Де і навіщо шукають інші всесвіти
У світах, настільки віддалених
Планети, зірки, галактики - людина давно вдивляється в нічне небо в пошуках інших світів, але тепер ставки підвищилися. Вченим стало тісно в рідній реальності, і вони шукають ознаки інших всесвітів в реліктовому випромінюванні - найстарішому сигналі, випущених через тисячоліття Великого вибуху. Навіщо це потрібно і що вже вийшло - в матеріалі «Чердака».
Ця галактика - найвіддаленіший від Землі астрономічний об'єкт, який фіксували люди. Світло, спійманий «Хабблом», GN-z11 випустила 13,4 млрд років тому, задовго до появи Сонячної системи - на зорі формування Всесвіту. Так давно, що за час космічної подорожі цього сигналу сама галактика через розширення Всесвіту втекла від нас на відстань більше 30 млрд світлових років.
GN-z11 - наш форпост на кордоні з космічної невідомістю. Всесвіт існує близько 13,8 млрд років, а світло GN-z11 народився через 400 мільйонів років після Великого вибуху. Якщо перевести всю історію Всесвіту на 24 години земних діб - це десь о пів на першу ночі. Тому побачити об'єкти, віддалені від Землі набагато далі GN-z11, нереально - світло навіть найперших секунд їх існування до нас не дійшов.
Що знаходиться за цією завісою часу, можна тільки гадати. Швидше за все, там теж є свої галактики, місяця і атоми, розділені нескінченними пустками і закручені тими ж (або трохи іншими) законами фізики.
Здавалося б, який простір для фантазії. Забратися на віддалений мис на краю світу і під шум прибою уявляти собі іншу Землю, населену людьми. Вони в трильйони світлових років від нас, там, посеред іншого мовчання Всесвіту, теж думають, що самотні в цьому світі, і ще не знають, що одного разу наші самотності зустрінуться. Але вченим мало таких фантазій - замість звісток з інших космічних континентів нашого світу вони шукають на нічному небі щось інше. Ознаки інших всесвітів і інших світів.
GN Z-11, найбільш віддалена від Землі доступна спостереженню галактика. Зображення: NASA, ESA, and P. Oesch (Yale University) / CC BY 4.0
небесна гармонія
Йоганн Кеплер, німецький астроном, який жив на рубежі XVI і XVII століть, був схиблений на одній дивної ідеї: він вважав, що в шести планетах Сонячної системи, відомих в його час, ідеально втілюється гармонія божественного задуму. Він обробляв дані спостережень іншого астронома, Тихо Браге, і намагався звести траєкторії планет до п'яти «платоновим тіл» - правильним многогранників, описаним ще древніми греками.
Минуло кілька років, і космічна краса Кеплера кілька зблякла. Спочатку критики помітили, що небесні сфери і багатогранники вписуються один в одного неакуратно, а потім сам Кеплер показав, що орбіти планет являють собою не окружності, а еліпси, і, розчарований своїми минулими ідеями, переключився на іншу задачу: тепер він шукав зашифровану небесну гармонію в величинах цих еліпсів.
Але час розставив все по місцях: ні в формах орбіт, ні в їх розмірах не знайшлося ніяких зашифрованих закономірностей, що приховують справжню природу речей. Тільки хаос космічного пилу, що зібралася в випадкові згустки матерії. Імпровізація природи з єдиним правилом - не забувати про всесвітнє тяжіння і кілька інших законів, що описують світ.
Модель Сонячної системи, побудована на правильних многогранниках. Малюнок з книги Mysterium Cosmographicum. Фото: ETH-Bibliothek Zürich / Public Domain
У фізичних рівняннях зустрічаються різні константи, значення яких не можна вивести з інших законів, а можна тільки запам'ятати. Швидкість світла, постійна Планка, елементарний заряд - дивні незграбні числа, ніби звалилися на нас з нізвідки. Справжній фатум.
