Насколько масштабна окружающая нас космическая реальность и одиноко ли человечество в вечно расширяющемся пространстве? В новом выпуске научно-популярного канала PBS Space Time автор подробно разбирает концепцию вечной инфляции, которая неизбежно приводит к рождению бесконечного множества обособленных «пузырьковых» миров. В материале исследуются безумные математические масштабы гипотетической мультивселенной, антропный принцип, неожиданное решение парадокса Ферми, а также причины, по которым астрономическое сообщество лишило Плутон статуса полноценной планеты.
🌌 Бесконечное кипение космоса: концепция вечной инфляции 0:00
Космическое пространство поражает своими масштабами, однако даже наблюдаемая часть нашей Вселенной диаметром в 93 миллиарда световых лет — это лишь крошечная песчинка в масштабах вечно раздувающейся мультивселенной. Согласно современной космологической модели, наша Вселенная представляет собой лишь один из бесчисленных «пузырей», которые непрерывно возникают, и растущему объему которых нет конца. Они существуют внутри гораздо более масштабного пространства-времени, расширяющегося с экспоненциально ускоряющимся темпом.
По словам автора видео, дефолтное состояние этой гигантской метавселенной — непрерывное расширение, обусловленное колоссальной и постоянной плотностью энергии вакуума, заблокированной в так называемом инфлатонном поле. Тем не менее в крошечных локальных участках этого поля инфляция может останавливаться. Когда инфлатонное поле в конкретной области теряет свою энергию, ускоренное расширение там прекращается, что провоцирует новый Большой взрыв и дает начало более медленно расширяющейся вселенной.
Каждый такой пузырь имеет границу, которая распространяется в окружающее инфлирующее пространство со скоростью света. Если пузырей образуется много, они теоретически могут сталкиваться, формируя связанную сеть. Однако, как отмечает ведущий, те редкие участки, где инфляция продолжается, расширяются настолько стремительно, что мгновенно начинают доминировать над стабильными «пузырями». В результате цикл вечной инфляции никогда не прекращается.
🧮 Безумная математика мультивселенной 2:23
Чтобы оценить масштабы этого процесса, автор предлагает рассчитать относительное количество новых пузырьковых вселенных, формирующихся каждую секунду. Если предположить, что вероятность образования нового пузыря в любом заданном объеме фиксирована, то скорость их появления будет прямо пропорциональна объему расширяющейся метавселенной.
Для расчетов берется минимальный темп инфляции, необходимый для запуска нашей собственной Вселенной. В этот период масштабный фактор (или радиус пространства) увеличился как минимум в $10^{26}$ раз менее чем за $10^{-32}$ секунды. Соответственно, увеличение объема за этот ничтожный промежуток времени рассчитывается как куб от изменения радиуса, что дает прирост в $10^{78}$ раз каждые $10^{-32}$ секунды.
Масштабы расширения выглядят следующим образом:
- Один кубический метр пространства всего за $10^{-32}$ секунды раздувается до $10^{78}$ кубических метров, что примерно соответствует объему всей нашей наблюдаемой Вселенной.
- В следующие $10^{-32}$ секунды каждый из этих новых кубометров порождает такое же колоссальное количество новых пространств.
- К исходу одной полной секунды объем метавселенной увеличивается в безумные $10^{10^{34}}$ раз.
Как подчеркивает ведущий, даже если вероятность рождения отдельной вселенной на единицу объема ничтожно мала, экспоненциальная природа расширения гарантирует появление колоссального числа миров. Как только инфлирующее пространство становится достаточно большим для создания хотя бы одной вселенной, в следующую секунду оно с неизбежностью порождает порядка $10^{10^{34}}$ новых миров.
🧬 Физика иных миров и антропный принцип 5:15
Обладают ли все эти миры одинаковыми законами физики? Согласно стандартным теоретическим моделям, они, скорее всего, имеют такое же количество измерений, как и наш (три пространственных и одно временное). Однако их материальное наполнение и базовые константы могут кардинально отличаться. В частности, космологическая константа, определяющая силу темной энергии, в каждом пузыре может быть своей.
Автор видео поясняет, что темная энергия в нашем мире может представлять собой лишь крохотный остаток энергии инфлатонного поля после его распада. Для ученых до сих пор остается открытым и спорным вопрос, почему текущая плотность энергии вакуума столь мала, но при этом не равна строгому нулю. Если бы темная энергия оказалась хотя бы немного сильнее, наша Вселенная возобновила бы ускоренное расширение слишком рано, и звезды, галактики, а вместе с ними и жизнь просто не успели бы сформироваться.
Космологи предлагают следующее объяснение:
- В разных пузырьковых вселенных устанавливается различная энергия вакуума.
- Миры с экстремально низкой энергией вакуума, подобные нашему, могут быть невероятной редкостью.
- Поскольку вселенных бесчисленное множество, чисто статистически в некоторых из них космологическая константа окажется достаточно низкой для зарождения жизни.
Данные рассуждения опираются на антропный принцип: мы обязаны существовать именно в той вселенной, которая способна нас породить. Этот же принцип исследователи используют для решения фундаментальной проблемы теории струн, где существует не менее $10^{500}$ возможных конфигураций шести свернутых дополнительных измерений, формирующих так называемый «струнный ландшафт». Каждая конфигурация задает свои свойства элементарных частиц и свою космологическую константу. Вечная инфляция легко заполняет весь этот ландшафт: где-то во фракталах мультивселенной обязательно найдутся условия с «дружелюбной» для химии физикой.
