Барро Аурелиан Физика в мультиверсе: вступительный обзор
Адрес автора: лаборатория субатомной физики и космологии, Университет Джозефа Фу-рье, Гренобль, Франция
Aurelien.Barrau@cern.ch
(перевод П.Р.Амнуэля)
Резюме:
Краткая заметка, написанная для неспециалистов, имеет целью дать начальный обзор проблемы мультиверса.
Опубликовано в CERN Courier, vol. 47, issue 10 (2007) pp. 13-17
Является ли наша совершенная Вселенная единственным островом в бесконечности и в бесконечно разнообразном мета-мире? Вывод о том, что наша Вселенная – не единствен-ная, может стать или одной из самых серьезных революций в истории космогоний, или глубоким заблуждением, свидетельствующим о том, что мы плохо понимаем наиболее важные законы физики.
Сама по себе идея множественных вселенных далека от того, чтобы быть новой: от Анаксимандра до Дэвида Льюиса, философы исчерпывающе обсудили эту возможность. Но особенно интересно, что в наши дни эта идея всплыла вновь, причем всплыла естест-венно, как следствие некоторых наших лучших – но часто самых спекулятивных – физи-ческих теорий. Мультиверс более не является моделью; он является прямым следствием из наших моделей. Мультиверс представляется, как ясное понимание странности физиче-ского состояния нашей Вселенной. Предположение о том, что мы живем в Мультиверсе, привлекательно и заслуживает доверия, но требует глубокого переосмысления современ-ной физики.
Может показаться, что идея о существовании Мультиверса лежит вне границ науки, поскольку многомирие невозможно наблюдать. Как утверждает Карл Поппер, правильная теория должна давать наблюдаемые предсказания. Но мы не можем наблюдать предсказа-ния, связанные с Мультиверсом. Следует ли из этого, что теория Мультиверса не может быть фальсифицируема, как «обычная» физическая теория?
Дело в том, что способ мышления, о котором говорит Поппер, по нескольким причинам не может быть использован в случае Мультиверса. Во-первых, предсказания могут быть сделаны и для Мультиверса, и хотя они ведут только к статистическим результатам, это ведь можно сказать и для всякой физической теории внутри нашей Вселенной – здесь то-же любой результат имеет статистический характер вследствие как фундаментальных квантовых флуктуаций, так и неопределенности измерений. Во-вторых, никогда нельзя проверить все предсказания теории, чтобы сделать окончательный вывод о ее научной ле-гитимности. Общая теория относительности, например, была много раз проверена в види-мом мире, что убедило нас в ее применимости для описания черных дыр. И мы описываем поведение черных дыр с помощью ОТО, хотя у нас нет возможности проверить, верна ли эта теория в конкретном случае черных дыр.
Наконец, критический рационализм Поппера не есть последнее слово в философии науки. Социологи, эстетики и эпистемиологи показали, что существуют другие демарка-ционные критерии для обсуждения. История учит нас, что научные дефиниции могут прийти только изнутри самой науки и из практики: никакая активная область интеллекту-ального созидания не может появиться извне. Если ученые нуждаются в изменении гра-ниц их собственного поля исследований, то это происходит вовсе не из-за того, что этого требует философия. В искусстве сложилась аналогичная ситуация: почти все художест-венные инновации ХХ века возникли из эстетики искусства XIX века. Как развитие науки определяется учеными, так и эволюция искусства определяется художниками изнутри са-мого искусства, а не какими-то внешними требованиями.
Исходя из сказанного, нужно сделать вывод о том, что идея нашей жизни в Мультивер-се заслуживает серьезного внимания. Идея эта позволяет понять две проблемы сложности и естественности. Тот факт, что законы и фундаментальные параметры физики являются очень точным приближением к тем очень неправдоподобным законам, при которых толь-ко и может существовать наша жизнь, как раз и говорит о том, что наша Вселенная может быть лишь малой частью огромного Мультиверса, в различных областях которого реали-зуются различные физические законы. Приняв такую точку зрения, мы говорим о том, что живем в одной из «антропно пригодных» областей. Этот «антропный выбор» не является ни телеологическим, ни теологическим, он абсолютно не связан с каким-либо «дизайном интеллекта»: это ничто иное, как очевидное обобщение эффекта селекции, который всегда принимается во внимание внутри нашей Вселенной. И если аккуратно представить пол-ный набор физических законов, то невозможно избежать появления чудес – такой вопрос, по крайней мере, должен быть задан, когда обсуждается наша Вселенная, как часть Муль-тиверса.
