Бог и Мультивселенная. Расширенное понятие космоса - Виктор Стенджер

После внимательного рассмотрения всех этих вариантов Кэрролл показывает, что вечная Мультивселенная предоставляет убедительное решение проблемы энтропии. Он задает ключевой вопрос: как должна выглядеть Вселенная, если она абсолютно естественна? Его ответ: «Естественная Вселенная — которая бы не полагалась на тонко настроенные контрольные условия низкой энтропии в любой точке в прошлом, настоящем или будущем — по сути, представляла бы собой пустое пространство»{346}.

Далее, как мы уже знаем, пустое пространство описывается решением уравнений Фридмана, которое предложил де Ситтер, и такое пространство может иметь положительную космологическую постоянную Λ, которая эквивалентна постоянной плотности энергии вакуума и приводит к экспоненциальной инфляции. Можно показать, что энтропия обратно пропорциональна порядку Λ. Поэтому если космологическая постоянная велика, то энтропия будет мала.

В главе 12 я описал, каким образом, согласно Линде, квантовые флуктуации в пространстве де Ситтера могут поднять потенциальную энергию инфлятонного поля, подобно тому как отец подталкивает свою дочь, сидящую на качелях. Это эквивалентно зарождению космологической постоянной. В данном случае мы можем представить себе область пространства, которая испытывает такую флуктуацию и превращается в расширяющийся пузырек. В большинстве случаев этот пузырек сожмется обратно в ничто.

Однако изредка эта флуктуация случайно может оказаться очень большой. Тогда из-за трения один пузырек останется в состоянии высокой энергии достаточно долго, что позволяет ему увеличиться на много порядков. Тогда он может выделиться из исходного фонового пространства и превратиться в отдельный пузырь Вселенной.

Поскольку у этого пузыря Вселенной будет большая космологическая постоянная, у него будет низкая энтропия. Это разрешает проблему энтропии: чтобы расширяющийся пузырь Вселенной мог возникнуть от квантовой флуктуации, у него должна быть низкая энтропия. Это не нарушает второй закон термодинамики, поскольку мы можем рассматривать пузырь Вселенной и фоновое пространство как единую систему, в которой общая энтропия все еще возрастает, а фон восполняет энтропию, потерянную при создании пузыря Вселенной (или больше).

Заметьте, что все это может происходить без всякой внутренней движущей силы, то есть посредством чисто случайной, хаотичной инфляции. Поскольку все симметрично, то не требуется никаких специально созданных законов физики, только метазаконы и внутренние законы. Модели, которые мы используем для описания происходящего, по логике вынуждены заключать в своих формулировках те принципы, которые вытекают из симметрии, — метазаконы. К ним относятся все законы сохранения, специальная и общая теории относительности, а также квантовая механика. Они вытекают из симметрии пустоты. В дальнейшем спонтанное нарушение симметрии порождает внутренние законы, которые необходимы для развития сложности.

Обнаружение других вселенных

Распространенный аргумент против других вселенных — мы не можем даже наблюдать их. Однако вполне вероятно, что можем. На заре существования нашей Вселенной другая вселенная могла оказаться достаточно близко для того, чтобы ее гравитация повлияла на изотропию реликтового излучения. Или пузыри могли столкнуться, оставив друг на друге вмятины. Обнаружение крупномасштабной анизотропии в реликтовом излучении может свидетельствовать о существовании вселенной вне нашей. Космический телескоп «Планк» подтвердил несколько необъясненных аномалий такого рода, которые были отмечены при более ранних наблюдениях на WMAP{347}.

Поскольку наблюдение другой вселенной вне нашей стало бы величайшим научным открытием в истории, не ждите, что какие-либо космологи станут заявлять подобное, пока не исключат все остальные возможности до высочайшей степени уверенности и не дождутся неоднократной независимой проверки данных. В случае с «Планком» команда исследователей не сочла это свидетельство достаточно значимым, чтобы публиковать какое-либо заявление.

