Тайны Мироздания. От мыльных пузырей до Калаби Яу

(Продолжение)

От мыльных пузырей до Калаби–Яу: какие миры возможны в мультивселенной

Солнцев : А какие ещё вселенные могут быть и откуда они появляются?
Шер: Начнём с конца твоего вопроса: откуда появляются иные вселенные. Так вот, теорию инфляции предложенную Аланом Гутом в конце 70-х годов прошлого века развил и усовершенствовал Андрей Дмитриевич Линде — физик-теоретик. Он окончил Московский государственный университет, а сейчас является эмеритус-профессором Стэнфордского университета и сотрудником Института теоретической физики при нём. В 1983 года впервые в статье он предложил концепцию вечной инфляции (он говорил о «хаотической инфляции»). Это был прорыв в космологии в понимании самой ранней стадии развития Вселенной.
Солнцев: Как же может быть вечная инфляция, если мы уже её рассмотрели: она ведь длится мгновения, а потом перерастает в Большой взрыв.
Шер: Линде развил идею инфляции дальше. Он показал: если рассматривать не одну область (нашу Вселенную), а весь бесконечный Космос в целом, то он заполнен скалярным полем, оно везде.  Это не что то внешнее, а сама среда, которая пронизывает всё пространство, сама ткань этого бесконечного Космоса. В теории инфляции это поле — главный «двигатель» ранней Вселенной. Значение его в разных его уголках может быть разным. В одних местах поле достаточно велико для запуска инфляции, в других — нет.
У Линде слово “вселенная” означает отдельный “пузырёк”.  Представь, что ты смотришь на мыльную пену. Каждый пузырёк — это отдельная “вселенная”, где свои правила. А сама пена — это Мультивселенная. Между пузырьками — тонкие стенки, а внутри каждого — своя жизнь. Инфляция продолжается в “пене” (в скалярном поле), и там рождаются новые пузырьки вселенные.  Наша Вселенная — это один из таких пузырьков, в котором инфляция уже закончилась миллиарды лет назад, и именно поэтому у нас есть материя, атомы, звёзды и мы с вами, а где то из за квантовых флуктуаций оно снова «подпрыгнуло» и инфляция продолжается.
 «Пузырьки» не плавают отдельно. Они — локальные области пространства, где поле находится в другом состоянии: где то оно «скатилось» и инфляция закончилась. Квантовые флуктуации — это спусковой крючок. Они случайно «подбрасывают» поле в отдельных местах, из за чего инфляция может спонтанно перезапускаться. Именно это и даёт идею вечной инфляции и мультивселенной. Так образуется бесконечная цепочка вселенных, каждая со своими свойствами. В некоторых сценариях, согласно того же множества Калаби-Яу (у каждой вселенной свой барабан от шарманки, со своей мелодией), в разных «пузырьках» могут находиться вселенные с разными фундаментальными константами и законами физики.
В настоящее время многие предсказания инфляционной теории были уже проверены, и она постепенно приобрела черты стандартной космологической парадигмы. Эта теория и сейчас продолжает быстро развиваться и меняться. Основная проблема — разработка моделей инфляционной космологии основанных на реалистических вариантах теории элементарных частиц и теории струн.
Солнцев: «Подожди… Я запутался. Ты говоришь, что инфляция рождает новые вселенные. Но если она продолжается, получается, где то у нас за спиной прямо сейчас надувается новая вселенная?»
Шер (кивает): «Точно, только не у нас за спиной, а за пределами нашей Вселенной. Просто у Линде вселенная - это локальное пространство, как наша Вселенная, внутри безграничного Космоса (скалярного поля). И таких «пузырьков-вселенных» может быть неисчислимое количество. А наш пузырёк уже “успокоился”, и мы в нём живём и здравствуем.
Солнцев: «Получается, наша Вселенная родилась из этого скалярного поля… и теперь как будто плавает в нём. А рядом, может, миллиарды других вселенных, родившихся задолго до нас. Но… как мы вообще можем доказать, что это поле вообще существует? Если оно есть, оно же должно как то двигаться, меняться, оставлять следы?»
Шер: «Ты попал в самую суть науки. Мы не можем “потрогать” скалярное поле. Но мы можем увидеть его отпечатки. Представь, что ты не видишь музыканта, но слышишь эхо его нот в огромном зале. По эху ты можешь многое сказать про зал и даже про то, как играл музыкант. Так и тут: скалярное поле оставило следы в самой ранней истории Вселенной, и мы их видим до сих пор.»
