История развития и современное состояние идеи мультивселенной

Введение

В реферате рассматривается физическая теория мультивселенной – мира, который состоит из множества вселенных, в котором наша является лишь одной из многих. После основополагающей теории Эйнштейна первыми крупными достижениями стали теория суперструн и теория М-вселенной. В этих и других теориях приводятся доказательства того, что наша Вселенная является одной из многих.
В современной науке нет общепринятого взгляда и определения параллельных миров. Сделать это очень сложно, если учесть что в ученых возникают споры даже по определению нашего пространства, не говоря уже о других мирах. Чаще всего в классической физике идут теоретические споры о количестве мерностей нашей Вселенной.
Главной задачей исследований в теоретической физике является формулировка теории «обобщения» - теории в которой все известные физические законы будет соединены в единственную математическую схему. Самый распространенный прецедент на «обобщенную» теорию – М-теория; менее распространенная – квантовая теория гравитации.
Более столетия наукой допускается возможность существования миров, которые не воспринимаются органами чувств человека. О существовании подобных миров люди утверждали давно – мир призраков, духов и т.д.
С 20-хх годов ХХ ст. физики пытались объяснить одно «неудобное» открытие, когда пытались обозначить точное место положения атомных частиц, например, электрона, то выяснилось что точного места положения у таких частиц нет, частица может находиться в более чем одном месте. Объяснение этого заключается в том, что частицы существуют не только в нашей Вселенной, а переходят между различными Вселенными.
Этих параллельных вселенных великое множество и все они слегка различаются. Идея была столь смела, что многие ученые отвергали ее десятилетиями, но со времен пришлось принять эту теорию.

1 История создания и развития идеи мультивселенной
Альберт Эйнштейн последние 30 лет жизни поиску так называемой теории поля – теория, которая объединяла взаимодействия, которые существуют в природе, в единую непротиворечивую всеобъемлющую систему. В этом поиске Эйнштейном двигала вера в возможность достигнуть основы мировоздания, проникнуть в глубь, открыть тайну принципов лежащих в его основе [1,. с. 20-24].
В ХХ веке предпринималось множество попыток построить обобщенную теорию – «теорию всего», на подобно теориям созданным в эпохи Ньютона и Аристотеля. Общая теория относительности показала, что для создания такой теории можно использовать теорию Клиффорда о тождественности геометрии пространства и сил природы. Такую задачу по построении единой теории поля (перед собой и другими учеными) поставили в 1918 году Герман Вейль, Артур Эддингтон, Альберт Эйнштейн. В том же году свой вариант единой теории предложил Вейль, через пять год – Эйнштейн. Эти варианты «теории всего» были раскритикованы учеными.
В 1919 году Вейль сформулировал принципы, которые широко использовались при построении подобных теорий: описания сил природы не должно меняться при любых изменениях линейных размеров и временных масштабов. (принцип калибровочной инвариантности или Т-дуализм). В том же году Теодор Калуца, физик с Кенигсбергского университета, предложил Эйнштейну новый подход: рассматривать взаимодействия как искривление пространства с разной метрикой. Он показал, что гравитационное и электромагнитное поля объединяются в единую гравитацию в предположении пятимерности пространства. Электромагнитное поле в его теории – это проявление в нашем мире геометрии четвёртого пространственного измерения (пять измерений получается вместе со временем). В 1921 г. Калуца наконец опубликовал свою теорию. В 1926 г. швед Оскар Клейн сумел объяснить, почему мы непосредственно не наблюдаем дополнительное измерение Калуцы. Клейн предположил, что точка трёхмерного пространства - это крохотная окружность в четвёртом пространственном измерении. Другими словами, дополнительное измерение свёрнуто до очень маленьких (на много порядков меньше атомного ядра) размеров и поэтому мы его не наблюдаем. Подход, предложенный Калуцей и Клейном, не был особенно популярен (если не сказать вовсе забыт) до конца 1970-х годов.