Багатьом людям це не до душі, і вони намагаються знайти констант пояснення. Хтось за браком математичної освіти шукає таємні шифри природи, інші - пишуть складні рівняння теорії струн і квантової гравітації, щоб отримати значення постійних з інших законів, а треті просто витісняють це питання куди-небудь подалі зі своєї свідомості, щоб не повторити помилку Кеплера , все життя шукав розумне пояснення випадковості.
Але нічим хорошим ці стратегії поки не обертаються. Вивести константи ні у кого поки не виходить, а мовчазно вважати їх значення простою випадковістю трохи дивно: вони занадто добре підібрані один під одного. Взяти ту ж темну енергію: будь її трохи менше, ніщо б не завадило гравітації схлопнуться всю матерію в одну нескінченно щільну сингулярність. а трохи більше - і під впливом темної енергії розширювалися б не тільки вільні від матерії, порожні ділянки Всесвіту, але і всі небесні тіла, атоми яких поступово розтеклися б по всьому світу.
Така тонка настройка фундаментальних констант ставить перед незвичайним вибором: наш світ і його закони стають в першому наближенні або неймовірною випадковістю, або наслідком розумного задуму. Одним із способів обійти цю дилему може бути гіпотеза мультивселенной, по якій в реальному світі існує набагато більше, можливо навіть нескінченне число різних всесвітів, і в кожній з них діють свої закони фізики зі своїми наборами констант: десь вони абсолютно не підходять для зародження розумного життя, а де-то неначе спеціально підігнані під те, щоб мільйони атомів матерії одного разу зібралися в дивний, як ніби розумний агломерат і задалися питанням: «де ж тоді шукати ці інші всесвіти, якщо вони так нам нуж ни? »
піна всесвітів
Як водиться, різні вчені під словом «Мультивсесвіт» розуміють абсолютно різні речі. Одні шукають інші всесвіти на сваряться - багатовимірних об'єктах з теорії струн, інші вірять у всесвіти, народжені із зворотного боку чорних дір. А треті пропонують придивитися до народження нашої власної Всесвіту, і поки їх підхід набагато продуктивніше інших.
Про народження нашого світу поки відомо мало. Де, як, хто батьки - ніяких документів або свідків, здатних розповісти про те, чому з'явилася наш Всесвіт і чи було що-небудь до неї, у нас немає. Але зате по деяких особливостей дорослої Всесвіту вчені можуть припустити, що відбувалося буквально в перші моменти її життя, відновити перший космічний вдих світу.
Це називається теорією інфляції. У 80-і роки минулого століття фізики побудували модель, за якою вже через 10 -42 секунди після початку часу наш Всесвіт початку розширюватися так швидко, що за якісь зникаючі частки секунди шматочок простору розміром з маленький, обласканий прибоєм камінчик розтягнувся до величезного видимого нам міхура діаметром в мільярди світлових років.
Тоді це простір був наповнений лише чистою енергією, яка безперервно накачувалася звідкись із невідомого джерела (її теж називають темною енергією, але, мабуть, вона дещо інший природи, ніж сучасна темна), а потім енергія раптово розпалася і перетворилася в кварки , фотони, електрони і інші звичні нам частки - це сталося через 10 -36 секунди після народження Всесвіту, а сам Великий вибух зараз часто називають наслідком інфляції.
Дивно, але ця фантастична теорія непогано описує деякі особливості нашої сучасної Всесвіту, з якими не могли впоратися попередні моделі:
- Чому видима нам Всесвіт плоска?
- Розширення йшло так швидко, що радіус кривизни світу збільшився майже до безкінечності.
- Чому вона однорідна на великих космічних масштабах?
- Всесвіт народився з маленького шматочка простору, який за швидкоплинне час розширення просто ніяк не міг втратити однорідність.
- Чому у Всесвіті є тільки невеликі локальні флуктуації щільності?
- Всесвіт була настільки мала, що мала повне право називатися квантовим об'єктом, а значить, в ній були квантові флуктуації вакууму, підхоплені потім інфляцією і роздуті до первинних флуктуацій щільності матерії, з яких за мільярди років подальшої еволюції вже сформувалися всі великі структури.
