Всесвіт скінченний, а ось скільки їх насправді - можна тільки гадати

Уявіть собі: інший Всесвіт, але точно такий самий, ніж той, у якому ми живемо. І де всі випадкові події, що породили нашу реальність у тому вигляді, в якому вона є, відбуваються в "чужому" для нас світі.

У всіх відношеннях, кожна квантова подія, що має набір можливостей, проходить ті самі послідовності, що й тут, у нас вдома.

За винятком, хіба що, того моменту, що "там" може бути "інший шлях". Два Всесвіти, які так довго йшли паралельно один одному, в один прекрасний момент розійшлися.

Можливо, наш Всесвіт, зі знайомою нам версією подій, - не єдиний на світі. Можливо, існують й інші універсуми, навіть з іншими історіями та альтернативними наслідками порівняно з тим, що ми пережили.

Це не просто вигадка, - хоча вона відіграє неймовірну роль у різноманітних фантастичних ситуаціях, - але одна з найзахопливіших імовірностей, що відкриваються завдяки теоретичній фізиці.

Ось що говорить наука про те, чи існують паралельні всесвіти насправді.

Яким би величезним не був наш Всесвіт, проте та частина, яку ми можемо бачити, отримати до нього доступ, вплинути на нього або зазнати його впливу, є скінченною і піддається кількісному вимірюванню. Включаючи фотони та нейтрино, він містить близько 1090 частинок, об'єднаних у 6-20 трильйонів галактик, і, можливо, ще 9-30 трильйонів галактик, що відкриються нам у міру його розширення.

Кожна така галактика містить у собі близько трильйона зірок (у середньому), і ці галактики об'єднуються у величезне павутиння, що охоплює весь космос і тягнеться на всі боки на 46 мільярдів світлових років.

Але, незважаючи на те, що говорить нам інтуїція, це не означає, що ми перебуваємо в центрі кінцевого Всесвіту. Насправді, весь набір доказів свідчить про протилежне.

Причина, внаслідок чого він здається нам скінченним за розміром - причина, через яку ми не можемо побачити нічого, що перебуває на відстані більшій, ніж певна, - не в тому, що Всесвіт насправді скінченний за розміром, а радше в тому, що він існував у своєму теперішньому стані впродовж обмеженої кількості часу.

Якщо ви більше нічого не дізнаєтеся про Великий вибух, то це: Всесвіт не був постійним у просторі або в часі, а скоріше еволюціонував від більш однорідного, гарячого, щільного стану до більш незграбного, холодного і дифузного світу сучасності.

У міру того, як ми звертаємося до все більш ранніх епох, Всесвіт виглядає більш гладким і з меншою кількістю розвинених галактик; у міру того, як ми звертаємося до більш пізніх часів, галактики укрупнюються, вони більш масивні та складаються зі старіших зірок, з більшими відстанями, що відокремлюють групи і скупчення одна від одної.

Біг бум подарував нам багатий Всесвіт, що містить безліч реліктів нашої спільної космічної історії, включно з:

• багато поколінь зірок;
• ультрахолодний фон залишкового випромінювання;
• галактики, які, здається, віддаляються від нас все швидше і швидше;
• і фундаментальну межу того, як далеко назад ми можемо бачити.

Межа нашої космічної перспективи встановлена відстанню, яку світло змогло подолати з моменту Великого вибуху.

Але це в жодному разі не означає, що за межами доступної нам частини Всесвіту немає старішого Всесвіту. Насправді, є як спостережні, так і теоретичні аргументи, що вказують на існування набагато більшого Всесвіту за межами того, що ми бачимо: можливо, навіть нескінченно більшого.

Кінцевий Всесвіт демонстрував би низку сигналів, які дають нам змогу визначити, що ми не живемо в нескінченному морі простору-часу.

Ми б виміряли просторову кривизну і могли б виявити, що Всесвіт до певної міри має форму сфери, де якщо довго рухатися прямою лінією, то можна повернутися у вихідну точку.

Можна шукати повторювані візерунки в небі, коли один і той самий об'єкт з'являється в різних місцях одночасно. Можна виміряти плавність космосу за температурою і густиною і подивитися, як ці недосконалості еволюціонують із часом.

Якби Всесвіт був скінченним, ми б побачили певний набір властивостей, притаманних візерункам, які проявилися внаслідок температурних флуктуацій, що залишилися після Великого Вибуху. Але замість цього ми бачимо інший набір закономірностей, який вчить нас прямо протилежного: універсум не відрізняється від ідеальної площини, нескінченно великої площини.

Звичайно, ми не можемо знати цього напевно. Якби у вас був доступ тільки до вашого власного заднього двору, ви не змогли б виміряти кривизну Землі, тому що та частина, де у вас є доступ, не відрізняється від плоскої.

Ґрунтуючись на видимій нами частині Всесвіту, ми можемо стверджувати, що якщо Всесвіт є скінченним і справді викривляється, то його об'єм має бути принаймні в мільйони разів більшим від видимої нами частини, причому верхня межа цієї цифри не встановлена. Але теоретично наслідки наших спостережень малюють ще більш привабливу картину.

Бачте, ми можемо екстраполювати Великий вибух назад до довільного гарячого, щільного стану, що розширюється, і виявити, що він не міг стати нескінченно гарячим і щільним на самому початку.

Швидше за все, вище за деяку енергію і до дуже раннього часу існувала фаза, що передує Великому вибуху, і саме вона призвела до створення спостережуваного нами Всесвіту. Твкой етап, період космологічної інфляції, описує мікродміни, коли космос був наповнений енергією, властивою самому простору: стан, що змушує Всесвіт розширюватися з експоненціальною швидкістю.

