В мирах, столь отдаленных

Где и зачем ищут другие вселенные

Изображение: GiroScience / Фотодом / Shutterstock
Изображение: GiroScience / Фотодом / Shutterstock

Планеты, звезды, галактики — человек давно вглядывается в ночное небо в поисках других миров, но теперь ставки повысились. Ученым стало тесно в родной реальности, и они ищут признаки других вселенных в реликтовом излучении — самом древнем сигнале, испущенном тысячелетия спустя Большого взрыва. Зачем это нужно и что уже получилось — в материале «Чердака».

Созвездие Большой Медведицы — семь ярких звезд, рисующих гигантский ковш, и десятки тусклых бусин, разбросанных между ними. На этом лоскуте небесной ткани в 2016 году космический телескоп «Хаббл» разглядел крошечное красноватое пятно неправильной формы — галактику GN-z11.

Эта галактика — самый удаленный от Земли астрономический объект, который фиксировали люди. Свет, пойманный «Хабблом», GN-z11 испустила 13,4 млрд лет назад, задолго до появления Солнечной системы — на заре формирования Вселенной. Так давно, что за время космического путешествия этого сигнала сама галактика из-за расширения Вселенной убежала от нас на расстояние более 30 млрд световых лет.

GN-z11 — наш форпост на границе с космической неизвестностью. Вселенная существует около 13,8 млрд лет, а свет GN-z11 родился спустя 400 миллионов лет после Большого взрыва. Если перевести всю историю Вселенной на 24 часа земных суток — это где-то в половине первого ночи. Поэтому увидеть объекты, удаленные от Земли намного дальше GN-z11, нереально — свет даже самых первых секунд их существования до нас не дошел.

Что находится за этой завесой времени, можно только гадать. Скорей всего, там тоже есть свои галактики, луны и атомы, разделенные бесконечными пустотами и закрученные теми же (или немного другими) законами физики.

Казалось бы, какой простор для фантазии. Забраться на удаленный мыс на краю света и под шум прибоя представлять себе другую Землю, населенную людьми. Они в триллионах световых лет от нас, там, посреди иного молчания Вселенной, тоже думают, что одиноки в этом мире, и еще не знают, что однажды наши одиночества встретятся. Но ученым мало таких фантазий — вместо вестей с других космических континентов нашего мира они ищут на ночном небе нечто другое. Признаки других вселенных и других миров.

GN Z-11, самая удаленная от Земли доступная наблюдению галактика. Изображение: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) / CC BY 4.0


Небесная гармония

Иоганн Кеплер, немецкий астроном, живший на рубеже XVI и XVII веков, был помешан на одной странной идее: он считал, что в шести планетах Солнечной системы, известных в его время, идеально воплощается гармония божественного замысла. Он обрабатывал данные наблюдений другого астронома, Тихо Браге, и старался свести траектории планет к пяти «платоновым телам» — правильным многогранникам, описанным еще древними греками.

К концу XVI века небесная головоломка сложилась. Кеплер опубликовал книгу Mysterium CosmographicumТайна мироздания»), в которой орбиты шести известных тогда планет складывались в стройную геометрическую систему, напоминающую матрешку. Орбита Сатурна (самой дальней на то время планеты) была окружностью на поверхности шара, описанного вокруг куба, внутри этого куба был другой шар с орбитой Юпитера, а внутрь уже юпитерианского шара был вписан тетраэдр — и так далее с идеальным чередованием шаров, вложенных в пять разных многогранников. Полная гармония тел земных и тел небесных.

Прошло несколько лет, и космическая красота Кеплера несколько поблекла. Сначала критики подметили, что небесные сферы и многогранники вписываются друг в друга неаккуратно, а потом сам Кеплер показал, что орбиты планет представляют собой не окружности, а эллипсы, и, разочарованный своими прошлыми идеями, переключился на другую задачу: теперь он искал зашифрованную небесную гармонию в величинах этих эллипсов.

Но время расставило все по местам: ни в формах орбит, ни в их размерах не нашлось никаких зашифрованных закономерностей, скрывающих истинную природу вещей. Только хаос космической пыли, собравшейся в случайные сгустки материи. Импровизация природы с единственным правилом — не забывать про всемирное тяготение и несколько других законов, описывающих мир.

Модель Солнечной системы, построенная на правильных многогранниках. Рисунок из книги Mysterium Cosmographicum. Фото: ETH-Bibliothek Zürich / Public Domain

В физических уравнениях встречаются разные константы, значения которых нельзя вывести из других законов, а можно только запомнить. Скорость света, постоянная Планка, элементарный заряд — странные угловатые числа, будто свалившиеся на нас из ниоткуда. Настоящий фатум.