Мультиверс – не теория. Он представляется следствием некоторых теорий, причем тео-рии эти предсказывают явления, которые можно проверить внутри нашей Вселенной. Су-ществует много разных типов возможных мультиверсов, физика которых зависит от кон-кретных теорий, причем некоторые из мультиверсов даже, возможно, тесно переплетены.
Самый простой мультиверс - попросту бесконечное пространство, предсказанное об-щей теорией относительности, по крайней мере, для гиперболических геометрий. Беско-нечное число значений постоянной Хаббла может образовывать миры, заполняющие этот мета-мир. В этой ситуации может происходить все, что возможно (напр., то, что совмес-тимо с известными нам законами физики). Это так, поскольку всякое событие с ненулевой вероятностью где-нибудь происходит, если пространство бесконечно. С помощью такого мультиверса невозможно объяснить структуру физических законов и величины фунда-ментальных параметров, но много специфических обстоятельств могут быть поняты в этом случае с помощью антропного выбора: некоторые места, например, менее однород-ны, чем при нашей постоянной Хаббла, и мы не можем там жить, поскольку они менее пригодны для жизни, чем наша Вселенная, где первичные флуктуации оказались подобны зернам, сформировавшим нужные для нашей жизни структуры.
Общая теория относительности описывает Мультиверс и в тех случаях, когда работает с черными дырами. Максимальное аналитическое распространение геометрии Шварц-шильда, как представляется диаграммами Пенроуза-Картера, показывает, что изнутри черной дыры можно увидеть иную вселенную. Эта интересная особенность исчезает, ко-гда коллапс изучается динамически. Более интересна, однако, ситуация заряженной или вращающейся черной дыры, где на соответствующих диаграммах имеется бесконечный набор вселенных, в которых реализуется как взаимное притяжение масс (как в нашей Все-ленной), так и взаимное отталкивание. Так называемые «теплые» (или «серые» - прим. пе-рев.) дыры, которые, возможно, связывают эти вселенные, чрезвычайно нестабильны, но это не может отрицать самого факта существования решений, открывающих другие все-ленные (или другие части нашей Вселенной, зависящие от топологии), независимо от то-го, доступны они для нас или нет. Этот мультиверс, однако, выглядит чрезвычайно спеку-лятивной идеей и может оказаться лишь математическим призраком. Более того, ничто пока не позволяет точно понять, как такой мультиверс возникает.
Значительно более интересные варианты связаны с процессами, происходящими внут-ри черных дыр, когда принимаются во внимание квантовые эффекты в общей теории от-носительности. Квантовая теория гравитации способна описывать сингулярности, что ве-дет к расширению той области пространства-времени внутри черной дыры, которая может быть описана, как самостоятельная вселенная. В этой модели наша Вселенная тоже возни-кает в результате аналогичного процесса и, в свою очередь, может порождать очень боль-шое количество детей-вселенных, благодаря тому, что в нашей Вселенной существует большое количество черных дыр, как звездной массы, так и сверхмассивных. В такой мо-дели может возникнуть своеобразная естественная космологическая селекция, когда зако-ны физики имеют тенденцию максимизировать число черных дыр (ведь вселенные с большим числом черных дыр создают, в свою очередь, больше вселенных такого же ти-па). Это также ведет к нескольким возможным способам наблюдательной проверки, кото-рая может опровергнуть теорию и не позволит использовать какой-либо антропный аргу-мент. Однако, неясно, как физические постоянные могут быть унаследованы из родитель-ской вселенной при малых случайных вариациях. Нет пока детальной модели, соответст-вующей такому сценарию.
Один из наиболее богатых мультиверсов ассоциируется с соединением инфляционной космологии и теории струн.