• У Всесвіті, наповненому матерією або випромінюванням, швидкість розширення з часом зменшується, оскільки він стає менш щільним. Але якщо енергія притаманна самому простору, то щільність не зменшується, а залишається постійною, навіть у міру його розширення.
• У Всесвіті, де переважає матерія або випромінювання, швидкість розширення з часом сповільнюється, і віддалені точки рухаються з дедалі меншою швидкістю.
• За експоненціального розширення швидкість не падає взагалі, і віддалені точки - з плином часу, поступово - спершу віддаляються вдвічі далі, потім у чотири рази, у вісім, у шістнадцять, у тридцять два і т. д. разів.

Оскільки розширення не тільки експоненціальне, а й неймовірно швидке, "подвоєння" відбувається на часових масштабах близько 10-35 секунд. Це означає:

• до моменту, коли мине 10-34 секунди, Всесвіт приблизно в 103 (або 1000) разів перевищить свій початковий розмір,
• до моменту 10-33 секунди Всесвіт приблизно в 1030 (або 100010) разів більший за свій початковий розмір,
• до моменту, коли мине 10-32 секунди, Всесвіт приблизно в 10300 (або 1000100) разів більший за свій початковий розмір,
• і так далі. Експоненціальна залежність сильна не тому, що вона швидка; вона сильна тому, що вона невблаганна.

Тепер очевидно, що Всесвіт не продовжував розширюватися вічно, тому що ми тут. Інфляція відбувалася протягом деякого часу в минулому, але потім закінчилася, передавши всі права Великому вибуху.

Один із корисних способів уявити собі інфляцію - це куля, що дуже повільно скочується з вершини дуже плоского пагорба, як показано на верхній панелі вище.

Поки кулька залишається поблизу самого верхнього плато, вона котиться повільно, і інфляція триває, викликаючи експоненціальне розширення Всесвіту.

Однак щойно куля досягає краю і скочується в долину, інфляція закінчується. Оскільки вона коливається в долині взад-вперед, це кочення призводить до того, що енергія інфляції розсіюється, перетворюючись на матерію і випромінювання. Завершується інфляційний стан і починається гарячий Великий вибух.

Але інфляція не виникає скрізь одночасно і не закінчується скрізь одразу. Усе в нашому Всесвіті підпорядковується химерним квантовим законам реальності, навіть сама інфляція. Коли ми розглядаємо цей факт природи, виникає неминуча лінія думки.

Інфляція не схожа на кулю, яка є класичним полем, а скоріше нагадує хвилю, що поширюється в часі, як квантове поле.

У міру того, як час минає і дедалі більше й більше простору створюється внаслідок інфляції, у певних регіонах, імовірно, інфляція закінчиться, а в інших - продовжиться.

У тих регіонах, де інфляція закінчиться, відбудеться Великий вибух і виникне Всесвіт, подібний до нашого, а в тих регіонах, де вона не закінчиться, інфляція триватиме довше.

Згодом, через динаміку розширення, дві області, де інфляція закінчиться, ніколи не будуть взаємодіяти або стикатися; області, де інфляція не закінчиться, будуть розширюватися між ними, відштовхуючи ці "бульбашкові Всесвіти" один від одного.

Звичайно, існує безліч невідомих, пов'язаних із цим інфляційним станом.

• Ми не знаємо, як довго тривала інфляція, перш ніж вона завершилася і призвела до біг буму, і чи була ця тривалість короткою, тривалою або нескінченною.
• Ми не знаємо, чи всі області, де закінчилася інфляція, схожі одна на одну, мають ті самі закони природи, фундаментальні константи, квантові властивості та флуктуації, що й наш Всесвіт.
• І ми не знаємо, чи пов'язані ці різні Всесвіти якимось фізично значущим чином, або ж вони грають за своїми власними правилами і не впливають один на одного.

Мрія про паралельні Всесвіти, зрештою, полягає в тому, що в багатосвітовій інтерпретації квантової механіки може знайтися місце для всіх цих альтернатив, де ухвалювали різні рішення та досягали різних результатів.

Чи можливо, що існує Всесвіт, де все сталося точно так само, як і в цьому, тільки ви зробили одну крихітну річ по-іншому, і в результаті ваше життя склалося по-іншому?

• Де ви обрали роботу за кордоном, а не ту, яка утримувала вас у вашій країні?
• Де ви протистояли хулігану, замість того щоб дозволити скористатися собою?
• Де ви поцілували того, хто пішов наприкінці ночі, замість того, щоб відпустити його?
• І де подія життя або смерті, з якою ви або ваша близька людина зіткнулися в якийсь момент у минулому, мала інший результат?

Можливо. Ми завжди видаватимемо бажане за дійсне. Але для того, щоб це справді стало нашою фізичною реальністю, невідомі про наш Всесвіт питання повинні мати конкретні відповіді, не дуже ймовірні.

По-перше, інфляційний стан, що передував Великому вибуху, мав тривати не просто довго, а нескінченно довго.

Припустимо, що космос роздувався - тобто розширювався експоненціально - протягом 13,8 мільярда років. 

Воістину гігантське число. Але це все ж кінцеве число, і якщо воно не більше за число можливих результатів, то недостатньо велике, щоб вмістити ймовірності, які вимагає поняття паралельних Всесвітів.

Отже, давайте подумаємо про кількісне визначення числа можливих результатів.

У нашому Всесвіті ~1090 частинок, включно з фотонами і нейтрино, і ми вимагаємо, щоб кожна з них мала ту саму історію взаємодій з моменту Великого вибуху, яку вони пережили тут, щоб продублювати наш Всесвіт.