Вся история развития науки была связана с расширением масштабов того мира, который воспринимал человек. В III веке до нашей эры Эратосфен из Кирены при помощи двух палочек и простой тригонометрии впервые измерил Землю, получив удивительно точное значение окружности экватора в 37,5 тысяч километров (современная оценка – 40 тысяч). Аристарх Самосский измерил расстояние до Луны и Солнца, хотя и ошибся при этом на порядок.
Примерно до XVI века люди жили в простом мире, где было Солнце, несколько планет и сфера небесных звёзд – этим и ограничивалось всё обозримое мироздание, а споры велись исключительно на мотив того, что вокруг чего вращается и как вычислить точное положение небесных объектов с помощью систем деферентов и эпициклов.
Со временем стало понятно, что звёзды лежат гораздо дальше, а мир куда больше солнечной системы. В XIX веке Бессель и Струве независимо измерили расстояние до звёзд, применив метод годичного параллакса Земли. Были получены расстояния до 61-Лебедя и Веги. Известная Вселенная резко увеличилась до десятка световых лет.
В 20х годах XX века Эдвин Хаббл измерил расстояния до того, что в ту пору называли «звёздными туманностями», доказав, что это галактики, такие же, как наша. Вселенная ещё раз расширилась, уже до миллионов световых лет.
Позднее благодаря теоретическим расчётам Александра Фридмана и Георгия Гамова была предложена теория Большого взрыва и вычислен конечный размер Вселенной, в которой мы живём – 46,5 миллиарда световых лет, и её возраст – 13,7 миллиардов лет.
Следующим уровнем стали мультиверсумы или мультивселенные, в которых наша Вселенная входит как один из структурных элементов. Их уже никто никогда не видел и не наблюдал, однако, существуют вполне серьёзные и математически обоснованные теории существования таких структур. Всего выделяют 4 уровня мультиверсумов, разной природы и разной степени абстракции. Однако, прежде чем говорить про них, стоит окинуть взглядом наш мир.
Устройство Вселенной
Солнце – рядовая звезда, каковых в нашей Галактике примерно 400 миллиардов. Сама Галактика состоит из звёздных систем и их остатков, межзвёздного газа, пыли и тёмного вещества. Расстояния между звёздами обычно составляет несколько световых лет. Наша ближайшая звёздочка – Проксима Центавра, расположена на расстоянии в 4,5 световых года. Возраст Солнца оценивают в 4,57 миллиардов лет.
Существуют несколько циклов солнечной активности, из них самый известный – это 11-летний цикл Швабе-Вольфа, который весьма тесно увязан с процессами в земной биосфере. Существуют версии, что циклы солнечной активности влияют на климат и урожайность, а, через них, опосредованно – также и на эпидемии, войны, финансовые кризисы. Подробно эта теория разобрана в работах Чижевского.
Солнечная система заканчивается там, где начинается другая звёздная система. То есть, она имеет радиус до 2 световых лет. Совсем небольшую часть этого объёма занимает само Солнце с планетами (расстояние до Нептуна всего 4 световых часа). Всё остальное пространство занимает кометное облако Оорта. Это остаток исходного протопланетного облака, в нём находится несколько триллионов ядер комет, которые периодически выходят в окрестности Солнца. Большинство объектов облака состоят из различных льдов, образованных такими веществами, как вода, метан, этан, угарный газ и циановодород. Американский астрофизик Лиза Рэндалл считает, что именно с влиянием облака Оорта связана периодичность массовых вымираний в биосфере Земли
Звёзды образуются и в наши дни из межзвёздного газа и пыли. В течение своей жизни они сбрасывают часть своего вещества, обогащённого синтезированными элементами в межзвёздное пространство. Так постепенно изменяется химический состав Вселенной. Звёзды рождаются и умирают. Массивные звёзды живут мало – миллионы лет, самые лёгкие живут долго – десятки миллиардов лет. Судьба звезды зависит от её массы.