С одной стороны, постоянную инфляцию можно понять, если ввести массивное ска-лярное поле. Поле это может иметь квантовые флуктуации, которые будут в половине случаев увеличивать его величину. В другой половине случаев флуктуации будут умень-шать величину поля. Если поле увеличивается, дополнительная плотность энергии застав-ляет вселенную расширяться быстрее, чем в той половине случаев, когда поле уменьшает-ся. По прошествии некоторого времени большее значение величины скалярного поля ока-жется более чем в половине областей просто потому, что эти области расширяются быст-рее, чем области с малым значением поля. Усредненное по объему значение величины скалярного поля будет увеличиваться, и везде появятся области с высоким значением по-ля: инфляция становится постоянной. Области, где флуктуации скалярного поля подавле-ны, будут ответвляться от дерева постоянной инфляции и выходить из инфляции.
С другой стороны, теория струн недавно привела к третьему изменению парадигмы. После революций суперсимметрии и дуализма было открыто то, что называют «ландшаф-том». Эта метафора описывает очень большое число (может быть, ошибочных) пустот в теории. Известные законы физики соответствуют специфическому острову среди многих других. Возникает огромное число возможностей из-за различных многочисленных вари-антов Каллаби-Яу.
Среди других загадок – невероятно странная величина космологической постоянной, которая может являться просто антропной селекцией внутри мультиверса, где реализуется всякое возможное значение чего бы то ни было. В этом случае, каждый мир-пузырь ассо-циируется с одной реализацией физических законов и содержится в бесконечном про-странстве, где все возможные феномены где-нибудь имеют место. Поскольку пузыри при-чинно навсегда разомкнуты (из-за быстрого «рождения пространства» во время инфля-ции), невозможно путешествовать между ними и открывать новые законы физики. Этот мультиверс, будучи реален, серьезно повлияет на глубину нашего понимания физики. За-коны возникают как виды феноменов; онтологический букварь нашей Вселенной может быть заброшен. В других местах мультиверса могут быть другие законы, другие постоян-ные, другое число размерностей; наш мир может оказаться редким примером. Он может быть, следуя Копернику, Дарвину и Фрейду, четвертой нарциссической травмой.
Квантовая механика была, возможно, среди первых ветвей физики, ведущих к идее Мультиверса. В некоторых ситуациях она неизбежно предсказывает суперпозицию. В других ситуациях для исключения случаев, когда макроскопический кот Шредингера од-новременно живет и умирает, Бор ввел постулат о редукции. Отсюда вытекают два обсу-ждаемых следствия: первое ведет к чрезвычайно запутанной философской интерпретации, где соответствие между математическим описанием физической теории и реальным ми-ром не является изоморфным (по крайней мере, не в любое время), а второе возможное следствие запрещает унитарность. Ни один известный физический феномен – даже по-следнее описание испаряющихся черных дыр – не делает этого. Таким образом, возникает хорошая причина для обсуждения серьезности многомировой интерпретации Хью Эверет-та. Любое возможное следствие из каждого события предполагается определенным или существующим в собственной истории или вселенной – через квантовую декогеренцию вместо коллапса волновой функции. Другими словами, есть мир, где кот умер, и есть дру-гой мир, где кот остался жив. Это простой путь строгого доверия к фундаментальным уравнениями квантовой механики. Миры не разделены пространственно, но ветвятся на множество типов «параллельных» вселенных. Эта мучительная для разума интерпретация разрешает некоторые парадоксы квантовой механики, но при этом остается очень неяс-ным, как определить, когда происходит расщепление вселенных. Этот тип мультиверса сложен и, в зависимости от квантовой природы феноменов, ведущих к другому типу мультиверсов, может приводить к высокому или низкому уровню проверяемости.
Можно изобразить и более спекулятивные мультиверсы, ассоциирующиеся с типом платоновоской математической демократии или с номиналистским релятивизмом. В лю-бом случае, важно подчеркнуть, что мультиверс – не гипотеза, введенная для ответа на некий специфический вопрос. Мультиверс – простое следствие теории, обычно создавае-мой для другой цели. Интересно, что такое следствие (предположение о существовании Мультиверса – прим. перев.) разрешает также много сложных и противоестественных проблем. В большинстве случаев даже похоже, что предположение о существовании мно-гомирия ближе к бритве Оккама (принципу простоты), чем предположения ad hoc, кото-рые нужно добавлять к моделям для исключения присутствия других вселенных.
