Мультивсесвіт Рівня II: Хаотична інфляція та пост-інфляційні бульбашки

Якщо вам здавалося, що мультивсесвіт I рівня є великим і важким для сприйняття, спробуйте уявити нескінченну множину різних, деякі, можливо, з іншою розмірністю та різними фізичними константами. Це те, що передбачає популярна зараз хаотична теорія інфляції, і ми будемо називати це мультивсесвітом II рівня. Ці інші домени більш ніж нескінченно далекі в тому сенсі, що ви ніколи не потрапите туди, навіть якщо подорожуватимете зі швидкістю світла вічно. Причина полягає в тому, що простір між нашим мультивсесвітом I рівня та його сусідами все ще зазнає інфляції, яка продовжує розтягувати його та створювати більший об’єм швидше, ніж ви можете через нього подорожувати. На відміну від цього, ви могли б подорожувати до довільно віддаленого всесвіту I рівня, якщо б були терплячими, і космічне розширення сповільнювалося. (Астрономічні дані свідчать про те, що космічне розширення зараз прискорюється. Якщо це прискорення триватиме, то навіть паралельні всесвіти I рівня залишаться назавжди відокремленими, а простір між ними розтягуватиметься швидше, ніж світло може через нього подорожувати. Однак, журі ще не винесло рішення, і популярні моделі передбачають, що Всесвіт зрештою припинить прискорюватися і, можливо, навіть знову колапсує.)

До 1970-х років модель Великого вибуху довела свою надзвичайну успішність у поясненні більшої частини історії нашого Всесвіту. Вона пояснила, як первинна вогненна куля розширювалася і охолоджувалася, синтезувала гелій та інші легкі елементи протягом перших кількох хвилин, стала прозорою після 400 000 років, вивільнивши космічне мікрохвильове фонове випромінювання, і поступово стала більш згущеною через гравітаційне скупчення, утворюючи галактики, зірки та планети. Проте залишалися тривожні питання про те, що сталося на самому початку. Чи з’явилося щось із нічого? Де всі надважкі частинки, відомі як магнітні монополі, які, згідно з передбаченнями фізики елементарних частинок, повинні були утворитися на ранніх етапах (так звана «проблема монополів»)? Чому простір такий великий, такий старий і такий плоский, коли загальні початкові умови передбачають, що кривина зростатиме з часом, а густина наближатиметься або до нуля, або до нескінченності після порядку 10−42 секунд (так звана «проблема плоскості»)? Яка змова призвела до того, що температура CMB була майже ідентичною в регіонах простору, які ніколи не були в причинному контакті (так звана «проблема горизонту»)? Який механізм створив початкові флуктуації рівня 10−5, з яких виросла вся структура?

Процес, відомий як інфляція, може вирішити всі ці проблеми одним махом (див. огляди Guth & Steinhardt 1984 та Linde 1994), і тому став найпопулярнішою теорією того, що сталося на самому початку. Інфляція – це швидке розтягування простору, розрідження монополів та іншого сміття, роблення простору плоским та однорідним, як поверхня повітряної кулі, що розширюється, та розтягування квантових вакуумних флуктуацій у макроскопічно великі флуктуації густини, які можуть ініціювати утворення галактик. З моменту свого створення інфляція пройшла додаткові перевірки: спостереження CMB показали, що простір надзвичайно плоский, і виміряли, що початкові флуктуації мають приблизно масштабний спектр без значної компоненти гравітаційних хвиль, і все це у повній відповідності з інфляційними передбаченнями.

