Почему ученые придумали теорию мультивселенной? Какие доказательства или что заставляет их прийти к ней?

Во всем виноват Эрвин Шредингер и его кот.

На самом деле, обвиняйте Эрвина Шредингера и его уравнение.

Давайте начнем с самого начала: Шредингер придумал это замечательное уравнение, которое описывает волновую фукцию квантово-механической системы:

И оно прекрасно работает! Это одно из самых проверенных уравнений в науке. Проблема в том, что мы не знаем, что оно означает.

Это уравнение немного похоже на механические законы Ньютона, но для квантовых частиц. Вы можете использовать его для предсказания будущих состояний частицы. Дело в том, что это волновая функция, где пики волны - это состояния с высокой вероятностью, а долины - состояния с низкой вероятностью. Но какое из них является таковым?

Это то, что вы видите в так называемом эксперименте с двойной щелью: направьте свет в две щели и поместите экран по другую сторону от них. Даже когда вы пускаете одиночные фотоны - или одиночные электроны - вы получаете интерференционную картину на экране, как будто волновая функция каждого фотона/электрона интерферирует с самой собой, выходящей из другой щели.

Одной из интерпретаций была "Копенгагенская интерпретация", предложенная Нильсом Бором и Вернером Гейзенбергом. Их идея заключается в том, что каждый исход волновой функции происходит одновременно до тех пор, пока не происходит наблюдение, при котором волновая функция сводится к одному исходу. Таким образом, фотон на самом деле проходит оба пути, через обе щели, где волновые функции от обеих щелей взаимодействуют друг с другом, и когда фотон попадает на экран, эта интерферирующая волновая функция сводится к одному исходу.

"Но это же абсурд!" воскликнул Шредингер, но по-немецки (или мне хотелось бы думать, что так оно и было), и создал знаменитую кошку как попытку показать, насколько это абсурдно, путем масштабирования квантового события, такого как распад атома, до кошки.

Возьмите кошку. Поместите его в коробку с радиоактивным образцом, датчиком, молотком, который упадет, если сработает датчик, и пузырек с ядом, который выльется, если молоток упадет. Например:

Настройте радиоактивный образец так, чтобы вероятность его распада через час составляла 50%. Затем закройте коробку и не открывайте ее! Если ее открыть, то волновая функция радиоактивного распада просто разрушится, и вы обнаружите мертвого или живого кота.

Самое интересное происходит до того, как вы откроете коробку: радиоактивный образец будет распадаться или не распадаться в одно и то же время согласно трактовки Копенгагена, что означает, что молоток будет падать и не падать в одно и то же время, и что кошка будет мертва и жива в одно и то же время.

Пытаться реализовать этот эксперимент в реальном мире было бы бессмысленно, поскольку вы хотите узнать, что происходит в коробке, не заглядывая в нее. Так что, по сути, этот эксперимент можно провести только в уме. Но он хорошо демонстрирует абсурдность концепции Копенгагенской интерпретации.

В 1950-х годах мы получаем второго автора: Хью Эверетта. Его идея заключалась в том, что можно пропустить много сложных математических вычислений коллапсирующих волновых функций, если просто предположить, что все возможные исходы происходят, но в отдельных временных линиях. Это стало известно как многомировая интерпретация квантовой механики.

Она намного проще, но также не менее абсурдна, чем "Копенгагенская интерпретация", серьезно ломает голову, и точно так же поддается проверке, как и "Копенгагенская интерпретация". Точно так же, как мы не можем открыть коробку и заглянуть внутрь, чтобы увидеть мертвую/не мертвую кошку, мы не можем заглянуть в коробку другой временной шкалы, чтобы узнать, выжила ли там кошка.

Но - и это важный момент - это привело к появлению термина "мультивселенная". В романе 1963 года "The Sundering World" автор научной фантастики и фэнтези Майкл Муркок - третий виновник торжества - собрал вместе всех своих разных героев в образе Вечного чемпиона, воплощения одного и того же героя в разных временных линиях, подобных Хью Эверетту. Он назвал эту концепцию "мультивселенной", и название прижилось.