Солнцев (нахмурившись): «Это что, реликтовое излучение?»
Шер (кивает): «Да, — это свет, который летел к нам почти 14 миллиардов лет. Он дошёл до нас с того момента, когда Вселенная стала прозрачной. И в нём — крошечные неоднородности: чуть теплее, чуть холоднее. Разница всего в тысячные доли градуса. Хотя мы и не видим скалярное поле… но читаем его как старую книгу, где на каждой странице остались его отпечатки в виде своеобразных узоров, которые астрофизики научились правильно расшифровывать.
Шер показывает Солнцеву карту реликтового излучения.
Шер: «Смотри. Реликтовое излучение — главный свидетель. Это «фотография» Вселенной в возрасте примерно 380 000 лет. В нём есть крошечные пятна, неоднородности. Эти пятна не случайные.  У них есть чёткие закономерности их структура совпадает с предсказаниями инфляционных моделей. То есть мы видим не само поле, а его “эхо” в реликтовом излучении.»
Солнцев: «То есть эти крошечные пятнышки потом стали галактиками?»
Шер: «Именно. Квантовые флуктуации во время инфляции были микроскопическими, меньше атома. Но инфляция растянула их до космических масштабов. И там, где плотность чуть-чуть была выше, начали собираться галактики. То есть вся эта паутина Вселенной выросла из тех самых квантовых флуктуаций “щелчков” в скалярном поле. Это как рябь на воде, которую ветер сделал огромной: сначала были крошечные волны, а потом они стали настоящими валами.»
Солнцев: «Слушай… Если вселенных бесконечно много, и они рождаются вечно, они же могут сталкиваться? Представь: рядом с нами вдруг надувается новая вселенная, начинает мгновенно раздуваться — и врезается в нас. Это же должно оставить шрам или какой-то след.
Шер: «Ты задаёшь вопросы, на которые у науки пока нет стопроцентных ответов. Но есть рабочие идеи. Начнём с главного: да, в некоторых моделях столкновения вселенных возможны:
Даже в этой рассматриваемой сейчас хаотической инфляционной мультивселенной Линде они возможны, когда образовались отдельные вселенные «пузырьки». Если два таких пузырька в какой-то момент соприкоснутся, это и будет столкновением.
Бранная мультивселенная (из теории струн). Здесь вселенные — это не пузыри, а вроде плоских «мембран» (бран), которые плавают в пространстве с дополнительными измерениями. Эти браны могут двигаться и иногда сталкиваться. В некоторых сценариях (например, в экпиротической модели) само рождение нашей Вселенной связывают со столкновением двух таких бран.
Циклические модели. В них вселенные не просто существуют параллельно, а проходят бесконечные циклы: рождение, расширение, сжатие, новый цикл. Столкновения могут происходить на стыках циклов.
И да, они должны оставлять следы.  Например, в реликтовом излучении — в виде странных холодных пятен или резких границ, где узор резко меняется, круговых аномалий или участков с необычно однородной температурой.  Столкновение массивных объектов (в том числе бран) порождает рябь в пространстве-времени. Если бы мы могли уловить такие волны от подобных событий в ранней Вселенной, это было бы прямым свидетельством столкновения. Также при столкновении могла нарушиться равномерность, с которой материя распределялась в ранней Вселенной. Астрономы изучают карты галактик в поисках таких отклонений.
Солнцев (нахмурившись): «То есть если бы нас кто то “толкнул”, мы бы это увидели в древнем свете? И что, никаких намёков на столкновения не обнаружено?»
Шер (кивает): «Да. Реликтовое излучение — это как застывшая фотография первых мгновений. Если бы в ранней Вселенной произошло столкновение, оно оставило бы характерный отпечаток: асимметрию, резкие перепады, необычные узоры. Это как вмятина на кузове машины: видно, что был удар. 
Солнцев : «И что, вообще никаких даже намёков на столкновения не обнаружено?»
Шер : «Ну намёки есть, но однозначно их отнести к столкновениям пока не хватает научной смелости… Один из самых обсуждаемых примеров — «Холодное пятно» (CMB Cold Spot). Оно находится в созвездии Эридана. На картах реликтового излучения эта область выглядит заметно холоднее окружающего фона: температура в ней примерно на 70 мкК ниже средней, а в центре падение достигает 150 мкК. Некоторые учёные действительно предполагают, что это может быть «синяк» от контакта нашей Вселенной с другой в мультивселенной.