Солнце эволюционирует. Его возраст менее 5 миллиардов лет. Через 1 миллиард лет его светимость увеличиться на 11% – жизнь на Земле станет невозможной, погибнут даже бактерии в толще земной коры. К возрасту 10 миллиардов лет водород в ядре закончится, светило превратится в красного гиганта, его диаметр станет чуть больше земной орбиты, поглотив нашу планету. К возрасту 11 миллиардов лет внешняя оболочка светила будет сорвана, Солнце превратится в планетарную туманность, внутри которой будет светить белый карлик – финальный объект, размером примерно с Землю и массой в половину массы нынешнего Солнца. Он будет постепенно угасать в течение долгих миллиардов лет.
Наша Галактика (Млечный Путь) – одна из множества подобных систем. В видимой части Вселенной около 100 миллиардов крупных галактик. Они окружены небольшими спутниками. Размер Галактики около 100 000 световых лет, расстояние до ближайшей крупной галактики (Андромеда) – около 2,5 миллионов световых лет. Все галактики делятся на спиральные, эллиптические и неправильные. Спиральные галактики образовались из газопылевых облаков, эллиптические – от слияния двух спиральных галактик. Через какое-то время наша галактика сольётся с Андромедой.
Мир, как мы его знаем, имеет конечный возраст – 13,7 миллиардов лет. Вначале материя была в очень плотном и горячем состоянии. Частиц обычного вещества (протоны, электроны, нейтроны) не существовало. В ходе расширения из плотного горячего состояния Вселенная остывала и становилась менее плотной, появились обычные частицы. Вселенная до сих пор расширяется, эволюционирует.
Нам доступная для наблюдения лишь определённая область пространства – это происходит из-за конечности скорости света и конечного возраста Вселенной. Однако на этой границе физический мир не заканчивается. На больших расстояниях из-за длительности распространения света, мы видим объекты такими, какими они были в далёком прошлом.
Большинство химических элементов, с которыми мы сталкиваемся в жизни, возникли в звёздах в результате термоядерных реакций или на последних стадиях жизни массивных звёзд – во взрывах сверхновых. Первичный нуклеосинтез очень быстро прекратился из-за расширения Вселенной. Поэтому до образования звёзд вещество в основном существовало в виде водорода (самый распространённый элемент) и гелия. Мы все состоим из пепла сгоревших звёзд.
Таблица Менделеева с происхождением элементов
Химическая эволюция приводит к тому, что тяжёлых элементов становится всё больше. Поэтому у новых звёзд другой состав. Например, Солнце – звезда третьего поколения. Из остатков вещества при образовании звёзд могут образовываться планеты, а на планетах живность.
Обычное вещество (протоны, нейтроны, электроны) вносит в полную плотность Вселенной порядка 5%. Около 25% связано с тёмным веществом. Оно состоит из частиц, слабо взаимодействующих друг с другом и с обычным веществом. Мы пока можем наблюдать лишь гравитационное действие тёмного вещества. Ещё около 70% плотности Вселенной связано с тёмной энергией. Из-за ней Вселенная расширяется, причём, всё быстрее.
Идея тёмного вещества появилась в 30е годы прошлого века благодаря работам Фрица Цвикки. Подсчёт массы видимого вещества показывал, что галактики должны разлетаться на части из-за центробежных сил. Однако что-то их удерживало, то есть реальная масса была гораздо больше. Было высказано предположение о существовании тёмного вещества, которое не излучает энергию и не взаимодействует с обычным веществом. Оно нужно только для гравитации.
Тёмная энергия – это ещё одна гипотеза. В 1997 году было открыто, что последние несколько миллиардов лет Вселенная расширяется с ускорением. То есть, существует нечто, что работает как антигравитация. Этот фактор и был назван тёмной энергией. Ни тёмное вещество, ни тёмная энергия не были обнаружены экспериментальным путём, но такие работы ведутся.
До сих пор были описаны вполне научные и рациональные взгляды на строение Космоса. Следующим шагом стали гипотезы о существовании мультиверсумов, в которые вся наша Вселенная входит как один небольшой элемент. Мы никак не можем их познавать и с ними взаимодействовать, все эти концепции имеют исключительно умозрительный характер. Физика здесь больше напоминает метафизику, хотя и обладающую мощным математическим аппаратом.
