Спросите Итана: могла ли наша Вселенная столкнуться с другой?

Это дикая идея, но есть способ ее проверить.

Независимо от того, как далеко мы заглядываем во Вселенную, всегда есть еще «Вселенная», которую можно увидеть. Даже в крайних пределах видимого - 46 миллиардов световых лет во всех направлениях, учитывая конечное количество времени, прошедшее с момента Большого взрыва, расширение Вселенной и конечную скорость света, нет никаких доказательств всяких странностей, которые мы вообразили. У Вселенной нет границ, нет отклонений от крупномасштабной однородности, нет доказательств предпочтительного направления и нет доказательств повторяющихся закономерностей. Даже в этом случае важно держать наш разум открытым для всех возможностей, которые не исключены. В конце концов, «отсутствие доказательств не означает доказательства их отсутствия».

Одна из наиболее фантастических возможностей заключается в том, что наша Вселенная - лишь одна из многих существующих, и все они встроены в более крупную Мультивселенную. Если это так, могла ли наша Вселенная столкнуться с другой, возможно, оставив отпечаток этого события? Это то, что Каден Чан хочет, чтобы мы исследовали, спрашивая в письме:

«Я помню, как читал вашу статью о том, что вселенные не могут столкнуться из-за теории космической инфляции. Затем я помню, как где-то еще читал о том, как еще одна пузырьковая вселенная может быть создана слишком близко к другой пузырьковой вселенной, и это может вызвать столкновение. Любые мысли по этому поводу, очень хотелось бы узнать ваше мнение ».

Если мы хотим знать, могут ли эти Вселенные столкнуться или нет, мы должны вернуться к теории, лежащей в основе всего этого: космической инфляции. Посмотрим, что она говорит.

На самых ранних стадиях развития Вселенной установился инфляционный период, который привел к горячему Большому взрыву. Сегодня, миллиарды лет спустя, темная энергия ускоряет расширение Вселенной. Эти два явления имеют много общего и могут даже быть связаны, возможно, через динамику черных дыр. (C. FAUCHER-GIGUÈRE, A. LIDZ, AND L. HERNQUIST, SCIENCE 319, 5859 (47))

Еще на самых ранних стадиях горячего Большого взрыва Вселенная была:

• невероятно плотной, с плотностью, превышающей даже ядро ​​нейтронной звезды;
• невероятно горячей, с энергиями, в триллионы раз превышающими те, что были достигнуты на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа;
• невероятно однородной, с областями повышенной и пониженной плотности, отклоняющимися от средней плотности всего на ~0,003%;
• заполненной частицами и античастицами, все с настолько большой энергией, что движутся со скоростью, неотличимой от скорости света;
• и чрезвычайно быстро расширяющей.

Мы также знаем, что существует очень важная взаимосвязь между скоростью расширения и общей суммой всех различных форм материи и энергии, присутствующих во Вселенной: если они идеально сбалансированы, Вселенная может расширяться без повторного сжатия или вечного расширения, в противном случае произойдет почти немедленное повторное сжатие или «опустошение» Вселенной. Мы знаем, оглядываясь назад с нашей точки зрения на 13,8 миллиарда лет после Большого взрыва, что этот ранний баланс был неотличим от идеального.

Если бы во Вселенной была немного более высокая плотность материи (красный цвет), она была бы закрыта и уже снова схлопнулась, если бы у нее была лишь немного меньшая плотность (и отрицательная кривизна), она бы расширилась намного быстрее и стала бы намного больше. Большой взрыв сам по себе не предлагает объяснения того, почему начальная скорость расширения в момент рождения Вселенной так идеально уравновешивает общую плотность энергии, не оставляя места для пространственной кривизны вообще и создавая совершенно плоскую Вселенную. Наша Вселенная кажется совершенно плоской в ​​пространстве, с начальной полной плотностью энергии и начальной скоростью расширения, уравновешивающими друг друга, по крайней мере, примерно до 20+ значащих цифр. (NED WRIGHT’S COSMOLOGY TUTORIAL)

Космическая инфляция была первой идеей - дополнением к Большому взрыву, чтобы объяснить, как это могло произойти. Инфляция постулировала то, что причина того, что общая плотность энергии и скорость расширения так идеально сбалансированы, заключается в том, что Большой взрыв не был самым началом вселенной, а скорее ему предшествовала так называемая инфляционная фаза: когда нет материи, антивещества, или излучения, а скорее такая, где расширение Вселенной определяется формой энергии, присущей самому пространству.