Проще говоря, гипотеза единственной Вселенной требует, чтобы Вселенная была сферически симметрична. Любое значимое отклонение от этого доказало бы, что вне Вселенной что-то есть. В какой-то момент наши теории, возможно, смогут предсказать количественное отклонение от сферической симметрии, ожидаемое в модели Мультивселенной. И в какой-то момент данные о реликтовом излучении, полученные в ходе экспериментов будущего, могут стать достаточно точными для того, чтобы проверить это предсказание. Это сделает гипотезу Мультивселенной фальсифицируемой. Уже одной этой перспективы должно быть достаточно, чтобы понятие множественных вселенных могло оставаться частью академического научного дискурса.

Множественные миры квантовой механики

Традиционно в современной космологии Мультивселенная рассматривалась вне связи с многомировой интерпретацией квантовой механики. Однако недавно некоторые авторы предложили связать их. Давайте посмотрим, какой может быть эта связь.

Для нас важно провести четкое различие между математической моделью, которая позволяет использовать квантовую теорию в вычислениях, и онтологической интерпретацией, которая объясняет, что эта теория может сказать нам о реальном мире. Первое — это физика. Второе — метафизика.

Квантовая модель, которая была в значительной степени разработана уже в 1930-е, чрезвычайно преуспела в описании поведения материи в экстремальных условиях — на близких расстояниях, при низких температурах и высоких плотностях. Но из-за того, что методология квантовой механики радикально отличается от методологии классической физики, которая до сих пор отлично работает в других областях, не прекращается вечная дискуссия о том, что все это значит.

В отличие от классических моделей, таких как ньютоновская механика или теория относительности Эйнштейна (которую в данном контексте можно считать классической), квантовая модель не может предсказать, где будет находиться частица через какое-то время, а может только определить вероятность того, что она окажется в определенной области пространства. Вероятность на единицу объема считается равной квадрату амплитуды математического объекта, называемого волновой функцией, или, в более общем смысле, вектором состояния (см. главу 6).

В 1920-е Нильс Бор и Вернер Гейзенберг сформулировали то, что сейчас называется копенгагенской интерпретацией квантовой механики. Хотя за многие годы теория претерпела бесчисленные изменения и принимала многие формы, долгое время копенгагенская интерпретация лучше всего подходила на роль общепринятого философского представления о смысле квантовой механики. Поскольку она имеет множество вариаций, часть из которых получили другие имена, я не буду пытаться представить исчерпывающий обзор, а лучше остановлюсь на нескольких основных идеях, общих для большинства интерпретаций, которые более или менее совпадают с копенгагенской.

В основе этих интерпретаций лежит фундаментальная предпосылка, что отдельные физические события не предопределяются законами физики, как в ньютоновской механике, а происходят спонтанно. Однако статистическое поведение групп похожих событий предопределено, и именно это описывает математическая модель.

Например, если атом в возбужденном состоянии переходит в более низкое энергетическое состояние и испускает фотон, это конкретное событие не предопределено, что на практике значит, что оно непредсказуемо. Однако интенсивность конкретной линии спектра, которая образуется от большого количества фотонов, участвующих в таком же переходе, может быть вычислена точно.

Аналогично ни одна существующая теория не может предсказать, что конкретное радиоактивное ядро распадется в определенный момент, но гипотеза о том, что такой распад может с равной вероятностью произойти в любой момент заданного временного интервала, дает «закон» экспоненциального радиоактивного распада, который соблюдается с исключительной точностью, По сути, и этот результат, и описанный ранее случай изомерного перехода обеспечивают строгие эмпирические свидетельства того, что эти процессы не предопределены. То есть эти события случайны не из-за нашего невежества. Они действительно случайны.

Для нашего разговора о множественных мирах принципиально, что копенгагенская интерпретация считает измерительные приборы классическими системами, поэтому акт измерения представляет собой переход от квантовой физики к классической, который не описывается теорией, но подразумевается при акте измерения. До того как измерено положение частицы, волновая функция дает вероятности для области пространства, о которой известно, что в ней находится частица. Если ничего не известно, частица может быть где угодно во Вселенной. После измерения становится известно, что частица находится в пределах детектора, и говорят, что волновая функция мгновенно схлопывается, давая новую вероятность. Это проиллюстрировано на рис. 15.3.