Мультиверсум I уровня
Это самая простая для понимания мультивселенная, возможность существования которой предположили ещё древнегреческие философы. Идея такая – если всё состоит из атомов, а пространство бесконечно, то рано или поздно комбинации атомов будут повторяться. А значит, где-то на бескрайних просторах Космоса встретится такая же планета, с такими же людьми. Точнее, встретится бессчётное множество таких планет.
В одних мирах события будут проходить точь-в-точь, как у нас, в других с определёнными вариациями. На одной Земле Карфаген победит римлян, на другой Семь чудес света доживут до наших дней, на третьей динозавры не вымрут, а построят свою цивилизацию. И так далее. Эти взгляды приписывали Пифагору и основателю стоицизма Зенону из Кития, однако, у греков в основном речь шла о повторении событий во времени. Они говорили, что в конце времён случится мировой пожар, а потом произойдёт «вечное возвращение».
Сейчас время существования вселенной считают конечным (от Большого взрыва до наших дней), а перспективы не слишком бодрыми (тепловая смерть), поэтому и повторяющиеся миры предпочитают размещать не во времени, а в пространстве. А современная физика подвела под такие умозрительные построения математическую базу.
Если определить нашу Вселенную, как сферическую область пространства с центром на планете Земля, то она будет размером 14 миллиардов световых лет или 5 × 1026 м. Любая параллельная вселенная будет сферой такого же размера, центр которой располагается где-то далеко в пространстве. Сейчас мы не может ни видеть её, ни взаимодействовать, но в очень далёкой перспективе свет от неё может до нас дойти – мы располагаемся в одном и том же пространств. Вся совокупность таких вселенных и образует мультиверсум 1 уровня.
Согласно консервативной оценке существует не более 1010^118 способов, которыми может быть устроена вселенная размером с нашу. Эта оценка учитывает все возможные квантовые состояния, которые Вселенная (объем в пределах горизонта) может занимать, если её температура не превышает 108 градусов. Число 10118 – это количество протонов, которое принцип запрета Паули позволяет упаковать во вселенную при такой температуре (наша Вселенная содержит лишь около 1080 протонов). Если каждая из 10118 ячеек может быть либо занята, либо свободна, то существует 210^118 ~ 1010^118 вариантов.
Это фантастически большие числа, но они ничто по сравнению с бесконечностью. Таким образом, если идти по прямой линии, то на расстоянии, равном 1010^118 диаметров нашей вселенной мы найдём другую вселенную, полностью идентичную нашей. Ещё ближе, на расстоянии 1010^91 м должна найтись сфера радиусом 100 световых лет, идентичная такой же сфере с центром на Земле. А на расстоянии 1010^29 м каждый сможет встретить идентичную копию самого себя.
Мультиверсум II уровня
Для понимания того, что это такое, нужно знать гипотезу инфляционной Вселенной.
Её предложили независимо друг от друга в 80х годах несколько физиков, среди которых самыми известными были американец Аллан Гут и гражданин СССР (позднее тоже сбежавший в Америку) Андрей Линде. Гипотеза потребовалась, чтобы согласовать некоторые проблемы в Стандартной модели Вселенной, которые не так принципиальны для обычного пользователя, но сильно волнуют самих физиков – это однородность Вселенной, её плоская геометрия и наличие крупномасштабной структуры. Модель объясняет процессы, происходящие во время Большого взрыва на его самых ранних стадиях.
Авторы теории придумали так называемое «скалярное поле». Это особый вид вещества, который бывает только на самых ранних стадиях БВ. Оно обладает предельно большой плотностью и отрицательным давлением. То есть, главное свойство этого вещества – оно само по себе экспоненциально расширяется, удваиваясь за ничтожно малый промежуток времени. При этом само вещество формируется из выделяющейся энергии по известной формуле Е=mc2. После определённого числа расширений (их требуется немного, около 260, чтобы получить полный объём нашей Вселенной), это экзотическое вещество превращается в обычное и дальше Вселенная уже продолжает расширяться по инерции.
Собственно этот, почти мгновенный процесс многократного удвоение материи (по расчётам физиков, занявший время около 10-35 секунды) и есть то, что называется Большим взрывом.
Поскольку идея с бесконечной генерацией вещества из ничего очевидно противоречит закону сохранения энергии, было объявлено, что энергия берётся из гравитационного поля, которое становится отрицательным. То есть, если в получившейся вселенной сложить гравитационное поле и энергию получившейся материи, то будет ноль – формально всё выполняется.
Адепты этой теории утверждают, что после того, как плотность снизилась, часть инфляционной материи преобразуется в нормальное вещество – таким образом появляются обычные вселенные, подобные нашей. А остальные части продолжают вечно возрастать. Общую картину обычно сравнивают с пузырящейся пеной в стакане колы, где каждый пузырёк соответствует одной вселенной.
1. Почти во всех частях пространства инфляция в конце концов завершится Большим взрывом, подобным нашему.
2. Остаются некоторые точки пространства, где инфляция не завершится никогда.
3. Общий инфлирующий объем вечно возрастает, удваиваясь через постоянные интервалы времени.
4. Общий постинфляционный объем, содержащий галактики, также вечно возрастает, удваиваясь через постоянные интервалы времени.
5. В отдельных вселенных могут быть разные значения фундаментальных постоянных и, соответственно, действовать разные законы природы.
Схематически во времени это выглядит примерно так. Кружочки обозначают обычные вселенные, а кубики – части инфляционной материи, которая продолжает самопроизвольно расширяться.
В тех доменах, где инфляция закончилась, начинается эволюция обычных вселенных по обычным законам. А вся эта структура, которая состоит из совокупности никак не связанных между собой областей, называется Мультивселенной.
Это и есть Мультиверсум второго рода. Очевидно, что его существование нельзя ни доказать, ни опровергнуть, поскольку субвселенные никак не сообщаются друг с другом и достичь их невозможно. Инфляционную материю мы обнаружить тоже не можем (в нашей вселенной она была только в первые мгновения её существования, после чего превратилась в обычную). Поэтому даже сами адепты называют эту идею не теорией, а не более чем гипотезой.
Мультиверсум III уровня
Это мультиверсум Эверетта, который связан с очень специфической интерпретацией квантовой механики. Хью Эверетт был странный персонаж – американский физик, работал на Пентагон и разрабатывал сценарии ядерного нападения на СССР. Он возглавлял математический отдел Группы оценки систем вооружений (Weapons Systems Evaluation Group, WSEG), и под чьим руководством был разработан засекреченный до сих пор отчёт № 50 WSEG.
В дальнейшем он создал фирму, которая разрабатывала тренажёры для военных, был запойным алкоголиком, имел большие проблемы в семье и находился в постоянной депрессии. Мультимировую интерпретацию Эверетт придумал в молодости «для души», во время работы над своей кандидатской диссертацией. Признания среди серьёзных физиков теория не получила и только после его смерти приобрела популярность, поскольку позволяла связать науку и разные эзотерические учения.
Квантовая механика сама по себе крайне контринтуитивна. Вместо привычных координат и скоростей квантовую частицу описывают так называемой волновой функцией. Она входит во все уравнения квантовой механики. Физическим смыслом волновой функции является то, что квадрат её модуля является плотностью вероятности обнаружения системы в заданной точке в заданный момент времени. Её значения выражены не обычными, а комплексными числами, и вдобавок недоступны для непосредственного измерения. Например, для движущейся частицы волновая функция определена в каждой точке бесконечного пространства и меняется во времени. Частица не находится ни в какой конкретной точке и слово «размазана» по определённому пространству.
Квантовая механика, в отличие от всей остальной физики, вводит понятие наблюдателя. Предполагается, что как только наблюдатель посмотрит на частицу, она немедленно прекратит безобразничать и займёт вполне определённое место. Классический опыт с «котом Шрёдингера», который то ли жив, то ли мёртв, пока не открыли ящик.