Это создает интересный сценарий. Видите ли, когда ваша Вселенная заполнена чем-то вроде материи, в ней присутствует фиксированное количество частиц: когда объем увеличивается, плотность частиц падает. В результате, когда плотность энергии снижается, скорость расширения также снижается: они обе должны уравновеситься. Точно так же и с излучением, плотность падает, но еще быстрее: излучение состоит не только из фиксированного числа частиц, но и каждая из этих частиц ведет себя как волна, а это означает, что ее длина волны увеличивается по мере расширения Вселенной, в результате чего скорость расширения уменьшается даже быстрее, чем во Вселенной, заполненной материей.

Но для энергии, присущей космосу, плотность энергии остается постоянной. Даже когда Вселенная расширяется, космос остается космосом. А поскольку плотность энергии уравновешивает скорость расширения, скорость расширения не меняется, если в вас преобладает энергия, присущая самому пространству.

В то время как материя (как нормальная, так и темная) и излучение становятся менее плотными по мере расширения Вселенной из-за ее увеличения объема, темная энергия, а также энергия поля во время инфляции, являются формой энергии, присущей самому космосу. По мере того как в расширяющейся Вселенной создается новое пространство, плотность темной/инфляционной энергии остается постоянной. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Гипотеза об этом раннем, присущем пространству состоянии энергии чрезвычайно убедительна. Если ваша Вселенная расширяется так, как будто есть энергия, присущая пространству, скорость расширения не изменится со временем, а это означает, что расширение будет экспоненциальным.

Экспоненциальный означает следующее:

• представьте, что у вас есть точка, расположенная на определенном расстоянии от вас, и вы позволяете пройти определенному количеству времени, пока расстояние до этой точки не удвоится;
• если вы позволите этому количеству времени пройти еще раз, это расстояние снова удвоится, так что оно в четыре раза превышает исходное расстояние;
• и если этот временной интервал пройдет еще раз, это расстояние снова удвоится, увеличивая исходное расстояние в восемь раз;
• и что если этот временной интервал пройдет 10 или 100 раз, это расстояние станет в 2¹⁰ или 2¹⁰⁰ раза больше исходного расстояния,
• позволяя Вселенной, которая раздувается таким образом, быть растянутой, лишенной всей ранее существовавшей материи и излучения, и придавая ей те же свойства повсюду, поскольку все, что сейчас занимает нашу наблюдаемую Вселенную, возникло из этой когда-то крошечной области надувающегося пространства.

Только экспоненциальный характер инфляции позволяет ей предшествовать Большому взрыву и вызвать его; если бы Вселенная была заполнена веществом или излучением, скорость ее расширения упала бы по мере уменьшения плотности, как показано ниже.

Эта диаграмма в масштабе показывает, как пространство-время эволюционирует/расширяется с равными временными приращениями, если в вашей Вселенной преобладают материя, излучение или энергия, присущая самому пространству, причем последняя соответствует инфляции - энергии, присущей пространству и доминирующей во Вселенной. Обратите внимание, что при инфляции с каждым последующим временным интервалом Вселенная удваивается во всех измерениях по сравнению с ее предыдущим размером. (E. SIEGEL)

Конечно, есть веские причины полагать, что инфляция произошла в реальности, помимо объяснения этих иначе необъяснимых загадок. Одна из них заключается в том, что в раздувающейся Вселенной, если предположить, что инфляция представляет собой квантовое поле, которое испытывает квантовые флуктуации, как и любое другое поле во Вселенной, эти квантовые флуктуации растягиваются в раздувающейся Вселенной. Когда инфляция прекращается, энергия, присущая пространству, «сбрасывается» на частицы: материю, антивещество, излучение и т. д., что приводит к ряду наблюдаемых последствий. Они включают:

• почти идеально масштабно инвариантный спектр флуктуаций плотности, где флуктуации на самых больших масштабах немного больше по величине, на несколько процентов, чем флуктуации на меньших масштабах, где эти флуктуации являются 100% адиабатическими (с постоянной энтропией) и 0% кривизной (с постоянной пространственной кривизной);
• где существуют флуктуации в масштабах больше космического горизонта, и где существует наблюдаемый максимальный верхний предел того, насколько горячей могла бы стать Вселенная на самых ранних стадиях Большого взрыва, и этот предел значительно ниже шкалы энергий Планка.