Многим людям это не по душе, и они пытаются найти константам объяснение. Кто-то за недостатком математического образования ищет тайные шифры природы, другие — пишут сложные уравнения теории струн и квантовой гравитации, чтобы получить значения постоянных из других законов, а третьи просто вытесняют этот вопрос куда-нибудь подальше из своего сознания, чтобы не повторить ошибку Кеплера, всю жизнь искавшего разумное объяснение случайности.

Но ничем хорошим эти стратегии пока не оборачиваются. Вывести константы ни у кого пока не получается, а молчаливо считать их значения простой случайностью несколько странно: они слишком хорошо подобраны друг под друга. Взять ту же темную энергию: будь ее чуть меньше, ничто бы не помешало гравитации схлопнуть всю материю в одну бесконечно плотную сингулярность, а чуть больше — и под воздействием темной энергии расширялись бы не только свободные от материи, пустые участки Вселенной, но и все небесные тела, атомы которых постепенно растеклись бы по всему миру.

Такая тонкая настройка фундаментальных констант ставит перед необычным выбором: наш мир и его законы становятся в первом приближении либо невероятной случайностью, либо следствием разумного замысла. Одним из способов обойти эту дилемму может быть гипотеза Мультивселенной, по которой в реальном мире существует гораздо больше, быть может даже бесконечное число разных вселенных, и в каждой из них действуют свои законы физики со своими наборами констант: где-то они совершенно не подходят для зарождения разумной жизни, а где-то как будто специально подогнаны под то, чтобы миллионы атомов материи однажды собрались в странноватый, как будто разумный агломерат и задались вопросом: «Где же тогда искать эти другие вселенные, если они так нам нужны?»


Пена вселенных

Как водится, разные ученые под словом «Мультивселенная» понимают совершенно разные вещи. Одни ищут другие вселенные на бранах — многомерных объектах из теории струн, другие верят во вселенные, рожденные с обратной стороны черных дыр. А третьи предлагают присмотреться к рождению нашей собственной Вселенной, и пока их подход гораздо продуктивнее остальных.

О рождении нашего мира пока известно мало. Где, как, кто родители — никаких документов или свидетелей, способных рассказать о том, почему появилась наша Вселенная и было ли что-нибудь до нее, у нас нет. Но зато по некоторым особенностям взрослой Вселенной ученые могут предположить, что происходило буквально в первые моменты ее жизни, восстановить первый космический вдох мира.

Это называется теорией инфляции. В 80-е года прошлого века физики построили модель, по которой уже через 10-42 секунды после начала времени наша Вселенная начала расширяться так быстро, что за какие-то исчезающие доли секунды кусочек пространства размером с маленький, обласканный прибоем камушек растянулся до огромного видимого нам пузыря диаметром в миллиарды световых лет.

Тогда это пространство было наполнено только чистой энергией, которая непрерывно накачивалась откуда-то из неизвестного источника (ее тоже называют темной энергией, но, по-видимому, она несколько другой природы, чем современная темная), а потом энергия внезапно распалась и превратилась в кварки, фотоны, электроны и другие привычные нам частицы — это случилось через 10-36 секунды после рождения Вселенной, а сам Большой взрыв сейчас часто называют последствием инфляции.

Странно, но эта фантастическая теория неплохо описывает некоторые особенности нашей современной Вселенной, с которыми не могли справиться предыдущие модели:

— Почему видимая нам Вселенная плоская?

— Расширение шло так быстро, что радиус кривизны мира увеличился почти до бесконечности.

— Почему она однородна на больших космических масштабах?

— Вселенная родилась из маленького кусочка пространства, который за мимолетное время расширения просто никак не мог потерять однородность.

— Почему во Вселенной есть только небольшие локальные флуктуации плотности?

— Вселенная была настолько мала, что имела полное право называться квантовым объектом, а значит, в ней были квантовые флуктуации вакуума, подхваченные потом инфляцией и раздутые до первичных флуктуаций плотности материи, из которых за миллиарды лет последующей эволюции уже сформировались все крупные структуры.

