ІІ. Як виглядає край Всесвіту? Розмова про Тентакулюс VII наштовхує нас на важливі роздуми. Якби у нас були такі потужні телескопи, що в них можна було б розглянути рідну планету доктора Калачика, ми побачили б не те, що там відбувається сьогодні, а те, що було

Як виглядає тепловий рух Взаємодія між молекулами може мати більше або менше значення в «життя» молекул.

МАСШТАБИ ВСЕСВІТУ Наша подорож починається в звичному нам масштабі - тому самому, в якому ми живемо, користуємося різними речами, бачимо і чіпаємо їх. Невипадково саме один метр – не одна мільйонна його частка та не десять тисяч метрів – найкраще відповідає розміру

ЕКСКУРСІЯ ПО ВСЕСВІТУ Книга та фільм «Ступені десяти» (Powers of Ten) - одна з класичних подорожей далекими світами і вимірами - починаються і закінчуються зображенням пари людей, що сидять на траві в парку в Чикаго; треба сказати, що це місце підходить для початку

134. Як виглядає мікрохвильове небо? Якщо побачити нічне небо, ви побачите окремі зірки. Але найдивовижніше, що нічне небо в основному чорне. Очевидне світло – це лише мала частина «електромагнітного спектру». Інші види світла (невидимого) включають

136. Який вигляд має ультрафіолетове небо? Ультрафіолетове (УФ) світло має довжину хвилі від 10 до 400 нанометрів (нм). Невидимий для людського ока, але деякі тварини, наприклад такі як бджоли, бачать у цьому діапазоні. УФ фотони несуть у собі набагато більше енергії, ніж

Як виглядає чорна діра Ми, люди, належимо нашій лайці. Ми не можемо покинути її і потрапити в балк (хіба що якась надрозвинена цивілізація переправить нас туди в тесеракті або іншому пристрої, як це сталося з Купером, див. розділ 29). Отже,

Як виглядає прохідна червоточина Як виглядає прохідна червоточина для нас з вами, для людей цього Всесвіту? Я не можу відповісти напевно. Якщо червоточину можна утримувати відкритою, точний спосіб це зробити залишається загадкою, тому про форму

5. Розширення всесвіту Тим часом наприкінці 1960-х нас знову чекала криза, хоч і набагато менш драматична, ніж злощасне знайомство Роберта з ефектами ліків. Членство Стівена в коледжі як науковий співробітник добігало кінця, і оскільки один раз термін вже

Вчені вперше отримали серйозний доказ того, що поряд з нашим світом ще кілька

Таємниці небесної карти

До сенсаційних висновків підштовхнули дані, отримані за допомогою космічного телескопа Планка (European Space Agency's Planck satellite).

Вважається, що це саме реліктове випромінювання, якими наповнено простір, є відлунням Великого Вибуху - коли 13,8 мільярдів років тому щось неймовірно крихітне і неймовірно щільне раптом "вибухнуло", розширилося і перетворилося на навколишній світ. Тобто, у наш Всесвіт.

Зрозуміти як стався "акт творіння" не вийде за всього бажання. Лише за допомогою вельми віддаленої аналогії можна уявити ніби щось грюкнуло-полахнуло і помчало. Але залишилися чи то "луна", чи то "відсвіт", чи якісь ошметки. Вони й утворили мозаїку, яка представлена ​​на карті, де світлі ("гарячі") ділянки відповідають потужнішому електромагнітному випромінюванню. І навпаки.

"Гарячі" та "холодні" плями мікрохвильового фону повинні чергуватись рівномірно. Але мапа свідчить: упорядкованого розподілу немає. З південної частини небосхилу йде набагато потужніше реліктове випромінювання, ніж із північної. І що дуже дивно: мозаїка рясніє темними провалами - деякими дірками і протяжними дірками, появу яких неможливо пояснити з позицій сучасної фізики.

Сусіди дають про себе знати

Ще в 2005 році фізик-теоретик Лаура Мерсіні-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) з Університету Північної Кароліни (University of North Carolina at Chapel Hill) та її колега Річард Холман (Richard Holman), професор Університету Карнегі-Меллон University) передбачили існування аномалій мікрохвильового фону. І припустили, що виникли вони через те, що на наш Всесвіт впливають інші Всесвіти, розташовані поруч. Аналогічним чином на стелі вашої квартири виникають плями від "протеклих" сусідів, які дали про себе знати такими наочними аномаліями "штукатурного фону".

На колишній - менш чіткій - карті, складеної за даними зонда НАСА WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), що літав з 2001 року, нічого зовсім вже не дивно виходить видно не було. Одні натяки. А тепер – картина ясна. І сенсаційна. На думку вчених, аномалії, що спостерігаються, означають саме те, що наш Всесвіт не самотній. Інших - безліч.

Лаура та Річард теж не самотні у своїх поглядах. Приміром, Стефан Фіней (Stephen Feeney) з лондонського університетського коледжу (University College London) побачив на картині мікрохвильового фону, як мінімум, чотири аномально "холодні" круглі плями, які він назвав "синяками". І тепер доводить, що ці "синці" виникли від безпосередніх ударів сусідніх Всесвітів по нашому.