Інфляція – це загальне явище, яке відбувається в широкому класі теорій елементарних частинок. У популярній моделі, відомій як хаотична інфляція, інфляція закінчується в деяких регіонах простору, дозволяючи існування життя, як ми його знаємо, тоді як квантові флуктуації змушують інші регіони простору роздуватися ще швидше. По суті, одна інфляційна бульбашка проростає інші інфляційні бульбашки, які, в свою чергу, утворюють інші в нескінченній ланцюговій реакції. Бульбашки, де інфляція закінчилася, є елементами мультивсесвіту II рівня. Кожна така бульбашка має нескінченний розмір (на диво, було показано, що інфляція може створити нескінченний мультивсесвіт I рівня навіть у бульбашці скінченного просторового об’єму завдяки ефекту, коли просторові напрямки простору-часу кривляться у напрямку (нескінченного) часу (Bucher & Spergel 1999).), але існує нескінченно багато бульбашок, оскільки ланцюгова реакція ніколи не закінчується. Дійсно, якщо це експоненціальне зростання кількості бульбашок тривало вічно, існуватиме незліченна нескінченність таких паралельних всесвітів (така ж нескінченність, як і та, що приписується множині дійсних чисел, скажімо, яка більша за [зліченно нескінченну] множину цілих чисел). У цьому випадку також немає початку часу і немає абсолютного Великого вибуху: є, було і завжди буде нескінченна кількість інфляційних бульбашок і постінфляційних регіонів, подібних до того, в якому ми живемо, утворюючи фрактальний візерунок.

Переважаюча точка зору полягає в тому, що фізика, яку ми спостерігаємо сьогодні, є лише низькоенергетичною межею набагато більш симетричної теорії, яка проявляється при надзвичайно високих температурах. Ця фундаментальна теорія може бути 11-вимірною, суперсиметричною і включати велике об’єднання чотирьох фундаментальних сил природи. Загальною особливістю таких теорій є те, що потенційна енергія поля(полів), що рухають інфляцію, має кілька різних мінімумів (іноді їх називають «вакуумними станами»), що відповідають різним способам порушення цієї симетрії і, як наслідок, різній фізиці низьких енергій. Наприклад, усі, крім трьох просторових вимірів, можуть бути згорнуті («компактифіковані»), що призведе до ефективно тривимірного простору, як наш, або менше може згорнутися, залишивши 7-вимірний простір. Квантові флуктуації, що керують хаотичною інфляцією, можуть спричинити різне порушення симетрії в різних бульбашках, що призведе до того, що різні члени мультивсесвіту II рівня матимуть різну розмірність. Багато симетрій, які спостерігаються у фізиці елементарних частинок, також є результатом певного способу порушення симетрії, тому можуть існувати паралельні всесвіти II рівня, де є, скажімо, два, а не три покоління кварків.

На додаток до таких дискретних властивостей, як розмірність і фундаментальні частинки, наш Всесвіт характеризується набором безрозмірних чисел, відомих як фізичні константи. Приклади включають відношення маси електрона до маси протона mp /me ≈ 1836 і космологічну константу, яка, як видається, становить близько 10−123 у так званих планковських одиницях. Існують моделі, де також такі безперервні параметри можуть змінюватися від однієї постінфляційної бульбашки до іншої. (Хоча фундаментальні рівняння фізики однакові у всьому мультивсесвіті II рівня, наближені ефективні рівняння, що керують низькоенергетичним світом, який ми спостерігаємо, відрізнятимуться. Наприклад, перехід від тривимірного до чотиривимірного (некомпактифікованого) простору змінює рівняння спостережуваної гравітаційної сили з закону оберненого квадрата на закон оберненого куба. Так само, різне порушення основних симетрій фізики елементарних частинок змінить лінійку елементарних частинок і ефективні рівняння, які їх описують. Однак ми залишимо терміни «різні рівняння» і «різні закони фізики» для мультивсесвіту IV рівня, де змінюються фундаментальні, а не ефективні рівняння.)

Тому мультивсесвіт II рівня, ймовірно, буде більш різноманітним, ніж мультивсесвіт I рівня, містить домени, де відрізняються не лише початкові умови, але, можливо, також розмірність, елементарні частинки та фізичні константи.