В конце 1950-х профессор Принстонского университета Джон Уилер (успевший плодотворно поработать во многих областях физики) выдвинул вариант антропного принципа: Вселенная становится реальной только в момент её наблюдения, до того пребывая в виртуальном состоянии. Этот вариант довольно точно отражает взгляды философов-идеалистов Иммануила Канта, относящиеся к XVIII веку, и Эрнста Маха, соответственно из XIX века. Уилер утверждал, что мы воспринимаем не Вселенную, а её пространственно-временной срез. Прошлое становится реальным, только когда становится прошлым в сознании наблюдателя, расставляющего события во временном порядке. «Наблюдатель так же необходим для сотворения Вселенной, как Вселенная для сотворения наблюдателя». Несколько позже Уилер начал разрабатывать свой вариант «теории всего», основанной на геометрии пространства. В его теории, например, заряженная частица представляет собой один из торцов трубки – «кротовой норы» - проходящей в другом пространственном измерении. Другой конец - частица с противоположным зарядом. Эта теория не описывала частицы с нулевым зарядом. Она тоже потерпела неудачу [6, с. 32].
В Дублине, в 1952 году Шредингер прочел лекцию, в которой шутя предупредил слушателей о том, что сказанное им может «показаться сумасшедшим». Он сказал, что составленные им уравнения нескольких разных процессов «не альтернативными, но происходящими одновременно» («not alternatives, but all really happen simultaneously»). Это самая первая известная отсылка к теории [2, с. 1].
Структура мультивселенной определяется природой вселенных, входящих в ее состав и отношением между ними. Иногда противоречащие друг-другу и известным знаниям, а также более серьезные гипотезы и трактовки теории выдвигались как в космологии, физике, астрономии, так и в религии, философии, литературе (особенно в жанрах научной фантастики), а также других видах наук.
Только в 1967 г. таким теоретикам как Абдус Салам удалось предложить работоспособную теорию, объединяющую слабое ядерное взаимодействие с электромагнетизмом. Примерно тогда же появилась теория струн (Габриэль Венециано, Майкл Грин и др.), описывающая взаимодействие кварков. Для кварков она в итоге не подошла, но идеи и математический аппарат вскоре пригодились для построения новой, самой удачной на сегодняшний день «теории всего» или квантовой гравитации. Здесь как никогда пригодились также идеи Калуцы и Клейна.
Квантовая струна - нематериальный одномерный объект, существующий в десяти пространственных измерениях. Вибрации (колебания, октавы) этих объектов и описывают всё разнообразие проявлений материального мира. Элементарная частица - это форма колебания струны.
Современной науке известен примерно десяток независимых фундаментальных физических констант. Не смотря на независимость, они имеют так называемую тонкую подстройку: даже немного изменив значение любой из них, мы разрушим нашу Вселенную, точнее, сделаем её непригодной для существования человека. Физические константы словно специально настроены таким образом, чтобы обеспечить идеальную среду для нашего существования. Чтобы объяснить этот феномен, учёные придумали антропный принцип, согласно которому Вселенная такова потому, что мы её наблюдаем, и если бы она была другой, её попросту некому было бы наблюдать. Впервые подобный принцип сформулировал английский натуралист Альфред Уоллес (Wallace, тот, что открыл естественный отбор в биологии) в работе «Место человека во вселенной».

2 Современные теории мультиверса
На сегодня в физике насчитывается девять основных теорий мультиверса [11, с.24]. Но необходимо отметить, что не все теории относятся к физике и не все теории действительно предполагают существование мультивселенной. Под мультивселенной мы будем подразумевать множество миров, среди которых существуют идентичны нашему.
Идея существования множества вселенных (параллельные миры, мультиверс) – одна с научных гипотез, согласно которой существуют другие вселенные помимо нашей. Подобные гипотезы выдвигались независимо одна от одной в рамках различных научных концепций. Это многомировая интерпретация квантовой механики, гипотеза лоскутной мультивселенной, выдвинутая в рамках теории относительности, инфляционная космология, ряд подходов к мультивселенной, сформированных в рамках теории струн, голографическая вселенная и др.
Невозможность концептуального решения трудностей научных теорий стала причиной выдвижения таких теорий. Например, в квантовой механике измерения, сопровождаются неопределенностью Гейзенберга (невозможностью точно определить положения частицы в пространстве и ее импульс). Многомировая интерпретация дает возможность рассматривать измерения детерминестически, принимая неопределенность как завершение теории [12, с. 25]. Еще одним затруднением физики является проблема свободных параметров. Это проблема, которая состоит в том, что некоторые ксперементально измеряемые параметры (значения постоянных взаимодействия, таких как заряд электрона, масса элементарных частиц) не могут быть получены с теоретических расчётов, а определяются только экспериментально. Небольшие различия значений параметров фундаментальных констант делает невозможным существование Вселенной в нынешнем виде.