На його думку, Стефанна, Всесвіт виникають і пропадають немов бульбашки пари в киплячій рідині. А виникнувши, стикаються. І відскакують один від одного, залишаючи сліди.

Куди їх несе?

Декілька років тому група фахівців НАСА під керівництвом астрофізика Олександра Кашлинського виявила дивну поведінку приблизно у 800 віддалених галактичних скупчень. Виявилося, що всі вони летять в одному напрямку - у певну частину космосу - зі швидкістю 1000 кілометрів на секунду. Це світове переміщення було названо "Темним потоком".

Нещодавно з'ясувалося, що "Темний потік" охоплює аж 1400 галактичних скупчень. І несе їх у район, розташований десь біля кордонів нашого Всесвіту. З чого б це? Або там - за межами, недоступними спостереженнями, - розташована якась неймовірно величезна маса, яка і притягує матерію. Що малоймовірне. Або галактики засмоктує в інший Всесвіт.

Зі світу в світ перелітаючи

Чи можна потрапити з нашого Всесвіту до якогось іншого? Чи сусіди відокремлені якоюсь непереборною перешкодою?

Перешкода переборна, - вважають професор Тібо Дамур (Thibault Damour) з французького Інституту передових наукових досліджень (Institut des Hautes E"tudes Scientifiques - IHE"S) та його колега доктор фізико-математичних наук Сергій Солодухін з московського Фізичного інституту РАН імені Лебедєва ), який зараз працює в німецькому Бременському міжнародному університеті (International University Bremen). На думку вчених, існують ходи, які ведуть інші світи. З боку вони - ці ходи - виглядають точно як "чорні дірки". Але насправді не є.

Тунелі, які поєднують віддалені частини нашого Всесвіту, одні астрофізики називають "червоточинами" (wormholes), інші - "кротовими норами". Суть у тому, що, пірнувши в таку нору, можна миттєво виринути десь в іншій галактиці, віддаленій на мільйони, а то на мільярди світлових років. Принаймні теоретично подібна подорож можлива в межах нашого Всесвіту. А якщо вірити Дамуру та Солодухіну, то виринути можна ще далі – взагалі в іншому Всесвіті. Чи не закрита начебто і зворотна дорога.

Вчені за допомогою розрахунків представили, як мають виглядати "кротові нори", які ведуть саме до сусідніх Всесвітів. І виявилося, що подібні об'єкти нічим особливо не відрізняються від уже відомих "чорних дірок". І поводяться вони так само - поглинають матерію, деформують тканину простору-часу.

Єдина суттєва різниця: крізь "нору" можна пробратися. І залишитися цілим. А "чорна діра" розірве своїм жахливим гравітаційним полем корабель, що наближається до неї, на атоми.

На жаль, Тібо та Солодухін не знають, як з великої відстані безпомилково відрізнити "чорну дірку" від "кротової нори". Мовляв, це з'ясується лише у процесі занурення у об'єкт.

Від "чорних дірок", щоправда, походить випромінювання - так зване випромінювання Хокінга. А "кротові нори" нічого не випускають. Але випромінювання настільки мало, що вловити його неймовірно важко і натомість інших джерел.

Не зрозуміло поки що, і скільки часу займе стрибок у інший Всесвіт. Можливо, частки секунди, а можливо мільярди років.

І найдивовижніше: на думку вчених "кротові нори" можна створити штучно - на Великому адронному колайдері (БАК), зіштовхуючи частки на енергії, що багаторазово перевершує нині досягнутий рівень. Тобто утворюватимуться не "чорні діри", якими лякали ще до початку експериментів з моделювання Великого вибуху, а відкриватимуться "кротові нори". Наскільки страшно саме такий розвиток подій, фізики поки що не пояснили. Але сама перспектива – створити вхід до іншого Всесвіту – виглядає привабливо.

ДО РЕЧІ

Ми живемо всередині футбольного м'яча

Ще недавно вчені пропонували безліч варіантів форми нашого світу: від банальної кулі-бульбашки, до тора-бубліка, параболоїда. Або навіть… чашки з ручкою. Ну, не видно із Землі, як виглядає Всесвіт із боку. Однак тепер, придивившись до картини розподілу реліктового випромінювання, астрофізики зробили висновок: Всесвіт схожий на футбольний м'яч, "зшитий" із п'ятикутників - додекаедрів, за науковим.

- "М'яч", звичайно, величезний, - каже Дуглас Скотт з Університету Британської Колумбії (Канада), - але не настільки, щоб вважати його нескінченним.

Вчені знову посилаються на дивний порядок розподілу "холодних" та "гарячих" ділянок. І вважають, що "візерунок" такого масштабу міг виникнути лише в обмеженому за розмірами Всесвіті. З обчислень випливає: від краю до краю всього 70 мільярдів світлових років.

А що там за краєм? Про це вважають за краще не думати. Пояснюють: простір ніби замкнутий сам на себе. І той "м'яч", у якому ми живемо, ніби "дзеркальний" зсередини. І якщо послати із Землі промінь у будь-який бік, то він обов'язково колись повернеться назад. А деякі промені нібито вже повернулися, відбившись від "дзеркального краю". І не один раз. Мовляв, від цього астрономи бачать деякі (одні й самі) галактики у різних частинах небозводу. Та ще й із різних боків.