Результат моделирования крупномасштабной структуры Вселенной. Светлым показаны скопления галактик, а также облака газа и квазары, темным — разделяющие их пустоты. Изображение: Andrew Pontzen and Fabio Governato / CC BY 3.0

В этой истории рождения Вселенной как всегда много фундаментальных вопросов: из-за чего началась инфляция, что ее подпитывало, почему она закончилась. Ученые ищут на них ответы, но часто вместо этого получают совершенно неожиданные результаты. Так, один из главных авторов теории инфляции советский физик Андрей Линде (сейчас он уже давно живет и работает в США) в 1983 году сформулировал теорию хаотической инфляции, в которой показал, что невероятное расширение пространства совсем не обязано заканчиваться в других частях нашего мира и уж точно вряд ли происходило только один-единственный раз.

По Линде весь мир — это Мультивселенная, огромное, безграничное пространство, заполненное загадочной энергией, которая в любой случайный момент времени может сгуститься в крошечной точке, чтобы инфляцией раздуть ее до гигантского пузыря Вселенной с начинкой из разнообразной эволюционирующей материи. Так могла родиться наша Вселенная, а параллельно где-нибудь неподалеку от нее — всего в нескольких триллионах световых лет — мог сгуститься один, второй, третий пузырь иных вселенных.

В теории инфляции гипотеза Мультивселенной выглядит уже не уловкой, единственным удобным выходом из дилеммы фатальной случайности и замысла, а получается логическим математическим путем: если человек принимает теорию инфляции, то он должен принять и другие вселенные. Не всем это нравится. Например, американский космолог Пол Стейнхардт, который участвовал в проработке некоторых деталей теории инфляции, после выхода на сцену других вселенных разочаровался в своих взглядах и теперь говорит, что Мультивселенная просто похоронила его любимую теорию.

Многие его коллеги более романтичны и для всей этой истории придумали даже красивую метафору «пены вселенных»: морской берег и волны в безвестной дали, шум прибоя, треск цикад — мы живем в маленьком пузырьке посреди огромной Мультивселенной.


Смутные воспоминания

Увидеть, услышать, почувствовать иные вселенные непросто. Другие законы физики, другие константы — быть может, даже не подозревающие об электромагнитных волнах, на которых построено наше зрение, — наконец, огромные расстояния между разными пузырями вселенных. Получить сигнал о том, что прямо сейчас происходит в параллельном мире, кажется просто нереальным, но можно поступить по-другому — заглянуть в прошлое. Как континенты, разделенные океанами, хранят следы общего прошлого в узорах береговых линий, так и данные о прошлом нашей Вселенной могут скрывать другие миры. Поэтому в поисках других вселенных ученые пристально смотрят на реликтовое излучение — первое воспоминание нашей собственной Вселенной.

Сразу после окончания инфляции Вселенная была заполнена настолько горячим и плотным веществом, что фотоны не могли пройти через него далеко и постоянно рассеивались и переизлучались. Будь в том мире разумный наблюдатель (способный жить при невероятно высоких температурах и с целым букетом других космических ограничений), он бы видел только то, что происходит в непосредственной близости от него. Но Вселенная постепенно расширялась и остывала, и спустя 300 тысяч лет после Большого взрыва Вселенная внезапно стала прозрачна для света на больших расстояниях.

Реликтовое излучение — это первые фотоны, излученные тогда в самых далеких уголках Вселенной и спустя миллиарды лет наконец дошедшие до Земли. Мы не знаем, как и где родилась наша Вселенная, но зато можем разглядывать это первое воспоминание, выходящее из-под завесы младенческого беспамятства, чтобы в нем отыскать смутные отзвуки пропавших братьев и сестер нашего мира.

Карта реликтового излучения, построенная по данным спутника WMAP. Красные цвета изображают горячие области, а синие — холодные. Изображение: NASA / WMAP Science Team / Wikimedia Commons / Public Domain

Реликтовое излучение почти полностью однородно: из каждой точки удаленной Вселенной к нам приходит равномерный тепловой шум, как от тела с температурой 2,7 К. Однако в этом сигнале все-таки есть крошечные флуктуации — небольшие перепады температуры, которые считают своеобразным отпечатком самых первых квантовых флуктуаций плотности вещества, посеянных во время инфляции. В этих неоднородностях и пытаются найти свидетельства Мультивселенной.

Здесь есть две основные стратегии. Одни ученые ищут следы физического столкновения двух пузырей вселенных. Другие прибегают к более сложным логическим конструкциям. Например, американский космолог Лаура Мерсини-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) считает, что соседние вселенные в первые моменты своего существования не только подчинялись законам квантовой механики, но и были квантово запутанными между собой, поскольку родились в общем пространстве Мультивселенной — их характеристики зависели друг от друга.