Выбрав какую-нибудь модель – например, струнно-инфляционную парадигму, - воз-можно ли делать предсказания в мультиверсе? В принципе, это возможно, по крайней ме-ре, в приближении Бейсиана (Bayesian). Вероятность наблюдения вакуума i (и соответст-вующих законов физики) есть просто Pi = Ppriori fi, где Ppriori определяется географией «ландшафта» теории струн и динамикой непрерывной инфляции, а фактор выбора fi ха-рактеризует шансы наблюдателя эволюционировать в вакууме i. Распределение дает веро-ятность для случайно выбранного наблюдателя находиться в данном вакууме. Предсказа-ния могут быть сделаны только вероятностным образом, но то же самое можно сказать и о стандартной физике. То обстоятельство, что мы можем наблюдать только один пример (нашу собственную Вселенную), качественно не изменяет метод и все еще позволяет оп-ровержение модели на данном уровне доверительности. Ключевыми точками здесь явля-ются хорошо известные особенности космологии, даже когда речь идет о единственной Вселенной: наблюдатель находится внутри описываемой системы; начальные условия яв-ляются критическими; эксперимент «локально» невоспроизводим; необходимые энергии не могут быть экспериментально созданы на Земле; и стрела времени должна быть кон-цептуально обратима.
Однако это статистическое приближение к тестированию Мультиверса страдает от не-скольких технических сокращений. Первое: хотя представляется естественным идентифи-цировать первоначальную вероятность с частью объема, занятого данным вакуумом, ре-зультат чувствительно зависит от выбора пространственно-подобной гиперповерхности, на которой вычисляется распределение. Это так называемая проблема измерения в Муль-тиверсе. Второе: невозможно дать чувствительную оценку чего бы то ни было. Это требо-вало бы понимания, какая жизнь рассматривается (и даже – какое сознание). Исключая некоторые популярные случаи (например, все миры Мультиверса обладают характеристи-ками, несовместимыми с нашей Вселенной), очень трудно однозначно опровергнуть ка-кую-то модель в Мультиверсе. Но практическая трудность не означает внутренней невоз-можности. Мультиверс остается внутри сферы науки по Попперу. Нет качественного от-личия от других возможностей, ассоциирующихся с обычными путями в физической нау-ке. Ясно, что нужны новые математические методы и значительно более аккуратные пред-сказания в «ландшафте» (которые, в основном, не известны полностью) для того, чтобы возможности фальсифицируемости стали не просто абстрактным принципом в этом кон-тексте. Более того, фальсифицируемость – один из критериев среди многих возможных, и этот критерий не должен быть переопределен.
В вопросе о невероятной точности, требуемой от фундаментальных параметров физики для того, чтобы сделать возможным появление запутанности, есть не много возможных путей для размышления. Если мы не хотим использовать понятие Бога или обращаться к экстремально специфическим начальным условиям, то остаются две возможные гипотезы. Первая говорит о том, что, поскольку запутанность (и в частности, жизнь) – это адаптив-ный процесс, то он может иметь место в любом типе вселенной. Это дразнящий ложными надеждами ответ, однако, пример нашей Вселенной показывает, что появление жизни требует наличия экстремально специфических условий. Трудно вообразить жизнь во все-ленной без химии или без граничных состояний, или с другим числом размерностей. Вто-рая идея состоит в том, чтобы принять наличие многих вселенных с различными закона-ми, где мы естественно находим себя в одном из состояний, совместимых с запутанно-стью. Мультиверс не был привлечен для ответа на этот специфический вопрос, но он при-сутствует «спонтанно» в серьезных физических теориях, и это обстоятельство может быть привлечено, как простейшее объяснение загадочной неестественности.