Як виглядає Всесвіт на дуже великих відстанях, у областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за обрієм? Фото: SPL/EAST NEWS

Один Всесвіт чи безліч?

Як виглядає Всесвіт на дуже великих відстанях, у областях, недоступних спостереженню? І чи є межа того, наскільки далеко ми можемо зазирнути? Наш космічний обрій визначається відстанню до найдальших об'єктів, світло яких встигло прийти до нас за 14 мільярдів років з моменту Великого вибуху. Через прискорене розширення Всесвіту ці об'єкти зараз видалено вже на 40 мільярдів світлових років. Від більш далеких об'єктів світло до нас ще не дійшло. То що ж там, за обрієм? Донедавна фізики давали дуже просту відповідь на це питання: там все те саме — такі ж галактики, такі ж зірки. Але сучасні досягнення у космології та фізиці елементарних частинок дозволили переглянути ці уявлення. У новій картині світу віддалені області Всесвіту разюче відрізняються від того, що ми бачимо навколо себе, і можуть навіть підкорятися іншим законам фізики.

Нові уявлення ґрунтуються на теорії космічної інфляції. Спробуймо роз'яснити її суть. Почнемо з короткого огляду стандартної космології Великого вибуху, яка була домінуючою теорією до відкриття інфляції.

Відповідно до теорії Великого вибуху Всесвіт почався з колосальної катастрофи, яка вибухнула близько 14 мільярдів років тому. Великий вибух стався не в якомусь певному місці Всесвіту, а одразу скрізь. У той час не було зірок, галактик і навіть атомів, і Всесвіт заповнював дуже гарячий щільний згусток матерії і випромінювання, що швидко розширювався. Збільшуючись у розмірах, він остигав. Приблизно через три хвилини після Великого вибуху температура знизилася достатньо для формування атомних ядер, а через півмільйона років електрони і ядра об'єдналися в електрично нейтральні атоми і Всесвіт став прозорим для світла. Це дозволяє нам сьогодні реєструвати світло, випущене вогненним згустком. Він приходить з усіх напрямків на небі та називається космічним фоновим випромінюванням.

Спочатку вогненний потік був майже ідеально однорідним. Але крихітні неоднорідності в ньому таки були: у деяких областях щільність була трохи вищою, ніж в інших. Ці неоднорідності зростали, стягуючи своєю гравітацією все більше речовини з навколишнього простору, і за мільярди років перетворилися на галактики. І лише нещодавно за космічними мірками на сцені з'явилися ми, люди.

На користь теорії Великого вибуху говорить безліч спостережних даних, що не залишають сумнівів у тому, що цей сценарій здебільшого коректний. Насамперед ми бачимо, як далекі галактики розбігаються від нас із дуже великими швидкостями, що вказує на розширення Всесвіту. Також теорія Великого вибуху пояснює поширеність у Всесвіті легких елементів, таких як гелій та літій. Але найголовнішим доказом, можна сказати, стовбуром Великого вибуху, що димиться, служить космічне фонове випромінювання - післясвічення первинної вогняної кулі, до цих пір дозволяє його спостерігати і досліджувати. За його вивчення присуджено вже дві Нобелівські премії.

Отже, ми, схоже, маємо досить успішну теорію. І все ж таки вона залишає без відповіді деякі інтригуючі питання, що стосуються початкового стану Всесвіту відразу після Великого вибуху. Чому Всесвіт був такий гарячий? Чому вона почала розширюватися? Чому вона була такою однорідною? І, зрештою, що було з нею до Великого вибуху?

На ці питання відповідає теорія інфляції, яку Алан Гут висунув 28 років тому.

Космічна інфляція

Центральну роль цієї теорії грає особлива форма матерії, звана хибним вакуумом. У повсякденному розумінні цього слова вакуум - просто абсолютно порожній простір. Але для фізиків, які займаються елементарними частинками, вакуум - далеко не повне ніщо, а фізичний об'єкт, що має енергію і тиск, який може перебувати в різних енергетичних станах. Фізики називають ці стани різними вакуумами, від своїх характеристик залежать властивості елементарних частинок, які можуть існувати. Зв'язок між частинками і вакуумом подібний до зв'язку звукових хвиль з речовиною, по якій вони поширюються: у різних матеріалах швидкість звуку неоднакова. Ми живемо в дуже низькоенергетичному вакуумі, і довгий час фізики вважали, що енергія нашого вакууму точно дорівнює нулю. Однак нещодавно спостереження показали, що він має трохи відмінну від нуля енергію (вона отримала назву темної енергії).

Сучасні теорії елементарних частинок передбачають, що крім нашого вакууму існує низка інших, високоенергетичних вакуумів, які називають хибними. Поряд із дуже високою енергією помилковий вакуум характеризується великим негативним тиском, який називають натягом. Це те саме, що розтягнути шматок гуми: з'являється натяг - сила, спрямована всередину, яка змушує стискатися гуму.

Але найдивніша властивість помилкового вакууму - це його гравітація, що відштовхує. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна гравітаційні сили викликаються як масою (тобто енергією), а й тиском. Позитивний тиск викликає гравітаційне тяжіння, а негативне веде до відштовхування. У разі вакууму відштовхувальна дія тиску перевищує силу, що притягує, пов'язану з його енергією, і в сумі виходить відштовхування. І чим вища енергія вакууму, тим вона сильніша.