Результат моделювання великомасштабної структури Всесвіту. Світлим показані скупчення галактик, а також хмари газу і квазари, темним - розділяють їх порожнечі. Зображення: Andrew Pontzen and Fabio Governato / CC BY 3.0
За Лінде весь світ - це Мультивсесвіт, величезна, безмежний простір, заповнене загадкової енергією, яка в будь-який випадковий момент часу може згуститися в крихітній точці, щоб інфляцією роздути її до гігантського міхура Всесвіту з начинкою з різноманітною еволюціонує матерії. Так могла народитися наш Всесвіт, а паралельно десь неподалік від неї - всього в декількох трильйонів світлових років - міг згуститися один, другий, третій міхур інших всесвітів.
В теорії інфляції гіпотеза мультивселенной виглядає вже не прийомом, єдиним зручним виходом з дилеми фатальною випадковості і задуму, а виходить логічним математичним шляхом: якщо людина приймає теорію інфляції, то він повинен прийняти і інші всесвіти. Не всім це подобається. Наприклад, американський космолог Пол Стейнхардт, який брав участь в опрацюванні деяких деталей теорії інфляції, після виходу на сцену інших всесвітів розчарувався в своїх поглядах і тепер говорить, що Мультивсесвіт просто поховала його улюблену теорію.
Багато його колеги більш романтичні і для всієї цієї історії придумали навіть красиву метафору «піни всесвітів»: морський берег і хвилі в невідомої дали, шум прибою, тріск цикад - ми живемо в маленькому бульбашці посеред величезної мультивселенной.
смутні спогади
Побачити, почути, відчути інші всесвіти непросто. Інші закони фізики, інші константи - можливо, навіть не підозрюючи про електромагнітні хвилі, на яких побудовано наш зір, - нарешті, величезні відстані між різними бульбашками всесвітів. Отримати сигнал про те, що прямо зараз відбувається в паралельному світі, здається просто нереальним, але можна вчинити по-іншому - заглянути в минуле. Як континенти, розділені океанами, зберігають сліди спільного минулого в узорах берегових ліній, так і дані про минуле нашого Всесвіту можуть приховувати інші світи. Тому в пошуках інших всесвітів вчені пильно дивляться на реліктове випромінювання - перша згадка нашої власної Всесвіту.
Відразу після закінчення інфляції Всесвіт була заповнена настільки гарячим і щільним речовиною, що фотони не могли пройти через нього далеко і постійно розсіювалися і перєїзлучать. Будь в тому світі розумний спостерігач (здатний жити при неймовірно високих температурах і з цілим букетом інших космічних обмежень), він би бачив тільки те, що відбувається в безпосередній близькості від нього. Але Всесвіт поступово розширювалася і остигала, і через 300 тисяч років після Великого вибуху Всесвіт раптово стала прозора для світла на великих відстанях.
Реліктове випромінювання - це перші фотони, випроменені тоді в найвіддаленіших куточках Всесвіту і через мільярди років нарешті дійшли до Землі. Ми не знаємо, як і де народилася наша Всесвіт, але зате можемо розглядати це перший спогад, що виходить з-під завіси дитячого безпам'ятства, щоб в ньому відшукати смутні відзвуки зниклих братів і сестер нашого світу.
Карта реліктового випромінювання, побудована за даними супутника WMAP. Червоні кольори зображують гарячі області, а сині - холодні. Зображення: NASA / WMAP Science Team / Wikimedia Commons / Public Domain
Реліктове випромінювання майже повністю однорідно: з кожної точки віддаленої Всесвіту до нас приходить рівномірний тепловий шум, як від тіла з температурою 2,7 К. Однак в цьому сигналі все-таки є крихітні флуктуації - невеликі перепади температури, які вважають своєрідним відбитком найперших квантових флуктуацій щільності речовини, посіяних під час інфляції. У цих неоднорідностях і намагаються знайти свідоцтва мультивселенной.