Вы до сих пор со мной? Отлично, потому что теперь мы получим четвертого виновника: Альберт Эйнштейн.

На самом деле это не его заслуга: он просто придумал лучший способ описания гравитации, чем модель Ньютона. Все началось с того, что Эйнштейн задумался о скорости света - в частности, о том, почему она постоянна - и что это может означать. В результате он пришел к выводу, что если скорость света постоянна, то время и пространство должны различаться между разными системами отсчета. Если вы идете очень быстро, то ваши часы должны идти медленнее, чем мои, а ваше пространство должно казаться более плоским, чем мое, относительно моей системы отсчета, чтобы скорость света была постоянной. Это и есть специальная относительность.

И затем он сделал то же самое для гравитации: он заявил, что если вы находитесь в изолированной комнате, вы не сможете отличить, находитесь ли вы в гравитационном поле или в ускоряющейся ракете. Чтобы это произошло, гравитация должна влиять на время и пространство так же, как скорость в специальной теории относительности. А это означает, что гравитацию можно описать как совокупность геометрии времени и пространства, четырехмерное пространство-время.

Но если у нас есть четыре измерения пространства-времени, можем ли мы иметь больше? И что бы это значило?

Представьте себе, что вы - двухмерное существо, живущее в двухмерной вселенной. И вот однажды вы встречаете трехмерное существо. У него на одно измерение больше, чем у вас, под углом 90° к вашей реальности, и оно может свободно двигаться в этом направлении (в отличие от вас, для которого это направление даже не существует). Поэтому, когда трехмерная Алиса пройдет мимо вашей двухмерной вселенной, это будет выглядеть примерно так:

Представьте себе, что вы только что получили такой опыт и сделали правильный вывод, что существует дополнительное измерение пространства, которое вы даже не можете увидеть. Что произойдет, если вы переместитесь вдоль этого дополнительного измерения? Вы можете испытать совершенно другие вселенные, просто поднявшись на один шаг вверх или вниз по этому дополнительному измерению.

Теперь вернитесь к нашей 3D-вселенной (4D, если включить время) и добавьте еще одно измерение. Таким образом, вместо {X, Y, Z} у вас будет {X, Y, Z, W} (или вы перейдете от {X, Y, Z, T} к {X, Y, Z, W, T}, если вы включите время). Вы как бы застряли на W=0, но все остальные могут свободно меняться. Что произойдет, если вы измените W на 1? Вы можете иметь совершенно новый набор вещей в {X, Y, Z}, не связанный с {X, Y, Z}, когда W=0.

В чём проблема? Мы не можем проверить это. Мы как бы застряли на W=0, и даже не можем проверить, существует ли W вообще.

И это подводит нас к "теории струн".

"Теория струн" существует уже некоторое время. Это попытка объединить общую относительность (физику гравитации) с квантовой механикой (физикой всего остального, в частности электромагнетизма, слабого и сильного ядерного взаимодействия). Это происходит путем объяснения частиц как волн в виде очень очень очень очень очень коротких струн, или петель, или мембран. Различные конфигурации струн, их длина и частота дают различные частицы.

Но... это работает, только если у вас десять измерений в пространстве. Поэтому помимо {X, Y, Z}, вам также нужны {W, U, V, S, R, P и Q}. Или как угодно - главное, что нам нужно десять измерений. Однако мы, очевидно, не видим десяти измерений - мы видим только три. "Теоретики струн" предполагают, что это происходит потому, что все остальные семь измерений плотно свернуты, меньше фотона, поэтому частицы не могут взаимодействовать с ними.