Более консервативное объяснение: в том направлении есть гигантская область с очень низкой плотностью материи — космическая сверхпустота (войд). Когда фотоны реликтового излучения пролетают через такую «пустыню», они теряют энергию (из-за гравитационного красного смещения), и нам они кажутся более холодными. Правда, расчёты показывают: одна только пустота не объясняет всю наблюдаемую аномалию. Сейчас учёные продолжают изучать это пятно: сравнивают данные разных телескопов (например, WMAP и Planck), ищут дополнительные аномалии в той же области, чтобы понять, случайность это или системная особенность. Войды (космические пустоты) могут формироваться и в рамках стандартной космологии из-за неоднородностей в ранней Вселенной.
Вроде бы обнаружили круговые аномалии. Тут важно сразу сказать: чётких, всеми признанных «круговых аномалий», которые однозначно доказывают столкновение вселенных, пока нет. Но идея про круги — очень реальная и именно так учёные и думали искать следы столкновений. Давай разберём, откуда это взялось и что на самом деле находили.
В моделях с «пузырьковыми вселенными» (когда разные вселенные — это как пузыри в кипящей воде) столкновение должно было оставить на реликтовом излучении круглую отметину. Представь два мыльных пузыря, которые соприкоснулись: линия их касания — это окружность. Точно так же и в космосе: если две области пространства-времени столкнулись, на «фотографии» ран-ней Вселенной (то есть на карте реликтового излучения) должен остаться круговой узор с немного другой температурой.
Поэтому физики специально искали на картах CMB (реликтового излучения от спутников WMAP и Planck) именно такие круги. Учёные действительно находили на карте реликтового излучения необычные круглые и овальные области, где температура чуть отличалась от средней. Но тут есть важный нюанс: статистическая случайность. Космос большой, и если ты ищешь много разных узоров, рано или поздно найдёшь что-то странное просто по случайности. Это как искать в длинной строке букв слово «КОТ»: если строка огромная, слово почти наверняка встретится, но это не значит, что его кто-то специально туда вписал. Поэтому каждый такой «подозрительный круг» учёные проверяют с кучей разных методов, чтобы отсечь случайность и ошибки. И в большинстве случаев объяснение, оказывается, вполне обычным. Пока каких-либо чётких аномалий и убедительных доказательств столкновений не нашли, но поиски продолжаются и сама возможность таких вариантов не отвергнута.»

И если время и пространство вообще рождаются вместе со вселенной, то
что вообще значит “рядом” и “раньше” в этом бесконечном поле?»
Солнцев: «А как вообще работают время и пространство в этой схеме?  Если наша Вселенная — это пузырь, то время внутри него идёт, а что снаружи? И что значит “рядом”, если снаружи нет обычного пространства?»
Шер: «Вот тут самое сложное. В модели вечной инфляции пространство и время даются внутри каждого пузыря вместе с ним. Время и пространство — это свойства самого пузыря, а не то, в чём он “плавает”.»
Солнцев (тихо): «То есть снаружи нет “раньше” и “позже”. Нет “рядом” в нашем смысле. Там вообще нет времени, как мы его понимаем?»
Шер: «Именно. За пределами пузыря нет привычного пространства и времени. Есть только скалярное поле и его состояние. Мы не можем сказать “вселенная А родилась раньше вселенной Б”, потому что “раньше” существует только внутри каждой из них. Для внешнего наблюдателя (которого, кстати, и быть не может) это вообще не последовательность, а вечная, неоднородная структура. Мы привыкли мерить мир линейкой и часами. А в самых больших масштабах эти инструменты перестают работать.
Солнцев: Но ведь для самого скалярного поля (Космоса) внутри него должно существовать своё время и своё пространство!!! Эта вселенная родилась раньше той вселенной на миллиард своих временных единиц этого поля раньше и находится она правее и выше в этом поле... Иного же быть не может!
Шер: Тут ты упираешься в самую жёсткую границу: в модели Линде у самого скалярно-го поля нет своего отдельного «времени» и «пространства» в привычном смысле. И именно поэтому фразы вроде «раньше на миллиард единиц» и «правее и выше в пространстве этого поля» в этой теории не работают.
В чём подвох. Ты хочешь дать скалярному полю свои координаты и своё время — как будто это комната, где вселенные лежат на полках: эта выше, та левее, эта родилась раньше. Но в вечной инфляции скалярное поле — это не комната. Это не контейнер, в котором уже есть «где» и «когда». Пространство и время рождаются внутри каждой вселенной вместе с ней. Представь, что ты рисуешь карту на шарике. Пока шарик не надули, никакой карты нет. Когда надуваешь, появляется поверхность — и только на ней можно сказать «север», «юг», «раньше», «позже». А «снаружи» шарика этих понятий нет.