Все эти прогнозы подтвердились, а окончание инфляции соответствует началу горячего Большого взрыва. Наше космическое происхождение теперь отодвинуто назад до Большого взрыва, к этому инфляционному состоянию.

На верхней панели наша современная Вселенная повсюду имеет одни и те же свойства (включая температуру), потому что они произошли из области, обладающей одинаковыми свойствами. На средней панели пространство, которое могло иметь любую произвольную кривизну, раздуто до точки, где мы не можем наблюдать никакой кривизны сегодня. А на нижней панели высокоэнергетическое реликтовое излучение растягивается, обеспечивая решение проблемы высокоэнергетического излучения. Вот как инфляция решает три великие загадки, которые Большой взрыв не может объяснить сам по себе. (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Конечно, это будет иметь и другие последствия, которые, возможно, не так легко наблюдать, как эти явления, которые мы смогли проверить и измерить. Кое-что из того, что предсказывает инфляция, на самом деле может навсегда остаться ненаблюдаемым из-за одного очень важного факта, на который стоит обратить внимание:

Инфляция, из-за природы экспоненциального расширения, навсегда стирает из нашей Вселенной любую подпись, которая была создана до последней крошечной доли секунды самой инфляции.

Это только те последние моменты инфляции, когда небольшая область космоса:

• расширяется, при этом имеются флуктуации;
• переходит от экспоненциального расширения и наполнения энергией, присущей пространству, к расширению, подобному расширению Вселенной, наполненной материей, антивеществом и излучением;
• и приходит к горячему Большому взрыву для области размером не меньше футбольного мяча, что было минимальным размером для нашей Вселенной в начале горячего Большого взрыва, что мы можем наблюдать.

Ничего, что произошло либо до этого события, либо за пределами той конкретной области размером с футбольный мяч, которая стала нашей Вселенной, невозможно наблюдать.

Квантовые флуктуации, возникающие во время инфляции, растягиваются по Вселенной, а когда инфляция заканчивается, они становятся флуктуациями плотности. Со временем это приводит к крупномасштабной структуре во Вселенной сегодня, а также к флуктуациям температуры, наблюдаемым в реликтовом излучении. Подобные новые прогнозы необходимы для демонстрации обоснованности предложенного механизма точной настройки. (E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)

Итак, согласно теории инфляции, что именно происходит?

Один из простейших способов визуализировать инфляцию - это представить, что у вас есть мяч на вершине очень плоского холма, и что со временем мяч катится с холма с одной или другой стороны в долину ниже. Только вместо того, чтобы этот шар был классическим шаром - с четко определенным, однозначным положением на холме, это квантовый шар, с распределением вероятности того как он перемещается с течением времени.

Итак, вот ключевая часть инфляции, которую большинство людей не осознает: холм должен обладать определенным набором свойств, чтобы мяч катился достаточно медленно, чтобы дать нам достаточно инфляции, чтобы дать начало нашей Вселенной, какой мы ее видим. Это налагает значительные и значимые ограничения на допустимые формы, которые может иметь холм, и, в частности, этот факт верен: холм должен быть достаточно плоским, чтобы мяч катился медленно.

Однако, так как квантовое поле определяет положение шара, вы должны сравнить, «насколько быстро мяч катится в среднем» с тем, «насколько быстро мяч из-за квантовых эффектов распространяется в его возможных положениях вдоль холма? »

Инфляция заканчивается (вверху), когда мяч катится в долину. Но инфляционное поле - это квантовое поле (в центре), которое распространяется во времени и принимает разные значения в разных областях раздутого пространства. В то время как во многих областях космоса (фиолетовый, красный и голубой) инфляция прекратится, во многих других областях (зеленый, синий) инфляция продолжится, возможно, вечно (внизу). (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Вот забавный и важный урок, который нужно усвоить: практически во всех моделях инфляции, где мяч катится достаточно медленно, чтобы получить «достаточно» инфляции, чтобы соответствовать нашей Вселенной, «квантовое распространение» происходит быстрее, чем это происходит при качении, особенно когда вы на плоской части холма.