Перш ніж рухатися далі, дозвольте нам коротко прокоментувати кілька тісно пов’язаних понять мультивсесвіту. Перш за все, якщо один мультивсесвіт II рівня може існувати, вічно самовідтворюючись у фрактальному візерунку, то цілком можливо, що існує нескінченно багато інших мультивсесвітів II рівня, які повністю від’єднані. Однак цей варіант здається неперевіреним, оскільки він не додасть жодних якісно різних світів і не змінить розподіл ймовірностей для їхніх властивостей. Усі можливі початкові умови та порушення симетрії вже реалізовані в кожному з них.

Ідея, запропонована Толманом і Вілером і нещодавно розроблена Стейнхардтом і Туроком (2002), полягає в тому, що (мультивсесвіт I рівня) є циклічним, проходячи через нескінченну серію Великих вибухів. Якщо він існує, ансамбль таких втілень також утворить мультивсесвіт, можливо, з різноманітністю, подібною до мультивсесвіту II рівня.

Ідея, запропонована Смоліним (1997), передбачає ансамбль, подібний за різноманітністю до мультивсесвіту II рівня, але мутуючий і проростаючий нові всесвіти через чорні діри, а не під час інфляції. Це передбачає форму природного відбору, що сприяє всесвітам з максимальним виробництвом чорних дір.

У сценаріях брансвіту інший 3-вимірний світ може бути буквально паралельним нашому, просто зміщений у вищому вимірі. Однак неясно, чи заслуговує такий світ («брана») на те, щоб його називали паралельним всесвітом, окремим від нашого власного, оскільки ми можемо взаємодіяти з ним гравітаційно так само, як ми це робимо з темною матерією.

Фізики не люблять незрозумілі збіги. Дійсно, вони інтерпретують їх як доказ того, що моделі відкидаються. У розділі I C ми бачили, як модель відкритого Всесвіту була відкинута з 99,9% впевненістю, оскільки це означає, що спостережуваний візерунок флуктуацій CMB є надзвичайно малоймовірним, збіг один на тисячу, що трапляється лише в 0,1% усіх об’ємів Хаббла.

Припустимо, ви заселяєтеся в готель, вам призначено номер 1967 і, здивовано, зазначаєте, що це рік вашого народження. Після деяких роздумів ви робите висновок, що це не так вже й дивно, враховуючи, що в готелі багато номерів і що у вас взагалі не було б цих думок, якби вам призначили інший. Потім ви розумієте, що навіть якщо б ви нічого не знали про готелі, ви могли б зробити висновок про існування інших готельних номерів, тому що, якби в усьому Всесвіті був лише один номер, ви б залишилися з незрозумілим збігом.

Як більш слушний приклад, розглянемо M – масу Сонця. M впливає на яскравість Сонця, і, використовуючи основні закони фізики, можна обчислити, що життя, як ми його знаємо, на Землі можливе лише тоді, коли M знаходиться у вузькому діапазоні 1,6 × 1030 кг − 2,4 × 1030 кг — інакше клімат Землі був би холоднішим, ніж на Марсі, або гарячішим, ніж на Венері. Виміряне значення становить M ∼ 2,0 × 1030 кг. Цей очевидний збіг придатних для життя та спостережуваних значень M може здатися тривожним, враховуючи, що розрахунки показують, що зірки в набагато ширшому діапазоні мас M ∼ 1029 кг − 1032 кг можуть існувати. Однак, як і в прикладі з готелем, ми можемо пояснити цей очевидний збіг, якщо існує ансамбль і ефект вибірки: якщо насправді існує багато сонячних систем з різними розмірами центральної зірки та планетарних орбіт, то ми, очевидно, очікуємо, що опинимося в одній із придатних для життя.

Загалом, очевидний збіг придатних для життя та спостережуваних значень деякого фізичного параметра можна розглядати як доказ існування більшого ансамблю, з якого те, що ми спостерігаємо, є лише одним членом серед багатьох (Carter 1973). Хоча існування інших готельних номерів і сонячних систем є беззаперечним і спостережно підтвердженим, те саме не можна сказати про паралельні всесвіти, оскільки їх неможливо спостерігати. Проте, якщо спостерігається тонке налаштування, можна стверджувати про їх існування, використовуючи точно таку ж логіку, як і вище. Дійсно, існує безліч прикладів тонкого налаштування, що передбачають паралельні всесвіти з іншими фізичними константами, хоча ступінь тонкого налаштування все ще активно обговорюється і має бути з’ясована додатковими розрахунками — див. Rees (2002) і Davies (1982) для популярних звітів і Barrow & Tipler (1986) для технічних деталей.