А ще хибний вакуум нестабільний і зазвичай дуже швидко розпадається, перетворюючись на низькоенергетичний вакуум. Надлишок енергії йде породження вогняного згустку елементарних частинок. Тут важливо наголосити, що Алан Гут не винаходив помилковий вакуум з такими дивними властивостями спеціально для своєї теорії. Його існування випливає з фізики елементарних частинок.

Гут просто припустив, що на початку історії Всесвіту простір перебував у стані хибного вакууму. Чому так сталося? Гарне питання, і тут є що сказати, але ми повернемося до цього питання наприкінці статті. А поки припустимо слідом за Гутом, що молодий Всесвіт був заповнений хибним вакуумом. У такому разі викликана ним відштовхуюча гравітація призвела б до дуже швидкого розширення Всесвіту, що прискорюється. За такого типу розширення, який Гут назвав інфляцією, існує характерний час подвоєння, протягом якого розмір Всесвіту збільшується вдвічі. Це схоже на інфляцію в економіці: якщо її темпи є постійними, то ціни подвоюються, скажімо, за 10 років. Космологічна інфляція йде набагато швидше, з такою швидкістю, що за малу частку секунди крихітна область діаметром менше атома роздмухується до розмірів, що перевищують частину Всесвіту, що спостерігається сьогодні.

Оскільки помилковий вакуум нестабільний, він у результаті розпадеться, породжуючи вогняний потік, і цьому інфляція закінчується. Розпад помилкового вакууму грає у цій теорії роль Великого вибуху. З цього моменту Всесвіт розвивається відповідно до уявлень стандартної космології Великого вибуху.

Від умогляду до теорії

Теорія інфляції природно пояснює особливості початкового стану, які колись здавалися такими загадковими. Висока температура виникає через високу енергію помилкового вакууму. Розширення пов'язане з гравітацією, що відштовхує, яка змушує помилковий вакуум розширюватися, а вогненний згусток продовжує розширюватися за інерцією. Всесвіт однорідний тому, що помилковий вакуум скрізь має однакову щільність енергії (за винятком малих неоднорідностей, які пов'язані з квантовими флуктуаціями в помилковому вакуумі).

Коли теорія інфляції вперше була оприлюднена, її сприйняли лише як умоглядну гіпотезу. Але тепер, через 28 років, вона отримала вражаючі підтвердження спостереження, більшість з яких пов'язана з космічним фоновим випромінюванням. Супутник WMAP побудував карту інтенсивності випромінювання для неба і виявив, що видимий у ньому плямистий візерунок перебуває у бездоганній згоді з теорією.

Є і ще одне передбачення інфляції, яке полягає в тому, що Всесвіт повинен бути майже плоским. Відповідно до загальної теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривлено, проте теорія інфляції передбачає, що область Всесвіту, що спостерігається нами, повинна з високою точністю описуватися плоскою, евклідовою, геометрією. Уявіть викривлену поверхню сфери.

Тепер подумки збільшіть цю поверхню у величезну кількість разів. Це саме те, що трапилося із Всесвітом під час інфляції. Нам видно лише крихітну частину цієї величезної сфери. І вона здається плоскою так само, як Земля, коли ми розглядаємо невелику її ділянку. Те, що геометрія Всесвіту плоска, було перевірено шляхом виміру кутів гігантського трикутника розміром майже до космічного горизонту. Їхня сума склала 180 градусів, як і має бути при плоскій, евклідовій, геометрії.

Тепер, коли дані, отримані в області Всесвіту, що спостерігається нами, підтвердили теорію інфляції, можна певною мірою довіряти тому, що вона говорить нам про регіони, недоступні для спостереження. Це повертає нас до питання, з якого ми почали: що лежить за нашим космічним обрієм?

Світ нескінченних двійників

Відповідь, яку дає теорія, досить несподівана: хоча в нашій частині космосу інфляція закінчилася, у Всесвіті загалом вона продовжується. То там, то тут у її товщі трапляються «великі вибухи», в яких розпадається хибний вакуум і виникає область космосу, подібна до нашої. Але інфляція ніколи не закінчиться повністю, у всьому Всесвіті. Справа в тому, що розпад вакууму - імовірнісний процес, і в різних областях він трапляється у різний час. Виходить, Великий вибух не був унікальною подією у нашому минулому. Безліч «вибухів» трапилося раніше і незліченна кількість ще відбудеться в майбутньому. Цей ніколи не закінчується процес називається вічною інфляцією.

Можна спробувати уявити, як би виглядав інфлюючий Всесвіт, якщо поглянути на нього збоку. Простір було б заповнено хибним вакуумом і дуже швидко розширювалося на всі боки. Розпад фальшивого вакууму схожий на закипання води. То там, то тут спонтанно з'являються бульбашки низькоенергетичного вакууму. Щойно зародившись, бульбашки починають розширюватися зі швидкістю світла. Але вони дуже рідко стикаються, оскільки простір між ними розширюється ще швидше, утворюючи місце для нових і нових бульбашок. Ми живемо в одному з них і бачимо лише малу частину.