Это означает, что во время инфляции вы получите некоторые регионы, где поле «распространяется» ближе к долине, и как только вы скатитесь в долину, инфляция прекратится.

Но вы также получите регионы, где инфляция не заканчивается в это время и распространяется обратно к плоской части холма, где инфляция продолжается еще некоторое время. Фактически, математическая обработка этого достаточно убедительно показывает, что:

• да, всегда будут какие-то регионы, во время инфляции, где «мяч» скатывается в долину;
• что там, где это происходит, инфляция заканчивается, и мы получаем горячий Большой взрыв;
• но в регионах, окружающих эти регионы, где "инфляция заканчивается", инфляция продолжается,
• и в этих регионах пространство расширяется экспоненциально, а не с быстро убывающей скоростью, как в регионах, где происходит горячий Большой взрыв.

Это очень, очень важно, потому что именно это дает начало Мультивселенной: это свойство пространства под влиянием космической инфляции.

Хотя предсказывается, что в расширяющемся пространстве-времени будут созданы многие независимые Вселенные, инфляция никогда не заканчивается сразу везде, а только в отдельных, независимых областях, разделенных пространством, которое продолжает расширяться. Вот откуда исходит научное обоснование Мультивселенной, и почему никакие две Вселенные никогда не столкнутся. (KAREN46 / FREEIMAGES)

Во время инфляции расширение неумолимо: пространство повсюду расширяется с одинаковой быстрой и постоянной скоростью. Вы можете представить, что это пространство похоже на море воды, и что море расширяется: с течением времени появляется все больше и больше воды.

Затем вы можете представить, что в некоторых регионах инфляция заканчивается, и они похожи на маленькие крошечные пузырьки, которые образуются и растут, подобно тому, как горшок с кипящей водой начинается с крошечных пузырьков, которые зарождаются и растут.

Но в отличие от кастрюли с кипящей водой, «расширяющаяся» природа моря раздвигает эти отдельные пузыри; они растут, но расширяющееся море между ними растет быстрее, гарантируя, что любые два отдельных пузыря никогда не столкнутся.

Это стандартная картина космической инфляции, а также того, как и почему она создает Мультивселенную. Фактически, как только инфляция начинается, между любыми двумя местами всегда будут области, где инфляция продолжается; в этом смысле инфляция вечна. Однако мы можем наблюдать Вселенную только там, где мы существуем внутри нее, и именно там около 13,8 миллиарда лет назад произошел горячий Большой взрыв. И никого не удивляет, что нет никаких доказательств того, что в ранней Вселенной произошло столкновение пузырей, поскольку нигде не видно отпечатка, который оставило бы такое событие.

Если «пузырь», из которого образовалась наша Вселенная, столкнется с другим на ранних стадиях, возникнет "синяк". В наших наблюдениях таких признаков не обнаружено, что указывает на то, что стандартная картина инфляции, когда отдельные вселенные не взаимодействуют между собой, остается в силе. (© STEPHEN FEENEY, MATT JOHNSON, DANIEL MORTLOCK, AND HIRANYA PEIRIS/UCL)

Вывод такой: чтобы получить достаточно инфляции, чтобы объяснить наблюдаемую нами Вселенную, поле, отвечающее за нее, должно обладать определенными свойствами. Если оно обладает такими свойствами, мы сможем не только объяснить все, что мог бы сделать Большой взрыв без инфляции, мы также объяснили вещи, которые Большой взрыв сам по себе сделать не смог бы, плюс сделать новые прогнозы, которые впоследствии были проверены и подтверждены.

Однако есть еще одно последствие, которого нельзя реально избежать, - это мультивселенная, в которой создано множество независимых вселенных, которые никогда не взаимодействуют, не перекрываются и не сталкиваются друг с другом. Конечно, у нас нет доказательств существования Мультивселенной; единственные варианты, которые имели бы наблюдаемые последствия, включают «синяки» на нашей Вселенной, которые несовместимы с тем, что мы видим. Все по-прежнему соответствует простейшим моделям инфляции, спустя почти 40 лет после их первоначального введения. Возможно, пора перестать обращать внимание на сомневающихся, и вместо этого принять Вселенную именно такой, какой она является.

Оригинал: Ask Ethan: Could Our Universe Have Collided With Another, Revealing The Multiverse?