Наприклад, якби електромагнітна сила була ослаблена лише на 4%, то Сонце негайно вибухнуло б (дипротон мав би зв’язаний стан, що збільшило б сонячну світність у 1018 разів). Якби вона була сильнішою, було б менше стабільних атомів. Дійсно, більшість, якщо не всі параметри, що впливають на низькоенергетичну фізику, здаються тонко налаштованими на певному рівні, в тому сенсі, що зміна їх на незначні величини призводить до якісно іншого всесвіту.

Якби слабка взаємодія була значно слабшою, навколо не було б водню, оскільки він був би перетворений на гелій незабаром після Великого вибуху. Якби вона була набагато сильнішою або набагато слабшою, нейтрино від вибуху наднової не змогли б здути зовнішні частини зірки, і сумнівно, чи змогли б важкі елементи, що підтримують життя, коли-небудь покинути зірки, де вони були вироблені. Якби протони були на 0,2% важчими, вони б розпалися на нейтрони, нездатні утримувати електрони, тому навколо не було б стабільних атомів. Якби відношення маси протона до електрона було набагато меншим, не могло б бути стабільних зірок, а якби воно було набагато більшим, не могло б бути впорядкованих структур, таких як кристали та молекули ДНК.

Обговорення тонкого налаштування часто стають гарячими, коли хтось згадує «А-слово» – антропний. Автор вважає, що обговорення так званого антропного принципу створили більше жару, ніж світла, з багатьма різними визначеннями та інтерпретаціями того, що це означає. Автору не відомо про жодного, хто б не погоджувався з тим, що можна назвати MAP, мінімалістичним антропним принципом: • MAP: під час перевірки фундаментальних теорій з використанням даних спостережень ігнорування ефектів вибірки може дати неправильні висновки.

Це очевидно з наведених вище прикладів: якби ми нехтували ефектами вибірки, ми були б здивовані, що обертаємося навколо такої важкої зірки, як Сонце, оскільки легші та тьмяніші набагато більш поширені. Так само, MAP стверджує, що модель хаотичної інфляції не спростовується тим фактом, що ми живемо в мізерній частині простору, де інфляція закінчилася, оскільки інфляційна частина непридатна для життя для нас. На щастя, ефекти вибірки не можуть врятувати всі моделі, як зазначив століття тому Больцман. Якби Всесвіт перебував у класичній тепловій рівновазі (тепловій смерті), теплові флуктуації все ще могли б змусити атоми випадково збиратися, щоб ненадовго створити самоусвідомленого спостерігача, подібного до вас, раз на сто років, тому той факт, що ви існуєте прямо зараз, не виключає космологічну модель теплової смерті. Однак ви повинні статистично очікувати, що решта світу опиниться в хаотичному стані з високою ентропією, а не в упорядкованому стані з низькою ентропією, який ви спостерігаєте, що виключає цю модель.

Стандартна модель фізики елементарних частинок має 28 вільних параметрів, а космологія може ввести додаткові незалежні. Якщо ми дійсно живемо в мультивсесвіті II рівня, то для тих параметрів, які змінюються між паралельними всесвітами, ми ніколи не зможемо передбачити наші виміряні значення з перших принципів. Ми можемо лише обчислити розподіл ймовірностей для того, що ми повинні очікувати знайти, враховуючи ефекти вибірки. Ми повинні очікувати, що все, що може змінюватися в ансамблі, буде настільки загальним, наскільки це узгоджується з нашим існуванням. Як детально описано в розділі V, питання про те, що є «загальним», і, конкретніше, як обчислювати ймовірності у фізиці, стає надзвичайно складною проблемою.