Собственно, именно такой подход известен под названием «копенгагенская интерпретация». Согласно ей волновая функция коллапсирует в момент наблюдения. Понятно, что эта теория выглядит странно, поскольку сразу возникает много вопросов – как именно влияет наблюдатель? Что будет, если наблюдать станет робот, а не человек? Что будет если наблюдать за наблюдателем? Что будет в мире без наблюдателей? И прочие вещи, которые ближе к философии Канта, чем к физике.
Эверетт предложил другой вариант. По его гипотезе волновая функция не коллапсирует, а продолжает находиться во всех возможных состояниях, что бы ни делал наблюдатель. Вместо этого вселенная расщепляется на несколько вариантов. Например, в случае с котом происходит разделение мироздания на две части – в одной кот жив, в другой мёртв, при этом обе этих части никак друг с другом не взаимодействуют и не имеют никакого представления друг о друге.
Физик Брайс Девитт из Университета Северной Каролины написал об этом так:
«Каждый квантовый переход, происходящий в каждой звезде, в каждой галактике, в каждом отдалённом уголке Вселенной, расщепляет наш локальный мир на Земле на мириады копий самого себя».
Понятно, что при этом про закон сохранения энергии и материи вообще придётся забыть. Поэтому правильнее было бы сказать, что мультиверсум Эверетта – это универсальная система параллельных миров, в которых отражены все варианты всех возможных событий, начиная с квантового уровня. Они не создаются по ходу дела, а существуют все сразу, а наше сознание просто путешествует по ветвям этого мультиверсума. Размещается вся эта конструкция в Гильбертовом пространстве, которое имеет бесконечное количество измерений.
Эта мультивселенная позволяет трактовать сознание человека с физического уровня. Например, профессор Гейдельбергского университета Хайнц-Дитер Це предложил «многоразумную интерпретацию квантовой механики», в которой наряду с материей, описываемой волновой функцией, имеются сущности иной природы — «разумы» (minds). С каждым наблюдателем ассоциировано бесконечное семейство таких «разумов». При каждом эвереттовском расщеплении наблюдателя это семейство тоже делится на части, следуя вдоль каждой ветви. Пропорция, в которой они делятся, отражает вероятность каждой из ветвей. По идее, это что-то монад Лейбница или «душ», говоря совсем уж простонародно.
Есть эвереттовцы и у нас. Доктор физико-математических наук Михаил Менский из Физического института имени П.Н. Лебедева РАН предложил отождествить сознание с самим процессом разделения альтернатив. Физическая реальность имеет чисто квантовую природу и представлена единой мировой волновой функцией. Рационально мыслящее сознание, по Менскому, неспособно непосредственно воспринимать волновую функцию и нуждается в упрощённой классической картине мира, частью которой оно себя воспринимает и которую само создаёт (в этом заключается его природа). При определённой подготовке сознание способно произвольно выбирать, какую из бесконечного числа классических проекций квантовой Вселенной оно будет «проживать». Собственно, отсюда уже один шаг до разных транссерфингов реальности и изменения мира силой мысли. В эвереттовской трактовке это будет восприниматься как осознанное перемещение между ветвями мультиверсума, при котором адепт способен оказаться именно в той реальности, которая ему желательна, даже если её реализация маловероятна.
Также существует весьма спорная концепция так называемого квантового бессмертия. Когда человек умирает, это происходит лишь в некоторых эвереттовских вселенных. Поэтому всегда можно найти такую ветвь, в которой на этот раз он останется в живых. Продолжая это рассуждение бесконечно, можно прийти к выводу, что такого момента, когда умрут все версии человека во всех мирах мультиверсума, никогда не наступит, а значит, он будет жить вечно.
Мультиверсум IV уровня
Это крайне абстрактная теория, которая предполагает, что наша вселенная не просто объясняется математикой, но сама является математической структурой. Ткань нашей физической реальности содержит десятки безразмерных чисел, исходя из которых, в принципе, можно вычислить все измеримые постоянные. Некоторые физические сущности, например пустое пространство, элементарные частицы и волновая функция, кажутся чисто математическими в том смысле, что все присущие им свойства являются математическими.