👽 Парадокс молодости: где все инопланетяне? 8:31
Не все ученые готовы мириться с антропным принципом, однако следующая гипотеза может показаться критикам еще более некомфортной. Физик Алан Гут, создатель теории инфляции, выдвинул идею о том, что концепция вечной инфляции способна изящно разрешить знаменитый парадокс Ферми и объяснить, почему человечество не видит следов инопланетных цивилизаций.
Логика рассуждений Алана Гута строится на следующих предпосылках:
- Поскольку число новых вселенных ежесекундно увеличивается в невообразимое количество раз, подавляющее большинство миров в мультивселенной родились совсем недавно. Вселенных, появившихся на секунду позже нашей, несоизмеримо больше, чем наших «ровесников».
- Предположим, что для формирования первой разумной жизни в любой вселенной требуется строго фиксированное время, например, 10 миллиардов лет. В нашей Вселенной этот рубеж наступает в условную «секунду №1».
- В «секунду №2» в старых вселенных могут появиться новые цивилизации, однако в этот же момент рубежа в 10 миллиардов лет достигает колоссальная волна более молодых вселенных, родившихся на секунду позже.
Поскольку молодых вселенных чисто математически больше, чем всех атомов в старых мирах, число первых цивилизаций в них всегда будет доминировать. Алан Гут делает вывод: в любой момент времени почти все разумные существа в мультивселенной находятся в самых молодых мирах, где жизнь только успела развиться.
Если принять, что человечество — это типичный пример разумной жизни, то мы с высокой вероятностью относимся к этому самому массовому типу «первенцев» в масштабах мультивселенной. Следовательно, мы являемся самой первой цивилизацией в своей конкретной Вселенной, и именно поэтому космос вокруг нас молчит. Сам Алан Гут называет это «парадоксом молодости» (youngest paradox). При этом физик признает, что аргумент хотя и кажется логически обоснованным, все же звучит достаточно странно, чтобы заставить ученых усомниться в правильности методологии подсчета вероятностей в мультивселенной.
💥 Столкновение вселенных: космическая игра в прятки 11:34
Могут ли эти обособленные пузыри сталкиваться друг с другом? Математические расчеты показывают, что края пузырьковых вселенных расширяются со скоростью света. Если они образуются слишком далеко друг от друга, то разделяющее их инфлирующее пространство будет разносить их в стороны со сверхсветовой скоростью, не позволяя им слиться.
Чтобы столкновение произошло при стандартных космологических параметрах инфляции, два пузыря в момент зарождения должны находиться на расстоянии ближе чем $6 \times 10^{-50}$ метра. Автор подчеркивает, что эта величина примерно на 15 порядков меньше фундаментальной планковской длины.
Из этого факта следуют важные выводы:
- Вселенные сталкиваются крайне редко, если только темп их генерации не является экстремально высоким.
- Темп производства может быть высоким в моделях так называемой «инфляции медленного скатывания» (slow roll inflation), где инфлатонное поле сильно скоррелировано в соседних точках.
- Отсутствие видимых следов космических столкновений в пределах нашей наблюдаемой Вселенной закономерно — даже если они происходили, они, скорее всего, случились слишком далеко от нас.
Ведущий констатирует, что вечная инфляция оперирует величинами, которые на данном этапе развития науки невозможно экспериментально проверить. Однако отсутствие жестких доказательств не означает, что теория неверна — возможно, мультивселенная просто умеет хранить свои тайны.
♇ Разбор полетов: почему Плутон больше не планета? 14:50
В финальном блоке видео автор отвечает на комментарии зрителей, коснувшись старой дискуссии: справедливо ли Международный астрономический союз (МАС) лишил Плутон статуса планеты? По мнению многих планетологов, включая Алана Стерна (главного исследователя миссии New Horizons к Плутону) и ученого под ником Реголит, принятое МАС определение оказалось антинаучным, двусмысленным и предвзятым. Специалисты убеждены, что подобные решения должны принимать профессиональные планетологи, а не астрономы общего профиля.
Согласно официальному определению МАС, планетой считается тело, которое:
- Обращается вокруг Солнца.
- Обладает достаточной массой, чтобы под действием собственной гравитации принять округлую форму.
- Расчистило свою орбиту от постороннего космического мусора и мелких объектов.
Именно третий пункт — требование расчистить орбиту — исключил Плутон из высшей лиги. Критики указывают на абсолютную произвольность этого критерия, поскольку способность расчищать орбиту зависит не от физической природы самого небесного тела, а от места его формирования в Солнечной системе. Чем дальше объект находится от Солнца, тем большая масса ему требуется для расчистки окрестностей. Например, если бы Земля оказалась на расстоянии в 100 раз дальше от Солнца, она бы не смогла очистить свою орбиту и потеряла бы статус планеты, в то время как гигантский Юпитер на той же дистанции с задачей бы справился.
Вдобавок формулировка МАС страдает от географической ограниченности: в ней прямо сказано, что планета должна вращаться «вокруг Солнца». Получается, что у других звезд планет нет в принципе — там существуют только «экзопланеты». Планетологи считают, что такое определение хотя и устраняет некоторую путаницу, делает это за счет потери научной полезности, ведь два абсолютно идентичных геофизических объекта могут получить разные классы лишь из-за своего местоположения. Как резюмирует автор, по мере изучения далеких миров научному сообществу неизбежно придется пересмотреть этот термин, предоставив решающее слово экспертам по планетам.