На жаль, подорожі до інших бульбашок неможливі. Навіть забравшись у космічний корабель і рухаючись майже зі швидкістю світла, нам не наздогнати за межами нашого міхура, що розширюються. Тож ми є його бранцями. З практичної точки зору кожен міхур є самодостатнім окремим всесвітом, у якого немає зв'язку з іншими бульбашками. У ході вічної інфляції породжується нескінченна кількість таких бульбашок-всесвітів.

Але якщо не можна дістатися інших міхурів-всесвітів, як переконатися, що вони справді існують? Одна з вражаючих можливостей – спостереження за зіткненням бульбашок. Якби інший міхур вдарився в наш, це мало б помітний вплив на спостережуване космічне фонове випромінювання. Проблема, однак, у тому, що зіткнення бульбашок дуже рідкісні, і не факт, що така подія траплялася в межах нашого горизонту.

Дивний висновок випливає з цієї картини світу: оскільки кількість всесвітів-бульбашок нескінченна і кожна з них необмежено розширюється, в них буде містити нескінченне число областей розміром з наш обрій. Кожна така галузь матиме свою історію. Під «історією» мають на увазі все, що сталося, аж до найменших подій, таких як зіткнення двох атомів. Ключовий момент полягає в тому, що кількість різних історій, які можуть мати місце, – звісно. Як це можливо? Наприклад, я можу посунути свій стілець на один сантиметр, на півсантиметра, на чверть і так далі: здається, що вже тут таїться необмежену кількість історій, оскільки я можу зрушити стілець нескінченним числом різних способів на скільки завгодно мала відстань. Однак через квантову невизначеність дуже близькі одна до одної історії принципово неможливо розрізнити. Таким чином, квантова механіка говорить нам, що кількість різних історій є звичайною. З моменту Великого вибуху для області, що спостерігається, воно становить приблизно 10, зведене в ступінь 10150. Це неймовірно велике число, але важливо підкреслити, що воно не нескінченно.

Отже, обмежена кількість історій розгортається у нескінченному числі областей. Неминучим є висновок, що кожна історія повторюється нескінченне число разів. Зокрема, існує безліч земель з такими ж історіями, як у нашої. Це означає, що десятки ваших дублів зараз читають цю фразу. Повинні існувати також галузі, історії яких чимось відрізняються, реалізуючи всі можливі варіації. Наприклад, є області, в яких змінено лише прізвисько вашого собаки, а є інші, де по Землі досі ходять динозаври. Хоча, звичайно, у більшості областей немає нічого схожого на нашу Землю: адже значно більше способів відрізнятися від нашого космосу, ніж бути схожим на нього. Ця картина може здатися дещо гнітючою, але її дуже важко уникнути, якщо визнається теорія інфляції.

Бульбашки мультиверсу

Досі ми припускали, що інші всесвіти-бульбашки схожі між собою за своїми фізичними властивостями. Але це необов'язково має бути так. Властивості нашого світу визначаються набором чисел, які називають фундаментальними постійними. Серед них Ньютонова гравітаційна стала, маси елементарних частинок, їх електричні заряди тощо. Усього існує близько 30 таких констант, і виникає цілком природне питання: чому вони мають саме такі значення, які є? Довгий час фізики мріяли, що одного разу зможуть вивести значення констант із якоїсь фундаментальної теорії. Але суттєвого прогресу цьому шляху досягнуто був.

Якщо виписати на листок паперу значення відомих фундаментальних постійних, вони видадуться цілком випадковими. Деякі з них дуже малі, інші великі, і за цим набором чисел немає ніякого порядку. Однак у них все ж таки була помічена система, хоча й дещо іншого роду, ніж сподівалися виявити фізики. Значення констант, схоже, ретельно підібрані для забезпечення нашого існування. Це спостереження отримало назву антропного принципу. Константи ніби спеціально тонко налаштовані Творцем, щоб створити відповідний для життя Всесвіт - це саме те, про що говорять нам прихильники вчення про розумний задум.

Але існує інша можливість, що малює зовсім інший образ Творця: він довільним чином породжує безліч всесвітів, і випадково деякі з них виявляються придатними для життя. Розумні спостерігачі, що з'явилися в таких рідкісних всесвітах, виявляють чудове тонке налаштування констант. У цій картині світу, яка називається Мультиверсом, більшість бульбашок безплідна, але в них немає нікого, хто міг би на це поскаржитися.

Але як перевірити концепцію мультиверса? Прямі спостереження нічого не дадуть, оскільки ми не можемо подорожувати в інші бульбашки. Можна, однак, як у кримінальному розслідуванні, знайти непрямі докази. Якщо константи змінюються від одного всесвіту до іншого, їх значення у нас не можна точно передбачити, але можна зробити імовірнісні передбачення. Можна спитати: які значення виявить середньостатистичний спостерігач? Це аналогічно спробі передбачити зростання першої зустрічної людини на вулиці. Навряд чи він виявиться гігантом чи карликом, тому якщо прогнозувати, що його зростання буде десь близько середнього, ми, як правило, не помилимося. Аналогічно і з фундаментальними постійними: немає підстав думати, що їх значення в нашій області космосу дуже великі чи малі, інакше кажучи, вони суттєво відрізняються від тих, що виміряють більшість спостерігачів у Всесвіті. Припущення про нашу невиключність – це важлива ідея; я назвав її принципом пересічності.