Тут є дві основні стратегії. Одні вчені шукають сліди фізичного зіткнення двох бульбашок всесвітів. Інші вдаються до більш складним логічним конструкціям. Наприклад, американський космолог Лаура Мерсін-Хоутон (Laura Mersini-Houghton) вважає, що сусідні всесвіти в перші моменти свого існування не тільки підпорядковувалися законам квантової механіки, а й були квантово заплутаними між собою, оскільки народилися в загальному просторі мультивселенной - їх характеристики залежали друг від друга.
Далі все розвивалося дещо суперечливо. В одних роботах можна знайти експериментальні підтвердження кожному з дев'яти ознак, а в інших - їх спростування. Наприклад, гіпотеза мультивселенной за висновками Мерсін-Хоутон автоматично означає наявність так званого темного потоку - узгодженого руху великої групи галактик, а думки різних експериментальних груп з цього питання сильно відрізняються: одні показують, що дані реліктового фону темний потік підтверджують. а інші - навпаки, спростовують. Так що реліктове спогад поки здається все-таки занадто розмитим, щоб робити по ньому достовірні висновки про родичів нашого світу.
Мультивсесвіт поки залишається тільки симпатичною гіпотезою, що допомагає розібратися з деякими суперечностями і одночасно насолодитися хвилюючою перспективою. Там, десь в ласкавою піні мультивселенной, існував або прямо зараз існує інший міхур розрідженій матерії - зі своєю галактикою Чумацький Шлях, Сонячною системою і своїм Іоганном Кеплером, що мріють про небесної гармонії. Красиво, заворожуюче і надзвичайно під питанням - як легенди про Атлантиду і інших затонулих материках.
Поза зоною досяжності
Найпоказовіша історія тут - це випадок з реліктовим холодним плямою, великою областю в сузір'ї Ерідан, температура випромінювання якої на 70 мікрокельвіна менше середньої температури реліктового випромінювання. Це зовсім небагато для значення в 2,7 Кельвіна, але майже в чотири рази більше середніх флуктуацій температури по всьому реліктовому випромінюванню, які становлять близько 18 мікрокельвіна.
Холодне пляма було в списку Мерсін-Хоутон, але пізніше інші вчені знайшли йому інтерпретацію простіше. Аномалія реліктового фону пояснювалася гігантським супервойдом протяжністю в 1,8 мільярда світлових років - областю, позбавленої галактик або інших великих скупчень матерії, розташованої на шляху світла, що біжить від холодного плями до Землі.
Однак в цьому році група астрофізиків з Даремського університету заявила. що таке раціональне пояснення нереально. Вчені зібрали дані про сім тисяч галактик в околицях холодного плями і показали, що характер їх руху повністю виключає можливість існування гігантського супервойда. Замість цього дані вказують, що ця область заповнена маленькими Увійдіть, розділеними галактиками і скупченнями галактик.
Однак ця структура, на відміну від відкинутого супервойда, пояснює холодна пляма вже з великими труднощами: за підрахунками дослідників, є всього один шанс з п'ятдесяти, щоб при такій розстановці мас в реліктовому випромінюванні могла випадково вийти така аномалія.
Всесвіт в межах найближчих 500 млн світлових років від Землі. Передбачувана протяжність Увійдіть не перевищує 100 млн світлових років. Протяжність супервойда, яким пояснювалося холодну реліктове пляма, становила 1,8 млрд світлових років. Зображення: Richard Powell / Wikimedia Commons / CC BY-SA 2.5
Втім, чи всі, що існує в реальності, має мати надійне втілення в цифрах і вимірах? Якщо мільярди років тому в нашому Всесвіті раптом стане ще трохи більше темної енергії, ніж зараз, то прискорене розширення простору почне розтягувати навіть гравітаційно пов'язані між собою об'єкти - наприклад, сусідні галактики. І в один прекрасний день за горизонт небуття піде остання зірка за межами Чумацького Шляху. Світло інших галактик більше ніколи не заблищить на нічному небокраї. Навряд чи тоді наші віддалені нащадки повірять, що в світі існують Великі і Малі Магелланові хмари, галактика Андромеди і тим більше GN-z11 - червона точка на самому кордоні видимого сьогодні світу.