Для объяснения тонкой подстройки параметров Вселенной необходимо принимать ненаучный принцип целесообразности, который можно объяснить с трех точек зрения. Согласно Дираку постоянные эволюционируют со временем, т.е. значения свободных параметров благоприятны для существования сложных структур. Эта гипотеза дала возможность провести ряд измерений которые дают противоречивые результаты. Астрофизические измерения показывают переменность тонкой постоянной струны на космических масштабах. Изучение порядка 150 квазаров, которые находятся на расстояниях порядка 11 млрд световых лет дало оценку изменения тонкой струны порядка 10-15 в год.
Исследования показали, что эволюция открытых параметров крайне незначительна. Возможная переменность этих постоянных на уровне 10-14 в год исключена квантово-оптическим экспериментом. Приведенный результат согласуется с постоянным во времени масштабом, но допускает его переменность на уровне 10-15 в год. Гипотетическая переменность постоянных во времени довольно медленная. Это утверждение относится к физическим постоянным, которые измерены с высокой точностью – к постоянной тонкой струны и массе электрона. Стабильность гравитационной постоянной известна на уровне 10-14 в год. Пределы относительной переменности массы электронов и тонкой струны известны на уровне 10-15 в год [14, с 154].
Возможно скорость изменения открытых параметров меняется во времени, в начальный период эволюции Вселенной скорость изменения постоянных была выше. Сейчас теории, которая описывает скорость эволюции постоянных не существует, хотя она могла бы дать информацию о начальных периодах эволюции Вселенной. В настоящее время неизвестно, какую роль играют фундаментальные постоянные, но они могли бы быть мостом между начальными граничными условиями и локальными законами природы. Некоторые физики предполагают, что часть фундаментальных постоянных являются космически случайными числами, значения которых фиксируются деталями Большого взрыва. Вычислить значения фундаментальных постоянных в этом случае невозможно [15, с. 35].
Другой подход к решению проблемы свободных параметров следует из принципа целесообразности, - гипотеза множества вселенных. Исходя с этой гипотезы, разные вселенные отличаются своим значениям параметров

. Остается еще возможность интерпретации неустойчивости структуры Мегагалактики относительно значений фундаментальных констант – в соответствии со сценарием инфляционной космологии допустить множественность Мегагалактик, которые имеют свои фундаментальные постоянные. Структура Мегагалактики отобрала среди возможных те значения ,которые обеспечили бы ее возникновения [5, с 807].
Ситуация в современной науке стимулирует разработку различных моделей множественных вселенных. Существующие теории можно классифицировать на разработанные на основе Великого объединения и выдвинутые на метафизических и теоретических основаниях. Одна группа имеет в основе теорию относительности и квантовые теории, вторая – теорию струн и голографический принцип.

2.1 Теория лоскутного мультиверса
Расширение пространства, математически выведенное А. Фридманом, экспериментально установлено Э. Хабблом в 1929 г. по красному смещению галактик. Модели Фридмана предсказывали, что расширение Вселенной будет осуществляться либо равномерно, либо с замедлением. Однако в 1998 г. было открыто ускоренное расширение Вселенной, коорое предписывают некой диффузной энергии, наполняющей пространство. Следовательно, Вселенная расширялась и будет продолжать ускоренно расширяться.
Наблюдения не дают однозначного ответа на вопрос, конечна или бесконечна наша Вселенная. Если Вселенная бесконечна, ее большая часть находится за пределами видимого горизонта. Если принять возраст Вселенной примерно равным 13,7 млрд лет, то область наблюдательной Вселенной будет составлять 13,7 млрд световых лет плюс область, увеличивающаяся за счет расширения пространства. Однако максимальное расстояние, на которое мы можем заглянуть, на самом деле больше - примерно 41 миллиард световых лет [4, с.38]. Области Вселенной, находящиеся дальше, оказываются недоступными нашим наблюдениям, так как находятся за пределами нашего космического горизонта.
Принимая однородность Вселенной, аналогичные предположения можно сделать и для тех областей пространства, которые удалены от нас на достаточно большое расстояние. Достаточно удаленные космические горизонты отстоят друг от друга довольно далеко, чтобы взаимодействовать, поэтому они могут развиваться независимо. Если применить двумерную аналогию, такие удаленные области можно представить как лоскуты на одеяле. Если пространство имеет конечный размер, то и число независимых лоскутов будет конечным, в бесконечном же пространстве возможно бесконечное количество вселенных.