Поэтому нельзя сказать: «вселенная А родилась на миллиард раньше вселенной Б в поле», потому что вне пузырьков нет общего «раньше». Время течёт внутри каждого пузыря отдельно. И «правее/выше» тоже нет: снаружи нет привычной геометрии. Там есть только значение поля и вероятность квантовых флуктуаций. Это не значит, что теория «неполная». Это значит, что привычные слова там просто перестают иметь смысл.
Солнцев (тихо): «То есть я хотел повесить на каждую вселенную табличку с датой и адресом… а у них нет адреса. И нет общей даты. У них есть толь-ко их собственное время и их собственная карта. А снаружи… вообще ничего из этого не работает.»
Шер (спокойно): «Да. И это самое трудное: признать, что привычные линейки и часы тут просто не подходят. Скалярное поле не нуждается в своих часах и метрах. Его динамика описывается не через «время поля», а через вероятность флуктуаций и изменение его значения. Пространство и время — это то, что появляется, когда инфляция в локальной области заканчивается и рождается «пузырёк». Но зато остаются следы, которые мы можем измерить. Не “где” и “когда” в мультивселенной, а что происходит у нас: реликтовое излучение, структура галактик, законы физики. Вот это мы можем изучать.»
Солнцев: Ну и ладно… Да и теперь мне понятно что у каждой плавающей вселенной своё время и пространство. Но мы можем. как пример, написать на плавающих шариках: на нашей Вселенной возраст - 13,8 млрд.лет, размер - 96 млрд.световых лет.; на другой вселенной возраст - 130 млрд.лет, размер - 1000 млрд.световых лет.; на третей вселенной возраст - 1500 млрд.лет, размер - 15000 млрд.световых лет. и т.д.
Шер: Ага. Вот тут ты делаешь очень правильную вещь: ты не пытаешься придумать «общее время для всех», а просто вешаешь на каждый шарик свою табличку — свой возраст, свой размер. И это как раз то, как физики и думают: у каждой вселенной — свои цифры, свои законы, своё «сколько лет» и «насколько она большая». И тут даже не надо спорить, что «так не бывает»: в мультивселенной по Линде именно так и устроено — каждая вселенная живёт по своим часам и по своей линейке.
Солнцев наконец-то не хмурится, а чуть улыбается — будто ему стало легче от того, что он перестал искать одну общую шкалу на всех. Он берёт стилус и прямо на голограмме ставит на каждый пузырёк аккуратные бирки.
Солнцев: «Ладно. Не надо мне общего времени. Просто повесим на каждый шарик свою бирку. Вот на нашем пузырьке пишем: возраст — 13,8 млрд лет, размер — 96 млрд световых лет (с.л.). А вот на соседнем: 130 млрд лет и 1000 млрд с.л. А на том, третьем, — 1500 млрд лет и 15 000 млрд. с.л. У каждого своя история, свои цифры. Пусть так и будет.»
Шер кивает, не спорит, а будто рад, что он нашёл способ уложить это в голове.
Шер: «Вот именно. Это и есть самый честный подход. Мы не пытаемся измерить всё одной линейкой. Мы признаём: у каждого пузырька свои правила, свои часы, своя длина. И когда мы говорим “возраст Вселенной”, мы всегда подразумеваем: “возраст нашей Вселенной”. Не вообще всех, а вот этого конкретного пузырька, в котором мы живём.»
Солнцев (тихо): «И получается, что где то есть вселенные, где время течёт совсем по другому. Где миллиард их лет — это как секунда для нас.  Или где пространство устроено так, что там вообще нет понятия “размер” в нашем смысле»
Шер (улыбается): «Да. И в некоторых из них, возможно, вообще не смогли появиться звёзды. Или атомы. Или жизнь. А у нас всё сложилось так, что мы можем стоять тут, смотреть на эти пузырьки и вешать на них бирки. И изучать, как всё устроено именно в нашем пузырьке. Мы не можем измерить всю бесконечность. Но мы можем беречь свой кусочек мира. И читать его историю по свету, который летит к нам миллиарды лет.»
Солнцев (тихо): А какие ещё вселенные может предложить нам множество Калаби-Яу?