Цей підхід був застосований до так званої постійної космологічної, яка характеризує щільність енергії нашого вакууму. Значення цієї постійної, отримане з астрономічних спостережень, виявилося у добрій згоді з прогнозами, що ґрунтуються на концепції Мультіверсу. Це стало першим свідченням існування там, за горизонтом, воістину колосального Всесвіту, який завжди інфлює. Це свідчення, звичайно, опосередковане, яким тільки й могло бути. Але якщо нам пощастить зробити ще кілька вдалих пророцтв, то нову картину світу можна буде визнати доведеною за межами розумних сумнівів.

Що було до величезного вибуху?

А чи був у Всесвіті початок? Ми описали космос, що безмежно розширюється, породжує все нові «великі вибухи», але хотілося б знати, чи завжди Всесвіт був таким? Багато хто знаходить таку можливість дуже привабливою, оскільки вона позбавляє деяких важких питань, пов'язаних з початком Всесвіту. Коли Всесвіт вже існує, його еволюція описується законами фізики. Але як описувати її початок? Що змусило Всесвіт з'явитися? І хто поставив їй початкові умови? Було б дуже зручно сказати, що Всесвіт завжди перебуває у стані вічної інфляції без кінця і початку.

Ця ідея, однак, стикається з несподіваною перешкодою. Арвінд Борд та Алан Гут довели теорему, яка стверджує, що хоча інфляція вічна в майбутньому, вона не може бути вічною у минулому, а це означає, що у неї має бути якийсь початок. І яке б воно не було, ми можемо питати: а що було до того? Виходить, що одне з основних питань космології - з чого почався Всесвіт? - Так і не отримав задовільного відповіді.

Єдиний запропонований досі спосіб обійти цю проблему нескінченної регресії полягає в тому, що Всесвіт міг бути спонтанно створений з нічого. Часто кажуть: ніщо не може з'явитися з нічого. Дійсно, матерія має позитивну енергію, і закон її збереження вимагає, щоб у будь-якому початковому стані енергія була такою ж. Однак математичний факт полягає в тому, що замкнутий всесвіт має нульову енергію. У загальній теорії відносності Ейнштейна простір може бути викривленим і замикатися він подібно поверхні сфери. Якщо в такому замкнутому всесвіті рухатися весь час в один бік, то зрештою повернешся туди, звідки стартував, - так само, як повертаєшся у вихідну точку, обійшовши навколо Землі. Енергія матерії позитивна, але енергія гравітації - негативна, і можна суворо довести, що в замкнутому всесвіті їх вклади точно компенсують один одного, так що повна енергія замкнутого всесвіту дорівнює нулю. Інша величина, що зберігається - електричний заряд. І тут теж виявляється, що повний заряд замкнутого всесвіту має бути нульовим.

Якщо всі збережені величини в замкнутому всесвіті дорівнюють нулю, то ніщо не перешкоджає її спонтанній появі з нічого. У квантовій механіці будь-який процес, який не заборонений суворими законами збереження, з певною ймовірністю відбуватиметься. А значить, замкнуті всесвіти повинні з'являтися з нічого подібно бульбашкам в келиху шампанського. Ці новонароджені всесвіти можуть бути різного розміру та заповнені різними типами вакууму. Аналіз показує, що найбільш ймовірні всесвіти мають мінімальні початкові розміри та найвищу енергію вакууму. Варто з'явитися такому всесвіту, як негайно під впливом високої енергії вакууму він починає розширюватися. Саме так і розпочинається історія вічної інфляції.

Космологія Блаженного Августина

Слід зазначити, що аналогія між всесвітами, що виникають з нічого, і бульбашками шампанського не зовсім точна. Пухирці народжуються в рідині, а у всесвіті немає ніякого навколишнього простору. Зародився замкнутий всесвіт - це і є існуючий простір. До її появи ніякого простору не існує, як не існує часу. У загальній теорії відносності простір і час пов'язані у єдину сутність, звану «простором-часом», і час починає свій відлік лише після того, як з'являється Всесвіт.

Щось подібне багато століть тому було описано Августином Блаженним. Він намагався зрозуміти, що робив Бог до того, як створив небеса та землю. Свої міркування над цією проблемою Августин виклав у чудовій книзі «Сповідь». Висновок, до якого він у результаті прийшов, полягає в тому, що Бог мав створити час разом із Всесвітом. До того не було часу, а значить, безглуздо питати, що було раніше. Це дуже схоже на відповідь, яку дає сучасна космологія.

Ви можете запитати: що змусило Всесвіт з'явитися з нічого? Хоч як це дивно, жодної причини не потрібно. Якщо взяти радіоактивний атом, він розпадеться, і квантова механіка передбачає можливість його розпаду за певний інтервал часу, скажімо, за хвилину. Але якщо запитати, чому атом розпався саме в даний конкретний момент, а не в інший, то відповідь полягатиме в тому, що не було жодної причини: цей процес є випадковим. Аналогічно не потрібна причина і для квантового створення Всесвіту.

