быть может, даже не подозревающие об электромагнитных волнах, на которых построено наше зрение, — наконец, огромные расстояния между разными пузырями. Получить сигнал о том, что прямо сейчас происходит в параллельном мире, кажется просто нереальным, но можно поступить по-другому — заглянуть в прошлое. В поисках других вселенных учёные пристально смотрят на реликтовое излучение — первое воспоминание нашей собственной Вселенной, на котором обязаны остаться отпечатки других вселенных.

Сразу после окончания инфляции Вселенная была заполнена настолько горячим и плотным веществом, что фотоны не могли пройти через него далеко и постоянно рассеивались и переизлучались. Будь в том мире разумный наблюдатель (способный жить при невероятно высоких температурах и с целым букетом других космических ограничений), он бы видел только то, что происходит в непосредственной близости от него. Но Вселенная постепенно расширялась и остывала, и спустя 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная стала прозрачна для света на больших расстояниях.

Реликтовое излучение — это первые фотоны, излученные тогда в самом начале существования Вселенной и спустя миллиарды лет наконец дошедшие до Земли.

Карта реликтового излучения, построенная по данным спутника WMAP. Красные цвета изображают горячие области, а синие — холодные. Изображение: NASA / WMAP Science Team / Wikimedia Commons / Public Domain
Карта реликтового излучения, построенная по данным спутника WMAP. Красные цвета изображают горячие области, а синие — холодные. Изображение: NASA / WMAP Science Team / Wikimedia Commons / Public Domain

Реликтовое излучение почти полностью однородно: из каждой точки удаленной Вселенной к нам приходит равномерный тепловой шум, как от тела с температурой 2,7 К. Однако в этом сигнале всё-таки есть крошечные флуктуации — небольшие перепады температуры, которые считают своеобразным отпечатком самых первых квантовых флуктуаций плотности вещества, посеянных во время инфляции. В этих неоднородностях и пытаются найти свидетельства Мультивселенной.

Одни учёные ищут следы физического столкновения двух пузырей вселенных. Другие прибегают к более сложным логическим конструкциям. Например, американский космолог Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) считает, что соседние вселенные в первые моменты своего существования не только подчинялись законам квантовой механики, но и были квантово запутанными между собой, поскольку родились в общем пространстве Мультивселенной — их характеристики зависели друг от друга.

В 2008 году Мерсини-Хоутон вместе с коллегами даже сформулировала девять признаков такой зависимости, которые можно отыскать с помощью различных физических наблюдений. Восемь из них приходятся на реликтовое излучение, а девятым свидетельством Мультивселенной должен стать провал гипотезы суперсимметрии в экспериментах на Большом адронном коллайдере. Ждём.

В одних работах можно найти экспериментальные подтверждения каждому из девяти признаков, а в других — их опровержения. Например, гипотеза Мультивселенной по выводам Мерсини-Хоутон автоматически означает наличие так называемого темного потока — согласованного движения большой группы галактик, а мнения разных экспериментальных групп по этому вопросу сильно отличаются: одни показывают, что данные реликтового фона тёмный поток подтверждают, а другие — наоборот, опровергают.

Мультивселенная пока остаётся только симпатичной гипотезой, помогающей разобраться с некоторыми противоречиями и одновременно подрасывая новые вопросы и загадки.

Холодная область Вселенной

Одна из интересных историй в изучении гипотезы мультивсленной — это случай с реликтовым холодным пятном, большой областью в созвездии Эридан, температура излучения которой на 70 микрокельвинов меньше средней температуры реликтового излучения. Это почти в четыре раза больше средних флуктуаций температуры по всему реликтовому излучению, которые составляют около 18 микрокельвинов.

Холодное пятно было в списке Мерсини-Хоутон, но позже другие учёные нашли ему интерпретацию попроще. Аномалия реликтового фона объяснялась гигантским супервойдом протяженностью в 1,8 миллиарда световых лет — областью, лишённой галактик или других крупных скоплений материи, расположенной на пути света, бегущего от холодного пятна к Земле.

Однако в апреле этого года группа астрофизиков из Даремского университета заявила, что такое объяснение не может быть реальным. Учёные собрали данные о семи тысячах галактик в окрестностях холодного пятна и показали, что характер их движения полностью исключает возможность существования гигантского супервойда. Вместо этого данные указывают, что эта область заполнена маленькими войдами, разделенными галактиками и скоплениями галактик.

Однако эта структура, в отличие от отвергнутого супервойда, объясняет холодное пятно уже с большим трудом: по подсчетам исследователей, есть всего один шанс из пятидесяти, чтобы при такой расстановке масс в реликтовом излучении могла случайно получиться такая аномалия.

Вселенная в пределах ближайших 500 млн световых лет от Земли. Предполагаемая протяженность войдов не превышает 100 млн световых лет. Протяженность супервойда, которым объяснялось холодное реликтовое пятно, составляла 1,8 млрд световых лет. Изображение: Richard Powell / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5
Вселенная в пределах ближайших 500 млн световых лет от Земли. Предполагаемая протяженность войдов не превышает 100 млн световых лет. Протяженность супервойда, которым объяснялось холодное реликтовое пятно, составляла 1,8 млрд световых лет. Изображение: Richard Powell / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5

Показательна реакция авторов исследования.

«Самое впечатляющее следствие нашей работы в том, что холодное пятно, возможно, вызвано столкновением нашей Вселенной с пузырем другой вселенной. Если в дальнейшем анализ реликтового излучения это подтвердит, то холодное пятно может быть принято как первое свидетельство Мультивселенной».

У нас ещё есть время на то, чтобы отыскать соседей по вселенным. Только спустя миллиарды лет ускоренное расширение пространства начнёт растаскивать даже гравитационно связанные между собой объекты — например, соседние галактики. В один прекрасный день за горизонт небытия уйдёт последняя галактика за пределами Млечного Пути. Наша галактика к тому моменту столкнётся с галактикой Андромеда и если наши потомки будут существовать, то, возможно, они встретятся с соседями по галактике, а значит, смотреть в бескрайнюю пустоту они будут вместе. Правда, знание о наличии где-то там других галактик и, уж тем более, вселенных, может до них просто не дойти. Мир настолько удивителен, что просто дух захватывает!

Спасибо порталам "Чердак" и "Постнаука", а также Алексею Михайловичу Семихатову за его популяризаторскую деятельность.

Ваш Д.