Шер (улыбается): Да какие угодно из почти бесчисленного количества вариантов, ну вот например:
Вселенная «Без химии».  В ней геометрия пространства такая, что электроны не могут «сцепляться» как надо, и атомы просто не умеют соединяться в молекулы. В итоге — ни воды, ни органики, ни жизни. Только облака отдельных атомов различных газов и планеты из чистых элементов. Прилетай и набирай что хочешь: золото, алюминий, железо… И главное, все химические элементы чистые, без примесей, никакой ржавчины, никаких окислов.
Вселенная «Аватар», как в одноимённом фильме, где острова парят в воздухе, всё светится, переливается… Возможна ли такая вселенная? По Кала-би-Яу такая геометрия пространства — это не фантастика, а вполне возможна. Как это работает: в этой вселенной «узор» Калаби-Яу «подкручивает» силы так, что магнитные и электрические эффекты становятся мощнее, а гравитация — мягче. Поэтому острова парят: это не антигравитация, а баланс сил, который задала геометрия. А свечение всего здесь тоже на магия. Это за счёт квантовых флуктуаций, которые «узор» Калаби-Яу не гасит, а наоборот, усиливает. Поэтому даже обычные молекулы светятся, потому что природа тут буквально живёт на краю квантового эффекта.
Вселенная «Интерстеллар», тоже из знаменитого фильма.
Там Купер парит в пятом измерении, как будто в кубе, где разные стороны пространства могут быть разным  временем: прямо перед тобой это «прошлое», внизу «сегодня», вверху «будущее»… Пятое измерение, как его можно представить: допустим мы живём  не в трёхмерном, а в двухмерном мире, как на листе бумаги. В нём можно двигаться только влево вправо и вперёд назад. А если свернуть лист в трубку, появится новое измерение, в котором можно двигаться вдоль окружности. Вот так и в фильме «Интерстеллар» «узор» Калаби-Яу развернул ещё одно из семи скрытых измерений (по теории струн), которое позволяет смотреть на время со стороны, а не как у нас, как на реку, текущую из будущего в прошлое через настоящее. И время из «реки», превращается в «комнату», где можно видеть не только настоящее, но и прошлое, и будущее… И это не фантастика ради фантастики, а идея из теории Калуцы Клейна и теории струн: дополнительные измерения дают новые способы описывать силы и время.
Солнцев: Получается, если поменять «узор», можно сделать любую вселенную?
Шер (кивает, но сразу добавляет с серьёзным видом): Почти. Мы знаем, что вариантов узоров Калаби-Яу очень много — и каждый задаёт свою физику. Где-то выходит что-то вроде «Аватара»: деревья светятся, а соотношение сил взаимодействия: гравитации, электро-магнетизма иное. Где-то — вообще никакая химия в принципе невозможна, где-то может и скорости света абсолютно иные…
Солнцев (широко раскрывает глаза): То есть там могут быть миры, где вообще ничего не работает, как у нас?
Шер: Именно. Но мы об этих вселенных не узнаем. Они от нас отделены горизонтом.
Солнцев: Горизонтом? Как на море, когда линия уходит вдаль?
Шер (улыбается): Почти. Только тут горизонт — не про море, а про свет и время. Представь, что ты стоишь на круглой Земле. Ты идёшь вперёд, а горизонт всё время удаляется. Но если ты обойдёшь планету кругом, то увидишь всю её целиком.
Солнцев: Ага. То есть мы можем обозреть всю Землю, как бы горизонт от нас не убегал.
Шер: Да. А вот в безбрежном Космосе всё иначе. Тут «горизонт» задаёт скорость света. Мы видим только тот свет, который успел до нас долететь. Всё, что дальше, — словно за невидимой стеной: его свет ещё не пришёл, а может, и никогда не придёт.
Солнцев: Почему?
Шер: Потому что Вселенная не просто большая — она ещё и расширяется. Причём чем дальше от нас, тем быстрее. Представь надувной шарик, на котором нарисованы точки. Когда шарик надувается, дальние точки разбегаются друг от друга быстрее, чем ближние. Так и галактики: самые далёкие улетают от нас со скоростью, почти равной скорости света. А некоторые — и того дальше: их свет просто не успевает нас настигнуть.
Солнцев (тихо): Значит, мы видим только кусочек…
Шер: Только кусочек. И этот кусочек — наша наблюдаемая Вселенная. За её краем могут быть миллиарды других миров с совершенно другой физикой. Но они навсегда вне досягаемости.
Солнцев: Грустно…
Шер (мягко): Или, наоборот, здорово. Потому что из всех этих бесчисленных вариантов узоров у нас выпал именно такой, где работают атомы, горит огонь, светит солнце и есть мы. И это уже само по себе чудо.