Закони фізики, які описують квантове народження Всесвіту, - ті самі, що описують її подальшу еволюцію. З цього, мабуть, випливає, що закони існували в певному сенсі, перш ніж виник Всесвіт. Іншими словами, закони, схоже, не є описом Всесвіту, а мають якесь платонівське існування, крім самого Всесвіту. Ми поки що не знаємо, як це розуміти.

Олександр Віленкін – директор Інституту космології в Університеті Тафтса (Бостон, штат Массачусетс). Він закінчив Харківський університет 1971 року, 1976-го емігрував із СРСР, 1978-го став професором Університету Тафтса. Віленкін - один із провідних сучасних космологів, автор концепції вічної інфляції, що з'явилася як розвиток інфляційної космології Алана Гута, спільно з яким написав низку наукових праць. Відома полеміка між Олександром Віленкіним і Стівеном Хокінгом щодо того, як саме трапилося квантове народження Всесвіту. Віленкін є прихильником антропного принципу, за яким існує безліч всесвітів і лише деякі з них придатні для життя розумних мешканців. Причому Віленкін вважає, що з антропного принципу можна отримати нетривіальні передбачення, що дозволяють підтвердити існування недоступних спостереженню всесвіту. Бурхливі дискусії викликала науково-популярна книга Олександра Віленкіна "Світ безлічі світів: у пошуках інших всесвітів", опублікована англійською мовою. Цього року вона виходить російською.

Одним із основних питань, які не виходять зі свідомості людини, завжди було і є питання: «як з'явився Всесвіт?». Звичайно ж, однозначної відповіді на це питання немає, і навряд чи буде отримано незабаром, проте наука працює у цьому напрямі та формує якусь теоретичну модель зародження нашого Всесвіту. Насамперед слід розглянути основні властивості Всесвіту, які мають описуватися в рамках космологічної моделі:

• Модель повинна враховувати відстані між об'єктами, що спостерігаються, а також швидкість і напрямок їх руху. Подібні розрахунки ґрунтуються на законі Хаббла: cz =H 0D, де z- червоне усунення об'єкта, D- Відстань до цього об'єкта, c- швидкість світла.
• Вік Всесвіту в моделі повинен перевищувати вік найстаріших у світі об'єктів.
• Модель повинна враховувати початкову різноманітність елементів.
• Модель повинна враховувати спостерігається.
• Модель повинна враховувати реліктове тло, що спостерігається.

Розглянемо коротко загальновизнану теорію виникнення та ранньої еволюції Всесвіту, що підтримується більшістю вчених. Сьогодні під теорією Великого вибуху мають на увазі комбінацію моделі гарячого Всесвіту з Великим вибухом. І хоча дані концепції спочатку існували незалежно одна від одної, в результаті їх об'єднання вдалося пояснити початковий хімічний склад Всесвіту, а також наявність реліктового випромінювання.

Згідно з цією теорією, Всесвіт виник близько 13,77 млрд років тому з деякого щільного розігрітого об'єкта, що погано піддається опису в рамках сучасної фізики. Проблема космологічної сингулярності, крім усього іншого, в тому, що при її описі більшість фізичних величин, на зразок щільності та температури, прагнуть нескінченності. При цьому відомо, що при нескінченній щільності (міра хаосу) повинна прямувати до нуля, що ніяк не поєднується з нескінченною температурою.

• • Перші 10-43 секунди після Великого Вибуху називають етапом квантового хаосу. Природа світобудови цьому етапі існування не піддається опису у межах відомої нам фізики. Відбувається розпад безперервного єдиного простору-часу на кванти.

• Планківський момент – момент закінчення квантового хаосу, який випадає на 10-43 секунду. У цей час параметри Всесвіту дорівнювали , на кшталт планківської температури (близько 10 32 К). У момент планківської епохи всі чотири фундаментальні взаємодії (слабка, сильна, електромагнітна і гравітаційна) були об'єднаними в якусь одну взаємодію. Розглядати планківський момент як деякий тривалий період – неможливо, оскільки з параметрами менше планківських сучасна фізика не працює.
• Стадія. Наступною стадією історії Всесвіту стала інфляційна стадія. У перший момент інфляції від єдиного суперсиметричного поля (що раніше включає поля фундаментальних взаємодій) відокремилася гравітаційна взаємодія. У цей період речовина має негативний тиск, що викликає експоненційне зростання кінетичної енергії Всесвіту. Простіше кажучи, в цей період Всесвіт став дуже швидко роздмухуватися, а ближче до кінця енергія фізичних полів переходить в енергію звичайних частинок. Наприкінці цієї стадії значно підвищується температура речовини та випромінювання. Разом із закінченням стадії інфляції виділяється і сильна взаємодія. Також у цей момент виникає.
• Стадія радіаційного переважання. Наступна стадія розвитку Всесвіту, що включає кілька етапів. На цій стадії температура Всесвіту починає знижуватися, утворюються кварки, потім адрони та лептони. У період нуклеосинтезу відбувається утворення початкових хімічних елементів, синтезується гелій. Однак, випромінювання все ще переважає речовину.
• Епоха домінування речовини. Через 10 000 років енергія речовини поступово перевищує енергію випромінювання та відбувається їх поділу. Речовина починає домінувати над випромінюванням, виникає реліктове тло. Також поділ речовини з випромінюванням значно посилив початкові неоднорідності у розподілі речовини, у результаті почали утворюватися галактики і надгалактики. Закони Всесвіту дійшли того виду, в якому ми спостерігаємо їх сьогодні.