Это, конечно, еще не дает возможности построить модель, которая была бы коррект-ной, но позволяет подчеркнуть, что в этом мысленном процессе присутствует абсолютно не «прекоперниканский» антропоцентризм. Возможно, было бы очень хорошо, если бы вся идея множественных вселенных оказалась заблуждением. Возможно, было бы очень хорошо, если бы открытие самых фундаментальных законов физики сделало параллель-ные миры полностью устаревшими в течение ближайших лет. Возможно, было бы очень хорошо, если бы наука с идеей Мультиверса оказалась на «не сквозной дороге». Необхо-димо благоразумие, когда физики говорят нам о невидимых пространствах. Но было бы также очень хорошо, если бы мы столкнулись с глубокими изменениями парадигмы, ко-торые революционизировали бы наше понимание природы и открыли бы новые поля воз-можного научного мышления. Поскольку поля эти лежат на границе науки, эти модели опасны, но они открывают экстраординарную возможность для конструктивного взаимо-действия с другими областями человеческого знания. Мультиверс – рискованная идея, но открытие новых миров всегда рискованно.
Литература:
[1] A. Aguirre, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University
Press, 2007) pp. 367-386
[2] A. Barrau, in Proc. of the 11th Marcel Grossmann Meeting on General Relativity, eds. Kleinert, R.T. Jantzen & R. Ruffini (Singapore: World Scientific, 2007), arXiv:gr-qc/0612045v2
[3] R. Bousso & J. Polchinski, JHEP 0006 (2000) 006
[4] R. Bousso & B. Freivogel, JHEP 0706 (2007) 018
[5] J.D. Bjorken, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 181-189
[6] B. Carter, Phil. Trans. Roy. Soc. A 310 (1983) 347
[7] B. Carter, Int. J. Theor. Phys. 43 (2004) 721
[8] P. Davies, Mod. Phys. Lett. A (2004) 727
[9] G. Ellis, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 387-409
[10] H. Everett, Rev. Mod. Phys. 29 (1957) 454
[11] B. Freivogel & L. Susskind, Phys. Rev. D 70 (2004) 126007
[12] J.B. Hartle, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 275-284
[13] S. Hawking, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 91-98
[14] S. Krachru, R. Kallosh, A.D. Linde & S.T. Trivedi, Phys. Rev. D 68 (2003) 046005
[15] A.D. Linde, Phys. Lett. B 129 (1983) 177
[16] A.D. Linde, in The Very Early Universe, eds. G.W. Gibbons, S.W. Hawking & S. Siklos (Cambridge: Cambridge University Press, 1983)
[17] A.D. Linde, Phys. Lett. B 175 (1986) 2848
[18] A.D. Linde, Rep. Prog. Phys. 47 (1984) 194
[19] A.D. Linde, Phys. Script. T 15 (1987) 100
[20] A.D. Linde, Particle Physics and In ationary Cosmology (Chur, Switzerland: Harwood Academic, 1990)
[21] A.D. Linde, Sci. Am. 271 (1994) 32
[22] A.D. Linde, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 127-149
[23] V. Mukhanov, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 267-273
[24] M. Rees, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 57-75
[25] L. Smolin, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 323-366
[26] L. Smolin, The Life of the Cosmos (New York: Oxford University Press, 1997)
[27] L. Smolin, Physica A 340 (2004) 705
[28] L. Smolin, arXiv:hep-th/0612185v1 (2006)
[29] L. Susskind, arXiv:hep-th/0405189v3 (2003)
[30] L. Susskind, The cosmic landscape: String theory and the illusion of intelligent design. (New York, USA: Little, Brown, 2005)
[31] L. Susskind, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 247-266
[32] M. Tegmark, Class. Quantum Grav. 14 (1997) L69
[33] M. Tegmark, Ann. Phys. 270 (1998) 1
[34] M. Tegmark, JCAP 0504 (2004) 001
[35] M. Tegmark, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 99-125
[36] A. Vilenkin, Phys. Lett. D 27 (1983) 2848
[37] A. Vilenkin, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 163-179
[38] A. Vilenkin, J. Phys. A 40 (2007) 6777
[39] S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 59 (1987) 2607
[40] S. Weinberg, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 29-42
[41] F. Wilczek, in Universe of Multiverse, ed. B. Carr (Cambridge: Cambridge University Press, 2007) pp. 43-54
Перевод поступил 18.12.07