Поскольку число комбинаций конфигураций частиц, заполняющих пространство, конечно, в бесконечной Вселенной должны найтись абсолютно идентичные лоскутки, образующие двойников. Если применить редукционистский подход, согласно которому все физические и ментальные характеристики определяются расположением частиц и полей, то в глубинах космоса существует бесконечное количество наших двойников. Согласно редукционизму, все физические копии будут тождественны также и ментально.
С нашей точки зрения, представление о возможности существования в бесконечной Вселенной наших полных двойников на основе структурного сходства не учитывает, однако, квантовой неопределенности. Последняя проявляется в процессе функционирования сложных систем. В случае двойника, обладающего сознанием, нельзя гарантировать что процессы, протекающие в его психике, будут идентичными нашим, даже если на молекулярном уровне его структурное строение абсолютно идентично нашему. Дело в том, что мышление осуществляется посредством передачи нервных импульсов, а передача импульса в нервной системе опосредуется изменениями мембранного потенциала». Изменения мембранных потенциалов вызваны движением через клеточные мембраны ионов, перемещающихся через ионные каналы. Ионные каналы представляют собой встроенные в мембрану молекулы белка, которые образуют поры, проницаемые для ионов. Ионные токи регулируются через открытие и закрытие этих ионных каналов. Белковые молекулы не являются статическими структурами, химические связи постоянно колеблются относительно устойчивого состояния, что приводит к изменениям структуры молекул. Такие изменения, раз возникнув, могут длиться многие миллисекунды или даже секунды. Ионы могут проходить через канал только тогда, когда последний находится в открытом состоянии, но время открытого состояния варьирует случайным образом. Это значит, что передача нервных импульсов зависит от неопределенности микромира, а значит, функционирование каждой из структурно идентичных систем будет уникальным.
Тем не менее если принять универсальность физики в лоскутной мультивселенной, то строение областей пространства, находящихся за пределами космического горизонта, должно быть идентично наблюдаемому в нашей области: Следует думать, что количественные характеристики звезд и галактик должны определяться параметрами элементарных частиц, то есть, в конечном счете, мировыми постоянными [3, с. 39]. Данный подход не позволяет решить проблему свободных параметров, но он продуктивен для прогнозирования возможной структуры удаленных миров.
Так, если звезды в нашей Вселенной являются преимущественным способом существования светящейся барионной материи, они должны представлять собой энергетически выгодное состояние. Выгодным является положение теплового равновесия, а поскольку вещество в звездах ионизировано и подчиняется принципу Паули, его поведение определяется статистикой Ферми. Давление Ферми-газа настолько велико, что полное давление в плазме почти целиком определяется парциальным давлением электронов и практически не зависит от температуры, которая должна быть лишь ниже некоторой температуры вырождения. Теория внутреннего строения звезд, предложенная С. Чандрасекаром, предсказывает, что только звезды массой меньше 5,75 масс Солнца могут находиться в состоянии равновесия. В более тяжелых звездах идут термоядерные реакции, источники термоядерной энергии должны со временем исчерпываться, и звезды тяжелее 100 масс Солнца будут короткоживущими (около 1 млн лет). Верхний предел звездной массы определяется значением одной из фундаментальных постоянных - массой протона. Если бы не давление электронного газа, звезды могли бы сжиматься до гораздо больших плотностей. Теория внутреннего строения звезд позволяет описать радиус звездной конфигурации через фундаментальные постоянные и предсказывает, что структура удаленных частей
Вселенной в целом окажется идентичной структура видимой части нашей Вселенной.
Таким образом, гипотеза лоскутной мультивселенной развивается на основе общей теории относительности и квантовой механики. В отсутствие обоснованных космологических гипотез о структуре удаленной части пространства и механизме ускоренного расширения используются теории современной физики, что ведет к переносу методологических принципов из физики в космологию. В последней также используется основной космологический постулат: Вселенная на больших масштабах является однородной и изотропной. Следовательно, каждая лоскутная мультивселенная будет иметь ту же физику, что и наша Вселенная. Если мир состоит из элементарных частиц, то их свойства должны определять явления и закономерности астрономических объектов. Информация о вселенной приходит к нам в виде потока элементарных частиц фотонов, нейтрино, частиц высокой энергии (протоны, электроны, ионы), возникающими в радиотуманностях и радиогалактиках [3, с. 36].