Вищеописана картина складена з кількох основних теорій і дає загальне уявлення про формування Всесвіту на ранніх етапах його існування.

Звідки з'явився Всесвіт?

Якщо Всесвіт виник з космологічної сингулярності, то звідки взялася сама сингулярність? На це питання дати точну відповідь поки що неможливо. Розглянемо деякі космологічні моделі, що стосуються «народження Всесвіту».

Циклічні моделі

Дані моделі будуються на твердженні, що Всесвіт існував завжди і згодом лише змінюється його стан, переходячи від розширення до стиснення – і назад.

• Модель Стейнхардта-Турока. Ця модель будується теоретично струн (М-теорії), оскільки використовує такий об'єкт як «брана». Згідно з цією моделлю видимий Всесвіт розташовується всередині 3-брані, яка періодично, раз на кілька трильйонів років, стикається з іншою 3-браною, що викликає подобу Великого Вибуху. Далі наша 3-брана починає віддалятися від іншої та розширюватися. У якийсь момент частка темної енергії одержує першість і швидкість розширення 3-брани зростає. Колосальне розширення розсіює речовину та випромінювання настільки, що світ стає майже однорідним та порожнім. Зрештою відбувається повторне зіткнення 3-бран, в результаті чого наша повертається до початкової фази свого циклу, знову зароджуючи наш «Всесвіт».

• Теорія Лоріса Баума і Пола Фремптона також говорить про циклічність Всесвіту. Згідно з їхньою теорією остання після Великого Вибуху розширюватиметься за рахунок темної енергії доти, доки не наблизиться до моменту «розпаду» самого простору-часу – Великий Розрив. Як відомо, у «замкнутій системі ентропія не зменшується» (другий початок термодинаміки). З цього твердження випливає, що Всесвіт не може повернутися до вихідного стану, тому що під час такого процесу ентропія повинна зменшуватися. Однак ця проблема вирішується в рамках цієї теорії. Відповідно до теорії Баума і Фремптона за мить до Великого Розриву Всесвіт розпадається на безліч «клаптів», кожен з яких має досить малим значенням ентропії. Випробовуючи ряд фазових переходів, дані «клапті» колишнього Всесвіту породжують матерію і розвиваються аналогічно початкового Всесвіту. Ці нові світи не взаємодіють один з одним, тому що розлітаються зі швидкістю більше за швидкість світла. Таким чином, вчені уникли і космологічної сингулярності, з якої починається народження Всесвіту відповідно до більшості космологічних теорій. Тобто в момент кінця свого циклу Всесвіт розпадається на безліч інших невзаємодіючих світів, які стануть новими всесвітами.
• Конформна циклічна космологія – циклічна модель Роджера Пенроуза та Ваагна Гурзадяна. Згідно з цією моделлю Всесвіт здатний перейти в новий цикл, не порушуючи другий початок термодинаміки. Ця теорія спирається на припущення, що чорні діри знищують поглинену інформацію, що якимось чином «законно» знижує ентропію Всесвіту. Тоді кожен такий цикл існування Всесвіту починається з подібності до Великого Вибуху і закінчується сингулярністю.

Інші моделі виникнення Всесвіту

Серед інших гіпотез, що пояснюють появу видимого Всесвіту, найбільш популярні дві наступні:

• Хаотична теорія інфляції – теорія Андрія Лінде. Згідно з цією теорією існує деяке скалярне поле, яке неоднорідне у всьому своєму обсязі. Тобто у різних галузях всесвіту скалярне поле має різне значення. Тоді в областях, де поле слабке – нічого не відбувається, тоді як області із сильним полем починають розширюватись (інфляція) за рахунок його енергії, утворюючи при цьому нові всесвіти. Такий сценарій має на увазі існування безлічі світів, що виникли неодночасно і мають свій набір елементарних частинок, а отже, і законів природи.
• Теорія Лі Смоліна – передбачає, що Великий Вибух перестав бути початком існування Всесвіту, а – лише фазовим переходом між двома її станами. Так як до Великого Вибуху Всесвіт існував у формі космологічної сингулярності, близької за своєю природою до сингулярності чорної дірки, Смолін припускає, що Всесвіт міг виникнути з чорної діри.

Підсумки

Незважаючи на те, що циклічні та інші моделі відповідають на низку питань, відповіді на які не може дати теорія Великого Вибуху, у тому числі проблема космологічної сингулярності. Все ж таки в комплекті з інфляційною теорією Великий Вибух цілісніше пояснює виникнення Всесвіту, а також сходиться з безліччю спостережень.

Сьогодні дослідники продовжують інтенсивно вивчати можливі сценарії зародження Всесвіту, проте дати незаперечну відповідь на запитання «Як з'явився Всесвіт?». — навряд чи вдасться найближчим часом. На це є дві причини: прямий доказ космологічних теорій практично неможливий, лише непрямий; навіть теоретично немає можливості отримати точну інформацію про світ до Великого Вибуху. З цих двох причин вченим залишається лише висувати гіпотези і будувати космологічні моделі, які максимально правильно описуватимуть природу Всесвіту, який ми спостерігаємо.