То есть все элементы, из которых, состоит окружающий мир (в первую очередь элементарные частицы), можно считать не материальными объектами, а некими абстрактными сущностями, которые описываются исключительно числовыми параметрами. При этом сама структура вселенной – это очень сложный набор взаимосвязей между элементами, который также описывается чисто математически. Кроме этих отношений они не имеют никаких других свойств.
При такой трактовке каждое мыслящее существо можно охарактеризовать как самосознающую часть гигантского математического объекта. IV уровень параллельных вселенных, соответствующий различным математическим структурам, неизмеримо обширнее тех, с которыми человечество до сих пор встречалось. Первые три уровня соответствуют никак не связанные параллельным вселенным внутри одной математической структуры: I уровень означает просто далёкие области, из которых свет ещё не успел дойти до нас, II уровень охватывает области, которые навсегда останутся недосягаемыми из-за космологической инфляции в разделяющем нас пространстве, а III уровень, эвереттовская Мультивселенная, включает части гильбертова пространства квантовой механики. В то время как параллельные вселенные на I, II и III уровнях подчиняются одним и тем же уравнениям (описывающим квантовую механику, инфляцию и так далее), IV уровень касается выбора уравнений, отвечающих разным математическим структурам.
Что почитать
1. Попов «Вселенная» – отличная книга российского астрофизика про классический Космос, в масштабах от нашего Солнца до доступной для наблюдений Вселенной.
2. Тегмарк «Наша математическая Вселенная» – описание всех 4 уровней мультиверсума.
3. Дойч «Структура реальности» – книга, которая претендует на то, чтобы представить исчерпывающую модель мира, исходя из 4х базовых теорий.
4. Чижевский «Земное эхо солнечных бурь» – классический труд с попыткой сопоставить 11-летние солнечные циклы с событиями на Земле.
Что запомнить
Вся история науки – это история расширения масштаба известной людям (или хотя бы принципиально мыслимой) Вселенной. От компактного мироздания с Солнцем и несколькими планетами физика дошла до изучаемой Вселенной объёмом 46 миллиардов световых лет. Ещё большие размеры имеют мультиверсумы, в которых наш мир входит как один небольшой элемент. Однако на практике эти структуры нами не воспринимаются и остаются не более чем теоретическими концепциями.
1. Солнце – звезда. Расстояния между звёздами – световые годы.
2. Солнечная система заканчивается там, где заканчивается область, гравитационно контролируемая Солнцем.
3. Звёзды образуются и умирают. Идёт круговорот вещества и изменение химического состава Галактики.
4. Звёзды эволюционируют. В конце жизни они превращаются в белые карлики, нейтронные звёзды или чёрные дыры.
5. Наша Галактика – одна из многих. Её размер – 100 000 световых лет. До ближайших крупных галактик – миллионы световых лет.
6. Многие звёзды имеют планеты (экзопланеты). Сейчас известны сотни экзопланет.
7. Вселенная расширяется последние 13-14 миллиардов лет.
8. Нам доступна для наблюдений конечная часть Вселенной. Далёкие объекты мы видим «в прошлом».
9. Химические элементы тяжелее гелия в основном возникли в звёздах и при взрывах сверхновых.
10. Вселенная состоит из обычного вещества (5%), тёмного вещества (25%) и тёмной энергии (70%).
11. Поскольку пространство бесконечно, комбинации атомов могут повторяться, образуя точно такие же вселенные, как наша, или её незначительные варианты. Множество таких миров называется мультиверсумом I уровня.
12. Возможно, существует особая инфляционная материя, которая бесконечно расширяется, при этом создавая множество вселенных, подобных нашей. Это мультиверсум II уровня.
13. Возможно, существует универсальная система параллельных миров, в которых отражены все варианты всех возможных событий, начиная с квантового уровня. Это мультиверсум III уровня.
14. Возможно, вся Вселенная является математической структурой, а элементарные частицы не имеют никакого смысла, кроме собственных взаимосвязей. Это мультиверсум IV уровня.
15. Параллельные вселенные образуют вложенную четырёхуровневую иерархию с растущим разнообразием: I уровень (наблюдаемые далёкие области пространства), II уровень (другие постинфляционные области), III уровень (где-то в квантовом гильбертовом пространстве) и IV уровень (другие математические структуры).