Мы не будем обращать внимания на то, что это звучит так же абсурдно, как то, что кошки могут быть мертвыми и живыми одновременно, а квантовые события постоянно порождают новые временные линии с мертвыми или живыми кошками, и просто поплывем по течению: что это может означать? "Теоретики струн" выяснили, что если это правда, то дополнительные измерения можно сворачивать по-разному. И каждый набор геометрий скручивания дополнительных измерений приводит к совершенно иному набору природных законов. Так, если свернуть измерение Q таким образом, то получится вселенная, где гравитация работает, как здесь; если свернуть Q другим способом, то получится вселенная, где гравитация слабее и звезды не могут образовываться.

И они также выяснили, что существует конечный способ свертывания измерений: 10⁵⁰⁰ или около того, каждое из которых может быть представлено одной или несколькими вселенными. Это иногда называют "струнным ландшафтом".

Есть только две небольшие проблемы с "теорией струн":

• Она не закончена. Она как бы застряла с 1990-х годов.
• Мы не можем это проверить. Для этого нужен коллайдер частиц размером больше галактики.

Так что, как и другие идеи, она явно гипотетическая.

Подведем итоги:

• Интерпретация множества миров - это, по сути, способ осмысления уравнения Шредингера, но она приводит к множественным временным линиям
• Пространство-время Эйнштейна - это способ описания гравитации, но он приводит к возможности существования других вселенных.
• А "теория струн" - это попытка объединить общую относительность и квантовую механику, но она приводит к появлению струнного ландшафта из числа возможных природных законов.

И мы не можем проверить ни одну из них.

И это приводит нас к космологии и аргументу о "тонкой настройке".

Некоторые люди утверждают, что у космологии есть небольшая проблема: она не может объяснить, как наша Вселенная так тонко настроена на жизнь. Но я с этим не согласен: эта вселенная гораздо больше настроена на образование черных дыр, чем на жизнь. Это больше похоже на "Жизнь развилась как отходы процесса создания черных дыр, несмотря на то, что Вселенная пыталась ее убить".

Но если мы признаем, что существует проблема "тонкой настройки", то все вышеперечисленное, и в частности "теория струн", предлагает решение: мы живем в одной вселенной из многих, в которых жизнь действительно возможна. И мы не могли бы существовать ни в какой другой вселенной. (Это, кстати, называется "Антропным принципом").

Есть много способов добраться до моделей, в которых это может произойти. "Вечная инфляция" имеет встроенную функцию, Предшествующая черная дыра также имеет ее. Гипотеза предшествующей черной дыры в некотором роде элегантна, потому что вы не зависите от удачи в выборе подходящей вселенной для существования жизни. Идея заключается в том, что большой взрыв с математической точки зрения очень похож на то, что произойдет в черной дыре, если вы продолжите движение через сингулярность. Поэтому всякий раз, когда образуется черная дыра, возникает новая вселенная "по ту сторону". Эти новые вселенные не обязательно должны иметь те же законы природы, что и их родители, но могут быть похожими. Вселенные, в которых образуется много черных дыр, могут считаться более "успешными". А это ведет к своеобразной эволюции вселенных, неуклонно развивающихся к вселенной, которая хороша в создании черных дыр, и, следовательно, имеет больше возможностей для появления "отработанного продукта" под названием жизнь. Если это правда, то это означает, что аргумент о "тонкой настройке" отпадает: Пока черные дыры порождают новые вселенные, вы в конечном итоге доберетесь до вселенной, в которой может зародиться жизнь.

Так в чем же проблема?

Вы угадали: мы не можем проверить эти модели.

Нет никаких доказательств. Это просто гипотетические предсказания, сделанные на основе физики в том виде, в котором мы ее знаем, и выводящие теоретические предсказания далеко за пределы того, что мы можем проверить. И они делают это для того, чтобы лучше понять физику в пределах того, что можно проверить. Эрвин Шредингер придумал своего "кота Шредингера", который породил интерпретацию множества миров Хью Эверетта и первое воплощение гипотез мультивселенной, просто потому, что ему нужно было понять уравнение Шредингера лучше, чем то, как его могла объяснить Копенгагенская интерпретация.

Остальные гипотезы о мультивселенной возникли аналогичным образом. Но мы не можем их проверить, и существует очень мало доказательств в их подтверждение.