Однако предположение о тождественности физических законов за пределами нашего горизонта не позволяет решить проблему открытых параметров. Экспериментальные наблюдения не детерминируют выбор конечного или бесконечного пространства. Также невозможно экспериментально установить наличие или отсутствие других вселенных за пределами космического горизонта. В целом для данного класса теорий характерно следование «бритве Оккама»: объяснить как можно большую совокупность астрофизических явлений на основе фундаментальных законов современной квантово-релятивистской физики, экстраполировать эти законы как можно дальше, в идеале - на все явления и процессы космической эволюции от ее начального момента - сингулярности вплоть до самого отдаленного будущего. Следует также отметить, что для данного вида расширения космологических теорий на область мультивселенной характерны механицизм и стремление к экстраполяции, свойственные механистической картине мира в целом [17, с. 80].

2.2 Инфляционная мультивселенная
Из моделей Фридмана и гипотезы Большого взрыва можно было сделать выводы о предполагаемых размерах Вселенной. Но видимый размер Вселенной значительно превосходил теоретически предсказанный моделями Фридмана. Для объяснения этого факта было сделано предположение об экспоненциальном расширении Вселенной, имевшем место на ранних этапах ее эволюции. Согласно квантово-механическому подходу для объяснения механизма экспоненциального расширения пространства постулируется гипотетическое поле инфлантона, заполняющее пространство потенциальной энергией. Это поле создает отрицательное давление. Гут подставил в уравнения Эйнштейна предполагаемые значения энергии инфлантона и давления, согласованные с экстремальными условиями ранней Вселенной. вычисления показали, что возникающее гравитационное отталкивание должно быть колоссальным. Оно на несколько порядков сильнее, чем гравитационное отталкивание, рассмотренное Эйнштейном [18, с. 61].
Потенциальная энергия поля инфлатона высвобождается в результате квантовых флюктуаций, что приводит к короткому (порядка 10-35 сек) и быстрому расширению, в ходе которого пространство увеличивается в 1030 раз, после чего энергия преобразуется в частицы. Отсюда следует, что область пространства, породившая наблюдаемую часть Вселенной, была достаточно мала и потому в ней могла установиться одинаковая температура. Это подтверждается высокой степенью однородности реликтового излучения.
В 1980-х годах инфляционный подход получил продолжение в области подходов к мультивселенной и получил название «новый сценарий». Основной проблемой теоретической космологии является объяснение появления из начального гомогенного состояния видимых неоднородностей и образования крупномасштабных структур. Первая версия нового сценария инфляционной модели основана на изучении фазового перехода с нарушением симметрии SU(5) х SU(3) х SU(2) х U(1). Но новый сценарий расширяющейся Вселенной не может полностью реализоваться в SU(5)-теории, потому что скалярное поле взаимодействует с частицами очень слабо. Для начала инфляции нужно было получить небольшую область неоднородностей в состоянии термодинамического равновесия ранней Вселенной, но долгое время не существовало реалистичного сценария, потому что частицы поля инфлантона взаимодействовали друг с другом и с другими полями очень слабо. С. Вайнберг пишет: «Переход из сверхохлажденной фазы исходного «ложного вакуума» в фазу «истинного вакуума» с более низкой энергией не может происходить повсеместно одновременно; это происходит местами, в маленьких пузырьках истинного вакуума, которые быстро расширяются и становятся фоном для ложного вакуума, в котором скалярные поля будут по-прежнему находиться в локальном минимуме, подобно капелькам воды, образующимся в переохлажденном водяном паре. Проблема в том, что скрытая теплота, высвобождаемая при фазовом переходе, сосредоточена на стенках, в то время как внутренность пузырьков остается пустой, поэтому единственное место концентрации энергии, которая впоследствии перейдет в современные составляющие Вселенной, будет в высшей степени неоднородно и анизотропно» [19, с. 240-241].
В конце периода инфляции был так называемый период разогрева, в ходе которого энергия поля инфлантона преобразовалась в вещество и энергию, но нет детальных представлений о механизме этого процесса.
Новый сценарий предполагает, что поле инфлантона определено во всех точках пространства