В 2008 году Мерсини-Хоутон вместе с коллегами даже сформулировала девять признаков такой созависимости, которые можно отыскать с помощью различных физических наблюдений. Восемь из них приходятся на реликтовое излучение (например, в нем должна быть асимметрия между южной и северной полусферами неба), а девятым свидетельством Мультивселенной должен был стать провал гипотезы суперсимметрии в экспериментах на Большом адронном коллайдере.

Дальше все развивалось несколько противоречиво. В одних работах можно найти экспериментальные подтверждения каждому из девяти признаков, а в других — их опровержения. Например, гипотеза Мультивселенной по выводам Мерсини-Хоутон автоматически означает наличие так называемого темного потока — согласованного движения большой группы галактик, а мнения разных экспериментальных групп по этому вопросу сильно отличаются: одни показывают, что данные реликтового фона темный поток подтверждают, а другие — наоборот, опровергают. Так что реликтовое воспоминание пока кажется все-таки слишком размытым, чтобы делать по нему достоверные выводы о родственниках нашего мира.

Мультивселенная пока остается только симпатичной гипотезой, помогающей разобраться с некоторыми противоречиями и одновременно насладиться волнующей перспективой. Там, где-то в ласковой пене Мультивселенной, существовал или прямо сейчас существует другой пузырь разреженной материи — со своей галактикой Млечный Путь, Солнечной системой и своим Иоганном Кеплером, мечтающим о небесной гармонии. Красиво, завораживающе и в высшей степени под вопросом — как легенды об Атлантиде и других затонувших материках.


Вне зоны доступа

Самая показательная история здесь — это случай с реликтовым холодным пятном, большой областью в созвездии Эридан, температура излучения которой на 70 микрокельвинов меньше средней температуры реликтового излучения. Это совсем немного для значения в 2,7 кельвина, но почти в четыре раза больше средних флуктуаций температуры по всему реликтовому излучению, которые составляют около 18 микрокельвинов.

Холодное пятно было в списке Мерсини-Хоутон, но позже другие ученые нашли ему интерпретацию попроще. Аномалия реликтового фона объяснялась гигантским супервойдом протяженностью в 1,8 миллиарда световых лет — областью, лишенной галактик или других крупных скоплений материи, расположенной на пути света, бегущего от холодного пятна к Земле.

Однако в этом году группа астрофизиков из Даремского университета заявила, что такое рациональное объяснение нереально. Ученые собрали данные о семи тысячах галактик в окрестностях холодного пятна и показали, что характер их движения полностью исключает возможность существования гигантского супервойда. Вместо этого данные указывают, что эта область заполнена маленькими войдами, разделенными галактиками и скоплениями галактик.

Однако эта структура, в отличие от отвергнутого супервойда, объясняет холодное пятно уже с большим трудом: по подсчетам исследователей, есть всего один шанс из пятидесяти, чтобы при такой расстановке масс в реликтовом излучении могла случайно получиться такая аномалия.

Вселенная в пределах ближайших 500 млн световых лет от Земли. Предполагаемая протяженность войдов не превышает 100 млн световых лет. Протяженность супервойда, которым объяснялось холодное реликтовое пятно, составляла 1,8 млрд световых лет. Изображение: Richard Powell / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5

И тут показательна реакция авторов исследования на необъяснимое: «Самое впечатляющее следствие нашей работы в том, что холодное пятно, возможно, вызвано столкновением нашей Вселенной с пузырем другой вселенной. Если в дальнейшем анализ реликтового излучения это подтвердит, то холодное пятно может быть принято как первое свидетельство Мультивселенной». Моментальный, кажется, почти рефлекторный ход: не видишь способа объяснить данные законами этого мира — задействуй Мультивселенную. Магнетической силы притяжения идея, почти недоступная строгой проверке.

Впрочем, все ли, что существует в реальности, должно иметь надежное воплощение в цифрах и измерениях? Если миллиарды лет спустя в нашей Вселенной вдруг станет еще немного больше темной энергии, чем сейчас, то ускоренное расширение пространства начнет растаскивать даже гравитационно связанные между собой объекты — например, соседние галактики. И в один прекрасный день за горизонт небытия уйдет последняя звезда за пределами Млечного Пути. Свет других галактик больше никогда не заблестит на ночном небосклоне. Вряд ли тогда наши отдаленные потомки поверят, что в мире существуют Большие и Малые Магеллановы облака, галактика Андромеды и тем более GN-z11 — красноватая точка на самой границе видимого сегодня мира.

Михаил Петров
Теги:

Читать еще на Чердаке: