Universe or Multiverse? Edited by Bernard Carr. Cambridge University Press, 2007, 517 p.

 

1. Вступ і огляд

 Бернард Кар

 Астрономічний підрозділ, Лондонський університет королеви Марії

 

1.1 Представлення багатосвіту

 

Майже тридцять років тому я разом з Мартіном Різом опублікував в журналі «Нейче» («Nature») статтю [1], в якій разом зведено всі відомі обмеження на фізичні характеристики Всесвіту – зокрема, тонкі настроєності фізичних констант, що, як видається, необхідні для виникнення життя. Такі обмеження Брендон Картер назвав «антропними» [2] – від грецького слова ἄνθρωπος, що означає «людина» – хоч тепер вважають, що це неправильно, бо немає ніяких підстав пов’язувати тонкі настроєності саме з людством. Ми розглянули і «слабкий» антропний принцип – який приймає закони природи і фізичні константи як данність, і стверджує, що існування спостерігачів в такому разі накладає ефект вибору –, де і коли ми спостерігаємо Всесвіт, – і «сильний» антропний принцип – який (в сенсі використовуваного нами терміну) означає, що існування спостерігачів накладає обмеження на самі фізичні константи³.

 

Антропні заяви – принаймні в своїй сильній формі – фізики розглядали з певною часткою презирства в той час, а деякі їхні кола й досі. Хоч ми й вважаємо, що будь-яке пояснення спостережуваних тонких настроєностей краще, ніж жодного, багато хто розглядав антропні аргументи як такі, що виходять за межі допустимої науки. Той факт, що деякі люди з богословськими нахилами тлумачили такі заяви як докази за Творця – приписуючи телеологічне значення сильному антропному принципові – можливо, посилювали таку реакцію. Однак відтоді ставлення суттєво змінилося. Це не стільки тому, що стан справ з антропними аргументами самими по собі змінився – як ми побачимо в одному з дальших розділів, деякі з них стали міцнішими, а інші – слабшими. Скоріше це відбувається тому, що тут був один засадничий зсув в епістемологічному статусі антропного принципу. Це наслідок того, що космологи стали чітко розуміти, що тут є багато контекстів, в силу яких наш всесвіт може бути тільки одним з (можливо, нескінченного) ансамблю «паралельних» світів, у яких фізичні константи різняться. Цей ансамбль іноді описуваний як «багатосвіт», і цей термін використовуваний повсюдно в цій книжці (зокрема в заголовку). Водночас слід підкреслити, що багато хто використовував інші терміни – іноді навіть в одному й тому ж контексті.

 

Ці багатосвітові припущення не були обумовлені спробами пояснити антропні тонкі настроєності, більшість з них виникла незалежно від подій в космології і фізиці елементарних частинок. Проте тепер видається очевидним, що ці дві концепції нерозривно пов’язані між собою. Бо якщо є багато всесвітів, тоді напрошується питання, чому ми живемо в цьому особливому, і – меншою мірою – доведеться визнати, що наше власне існування стосується ефекту вибору. Дійсно, оскільки ми неминуче живемо в одному зі сприятливих для життя всесвітів, то багатосвітова картина зводить сильний антропний принцип до одного з аспектів слабкого. Через це багато фізиків розглядатимуть багатосвітове припущення як найприродніше пояснення антропних тонких настроєностей.

 

Одна з причин, чому багатосвітове припущення тепер таке популярне, полягає в тому, що воно, як видається, необхідне для того, щоб зрозуміти походження Всесвіту. Щоправда, космологи мають дуже різні думки з приводу того, як можуть виникнути різні світи. Деякі покликаються на моделі, в яких один всесвіт проходить цикли розширення і реколапсу з константами, змінюваними за кожного відскоку [3]. У цьому випадку різні всесвіти простягаються плетеницею в часі. Інші покликаються на «інфляційний» сценарій [4], за якого наша спостережувана область є частиною однієї «бульбашки», що пройшла фазу надшвидкого розширення в якийсь найранніший час. Є багато інших бульбашок, кожна з різними законами низькоенергетичної фізики, тому в цьому випадку різні світи розкидані в просторі. Як до одного з варіянтів цієї ідеї, Андрєй Лінде [5] і Алекс Віленкін [6] вдаються до «вічної» інфляції, за якої кожен всесвіт постійно самовідтворний, оскільки це передбачає, що тоді може бути необмежена кількість областей, – всі з різними константами зв’язку. Різні всесвіти в такому разі простягуються і в просторі, й у часі.

 

З іншого боку, Стівен Гокінґ віддає перевагу квантовому космологічному поясненню Всесвіту, і заперечує проти вічної інфляції⁴ на тій підставі, що вона простягається на нескінченне минуле і, отже, несумісна з «безмежовим» припущенням Гартла – Гокінґа щодо походження Всесвіту [7]. Воно потребує, щоб Всесвіт почався в скінчений час, але початкова сингулярність класичної моделі, впорядкована вимаганням часу, стає нереальною. Якщо застосувати метод інтегралу вздовж траєкторій для обчислення ймовірності тієї чи іншої історії, це, як видається, дуже мало сприяє е-кратному розширенню, так що Всесвіт реколапсуватиме занадто швидко, щоб виникло життя.

 

Проте антропний відбір може це врятувати, оскільки він розглядає лише історію, що містить спостерігачів [8].

 

Такого роду підхід до квантової космології має сенс тільки в контексті «багатосвітньої» інтерпретації квантової механіки. Таку інтерпретацію запропонував Г’ю Еверет [9], в 1950-х років, для того щоб уникнути необхідності вдаватися до колапсу квантовомеханічної хвильової функції, одного з основних елементів стандартної копенгаґенської інтерпретації. Натомість наш всесвіт, за припущенням, розбивається щоразу як зроблено спостереження, так що це швидко породжує величезну кількість паралельних світів [10]. Це можна було б розглядати як першу багатосвітову теорію. Хоча можна було б захотіти провести різницю між класичним і квантовим багатосвітами, Макс Теґмарк [11] підкреслив, що нема принципової розбіжності між ними.

 

Квантова теорія, звичайно, виникла зі спроб пояснити поведінку матерії на малих масштабах. Останні досягнення в фізиці елементарних частинок привели до популярності ще одного виду багатосвіту. Заповітна мета у фізиці елементарних частинок полягає в тому, щоб знайти «Теорію всього» (ТВ), яка об’єднає всі відомі фізичні сили. Моделі, що об’єднали слабкі, сильні й електромагнетні взаємодії і зазвичай описувані як «Велика єдина теорія» (ВЄТ), хоча ще не перевірені експериментально, але їх вдосконалювали протягом майже 30 років. Додання гравітації в це об’єднання виявилося складнішим завданням, проте останнім часом тут були цікаві успіхи, з суперструнною теорією, що є на сьогодні моделлю, якій віддають перевагу⁵. Існують різні варіянти суперструнної теорії, але вони об’єднані в те, що називають «M-теорією».

 

На відміну від «Стандартної моделі», яка не враховує гравітацію і містить кілька десятків вільних параметрів, М-теорія могла б, здогадно, розрахувати наперед усі фундаментальні константи однозначно [12]. Принаймні, була надія. Однак недавні події свідчать про те, що цього може й не бути, що кількість теорій (наприклад, вакуумних станів) може бути величезною (наприклад, 10⁵⁰⁰ [13]). Це іноді називають сценарієм «струнного ландшафту» [14]. У цьому випадку, мрія, що всі константи однозначно знаходжувані, буде розвіяна. Тут буде величезна кількість можливих всесвітів (відповідних різним мінімумам енергії вакууму) і значення фізичних констант будуть випадковими (тобто залежними від того, який всесвіт нам випало зайняти. Спроби наперед розрахувати значення констант можуть в такому разі бути безнадійними, як Кеплерові намагання наперед розрахувати розташування планет в нашій Сонячній системі, основані на властивостях Платонових тіл⁶.

 

Найважливішою особливістю пропозиції струнного ландшафту полягає в тому, що енергія вакууму, ймовірно, проявлялася б, як така, що названа «космологічною сталою». Це термін в польових рівняннях загальної теорії відносності (позначений Λ), який Айнштайн спочатку вніс, щоб уможливити статичну космологічну модель, але потім відкинув, після того як було встановлене розширення. Протягом багатьох дальших десятиліть космологісти припускали, що Λ рівне нулю, не розуміючи, чому, але видатною подією останнього часу стало відкриття, що розширення Всесвіту прискорюється під впливом (принаймні, так видається) космологічної сталої. Одна з можливостей полягає в тому, що Λ постає як наслідок квантових вакуумних ефектів. Ми не знаємо, як розраховувати їх, але найприроднішим значенням була б планківська густина⁷ (величина якої на 120 порядків більша, ніж спостережуване значення). Дійсно, в рамках припущення струнного ландшафту можна було б очікувати, що значення Λ в різних всесвітах матиме рівномірний розподіл в діяпазоні від мінус до плюс Планкового значення. Спостережувані значення тому здаються неймовірно малими.

 

Тут є також інша проблема тонкої настроєності: спостережувана густина вакууму на цей час дуже подібна до густини матерії, збіг, який, мабуть, стосується тільки певної космологічної епохи. Однак, як першим звернув увагу Стівен Вайнберґ [15, 16], величина Λ обмежена антропно, бо галактики не могли б формуватися, якщо б вона була набагато більшою, ніж спостережувана. Це не єдине можливе пояснення мализни Λ, але є вимушена згода, що воно може бути найправдоподібнішим, ось чому і струнний ландшафт, і антропні ідеї тепер досить популярні. Найважливіше питання, чи число вакуумних станів є достатньо великим, а інтервал між ними достатньо малим, щоб задовольнити антропним обмеженням, досі не розв’язане.

 

Слід відзначити, що М-теорія потребує додаткових вимірів, крім чотирьох звичайних вимірів простору і часу. Деякі з них можуть бути компактифіковані (згорнуті), але інші можуть бути протяжними, й у цьому випадку, Всесвіт відповідатиме 4-вимірній «брані⁸» у більшевимірному «об’ємі» [17, 18]. У першій версії цієї теорії космологічна стала була від’ємною, що було несумісним зі спостережуваним прискоренням Всесвіту. А кілька років тому, однак, стало зрозуміло, що розв’язки М-теорії з позитивною космологічною сталою також можливі [19], і це пожвавило співпрацю між космологістами і струнними теоретиками. Погляд, що наш всесвіт є браною у більшевимірному об’ємі також наводить на думку про інший багатосвітовий сценарій, оскільки можуть існувати багато інших бран в об’ємі. Зіткнення між цими бранами можуть навіть спричиняти великі вибухи такого роду, який поклав початок розширенню нашого власного всесвіту [20]. Справді дехто передбачив продукування послідовних зіткнень в циклічних моделях, і стверджував, що це могло б надати інше (неантропне) пояснення, чому Λ, природно, прагне до значення порівняного з густиною матерії [21].

 

 

 

1.2 Історичний огляд

 

Ми бачили, як поєднання подій у космології і фізиці елементарних частинок вело до разючого зростання довіри до багатосвітового припущення. У цьому розділі ми викладемо ці події в історичній перспективі, показуючи, що ідея багатосвіту є просто кульмінацією спроб зрозуміти фізику найбільших і найменших масштабів. Те, що ми розглядаємо як «Всесвіт» постійно змінювалося, бо науковий прогрес розширював дослідження зовнішнього світу до все більших масштабів й внутрішнього – до ще менших. У ході цього процесу постійно виявляли нові структурні рівні, а також цікаві зв’язки між законами, що діють на цих різних рівнях. Цей розділ також надасть змогу розглянути деякі з основних ідей сучасної космології і фізики елементарних частинок, які можуть бути корисними для нефахівців.

 

1.2.1 Закордонна мандрівка

 

Геоцентричний погляд

 

Давні люди вважали, що Земля є центром Всесвіту. Астрономічні події тлумачили як набагато ближчі, ніж вони є насправді, бо небеса вважали божественною сферою, а тому досконалою та незмінною. Греки, наприклад, вважали, що Земля розташована в центрі низки «прозорих сфер», які, поступово стаючи все досконалішими, всі разом рухаються зсередини. Остання з них був пов’язана з нерухомими зорями, тому тимчасові явища (наприклад, метеори і комети) вважали земного походження. Навіть закони природи (як, наприклад, впорядкованість пір року), уявляли орієнтованими на людину, в тому сенсі, що вони могли бути використані для наших власних цілей, так що цілком природно розглядати їх як пряме свідчення нашої центральної ролі у світі.

 

 

 

Геліоцентричний погляд

 

1542 року Міколай Копернік аргументував в праці «Про обертання небесних сфер» (De Revolutionis Orbis), що геліоцентрична картина надає простіше пояснення руху планет, ніж геоцентрична, таким чином усуваючи Землю з центру Всесвіту. Геліоцентричну картину раніше запропонував Арістарх⁹, хоча це розглядали як блюзнірство більшість його товаришів греків, і Нікола Кузанський, який 1444-го доводив, що Всесвіт не має центру¹⁰, і виглядає скрізь однаково. Сьогодні цю ідею називають коперніканським або космологічним принципом¹¹. Потім, 1572 року, Тихо Браге виявив наднову в сузір’ї Касіопеї, вона засіяла зненацька і потім тьмяніла протягом року, але той факт, що її видиме розташування не змінилося, тоді як Земля рухалася навколо Сонця, означало, що вона була набагато дальша за Місяць. Оскільки це спростовувало Арістотелеву думку про те, що небо ніколи не змінюється, твердження спочатку сприймали скептично. Розчарований тими, хто мав очі, але не бачив, Браге писав у передмові до праці «Про нову зірку» (De Nova Stella): «O crassa ingenia. O coecos coeli spectators.» (О тупі розуми. О сліпі спостерігачі неба.)

 

 

 

Галактоцентричний погляд

 

Дальший етап відбувся, коли Ґалілео Ґалілей використав нещодавно винайдений телескоп, щоб показати, що навіть Сонце не особливе. Його спостереження сонцевих плям свідчило про те, що воно змінюється, а 1610 року він припустив у «Зоряному віснику» (Sidereus Nuncius), що Чумацький Шлях – відомий тоді як смуга світла на небі, а тепер – як Галактика – складається з зір, подібних до Сонця, але на такій великій відстані, що вони не можуть бути виокремлені. Це не тільки піддало сумніву геліоцентричний погляд, але й значно збільшило розмір Всесвіту. Не менш глибокі зміни в нашому баченні Всесвіту настали кількома десятиліттями пізніше, коли Ісак (Айзек) Ньютон відкрив всесвітнє тяжіння. Пов’язуючи астрономічні явища з земними, Ньютон усунув особливий статус небес, а видання його «Засад» (Principia) в 1687-му привело до «механістичного» бачення, за яким Всесвіт розглядувано як гігантську машину. У наступному столітті створення потужніших телескопів в поєднанні з законами Ньютона дозволило астрономам зрозуміти структуру Чумацького Шляху. 1750 року Томас Райт запропонував, що це диск зір, а в 1755-му Імануїл Кант припустив, що деякі туманності є «острівними всесвітами», подібними до Чумацького Шляху, збільшуючи цим ймовірність того, що навіть Галактика не є такою вже особливою. Втім галактоцентричний погляд зберігався ще протягом кількох століть, попри те, що більшість астрономів усе ж вважали, що Чумацький Шлях охоплює весь Всесвіт. Дійсно, таким було переконання Айнштайна, коли він опублікував свою загальну теорію відносності в 1915 році й почав вивчати її космологічні наслідки.

 

 

 

Космоцентричний погляд

 

Пізніше, в 1920 році, Кантова ідея – що деякі туманності перебувають за межами Чумацького Шляху – почала притягувати увагу. Протягом певного часу щодо цього велася інтенсивна полеміка. 1920 року Гебер Кертіс (Heber Curtis) енергійно захищав теорію острівного всесвіту у відомій дискусії з Гарлоу Шеплі (Harlow Shapley)¹². Суперечка була остаточно розв’язана 1924 року, коли Едвін Габл (Edwin Hubble) оголосив про те, що він виміряв відстань до M31¹³, використовуючи кефеїди¹⁴. Ще драматичніше відкриття сталося 1929 року, коли Габл знайшов радіяльні швидкості й оцінив відстані до кількох десятків найближчих галактик, тим самим встановлюючи, що всі галактики рухаються від нас зі швидкістю, пропорційною відстані до них. Це тепер називають «законом Габла», і показано, що він застосовний до відстані 10 млрд. світлових років, області, що містить 100 мільярдів галактик. Найприроднішим тлумаченням закону Габла є те, що сам по собі простір розширюється, як і передбачив Алєксандр Фрідман¹⁵ в 1920 році на основі загальної теорії відносності. Фрідманова модель давала можливість припустити, що Всесвіт почався зі стану великого стиснення в минулому порядку оберненої сталої Габла, і як на сьогодні вважають – це близько 14 мільярдів років тому. Ця картина «Великого вибуху»¹⁶ дістала вирішальну підтримку в 1965 році з відкриттям того, що Всесвіт купається в морі фонового проміння. Це проміння, виявляється, має однакову температуру в будь-якому напрямку і спектр абсолютно чорного тіла, означаючи, що Всесвіт мав колись бути досить стиснутим, в результаті чого випромінювання взаємодіяло з речовиною. Подальші дослідження, проведені супутником КФД (COBE)¹⁷ підтвердили, що воно має ідеальний спектр абсолютно чорного тіла, що міцно утвердило теорію Великого вибуху як ланку основної лінії в фізиці.

 

 

 

Багатосвітовий погляд

 

Подальші дослідження фонового проміння – насамперед за допомогою супутника ВЗМА (WMAP¹⁸)» – виявили дуже маленькі коливання температури, пов’язані з флуктуаціями густини, що зрештою привело до формування галактик і скупчень галактик. Кутова залежність цих нерівномірностей точно така, як це передбачено інфляційним сценарієм, який говорить про те, що наша спостережувана область лише крихітна частина набагато більшого всесвіту. Це був перший доказ того, що Теґмарк [11] описує як багатосвітовий «I рівень». А ще драматичнiшим відкриттям стало виявлення – зі спостережень далеких наднових зірок – того, що розширення Всесвіту прискорюється. Ми не знаємо точно причину цього, але, ймовірно, пов’язано це з густиною енергії вакууму. Як зазначено в підрозділі 1.1, низьке значення цієї густини може свідчити про те, що існує багато інших всесвітів з різними станами вакууму, так що це може бути свідченням Теґмаркового багатосвіту «II рівня».

 

Цей короткий історичний огляд подій на зовнішній передній лінії показує, що чим довше ми вивчали Всесвіт, тим більшим він ставав. Дійсно, багатосвіт можна розглядати як тільки один з багатьох кроків у послідовності все ширших перспектив, які відкрилися завдяки космологічному прогресу (від геоцентричної до геліоцентричної, до галактоцентричної, до космоцентричної). Консервативніші космологісти можуть віддати перевагу обстоюванню космоцентричного погляду, що наш Всесвіт єдиний, але, можливо, хід історії проти них.

 

 

 

1.2.2 Мандрівка углиб

 

Не менш разючі зміни світогляду сталися з відкриттями на внутрішньому передньому краї, з появою атомної теорії у вісімнадцятому столітті, відкриттям субатомних частинок на початку ХХ століття і виникненням невдовзі після цього квантової теорії. Найважливіше досягнення мандрівки углиб: вона показала, що все у Всесвіті складається з декількох фундаментальних частинок, і що вони взаємодіють через чотири сили: гравітаційну, електромагнетну, слабку і сильну. Ці взаємодії мають різні сили і характеристики, і це ляже в основу погляду, що вони діють незалежно. Проте тепер вважають, що деякі з них (а, можливо, й усі) можуть бути об’єднані як частини єдиної взаємодії.

 

Рисунок 1.1 показує, що історію фізики можна розглядати як історію такого об’єднання. Електрика і магнетизм були об’єднані Максвеловою теорією електромагнетизму в дев’ятнадцятому столітті. Електромагнетна сила була об’єднана зі слабкою в (тепер експериментально підтверджену) електрослабку теорію (Теорію електрослабкої взаємодії) в 1970-х роках. Теоретики згодом об’єднали електрослабку силу з сильною як елементи Великої єдиної теорії (ВЄТ), хоча це поки ще не перевірено експериментально. Як уже сказано в підрозділі 1.1, кінцевим (і поки що незавершеним) етапом є об’єднання з гравітацією, як, наприклад, спробуване теорією струн чи M-теорією.

 

Чудовою особливістю цих теорій є те, що Всесвіт може мати більше ніж три просторові виміри, які ми спостерігаємо в дійсності: додаткові виміри, компактифіковані на планківському масштабі (відстань 10^-33 см, на якій стають важливими ефекти квантової гравітації), так що ми не помічаємо їх. У самій М-теорії загальна кількість вимірів (разом з часом) – одинадцять, у випадку 4-вимірної фізики, виходячи з того, яким чином додаткові виміри компактифіковані (описані так званим многовидом Калабі – Яу). Відкриття темних вимірів завдяки фізиці частинок похитнуло наш погляд на природу реальності так само ґрунтовно, як відкриття темної енергії в космології. Справді, ми бачили в підрозділі 1.1, що тут може існувати тісний зв’язок між цими ідеями.

 

 

Рис. 1.1. Тут показано послідовність того, як фізики пробували об’єднати чотири відомих сили природи. Час іде вправо.

 

 

 

1.2.3 Космічний уроборос

 

Узяті разом наукові успіхи як на зовнішньому, так і на внутрішньому передньому краї, безумовно, можна розглядати як тріумф. Зокрема, фізика виявила єдність у Всесвіті, яка чітко показує, що все пов’язано до такої міри, яка здавалася немислимою ще кілька десятиліть тому. Ця єдність стисло втілена в образі уробороса (тобто змії, що пожирає свій власний хвіст)¹⁹. Це показано на рис. 1.2 (пристосовано з картини, яку початково представив Шелдон Ґлешоу (Sheldon Glashow)), який і демонструє тісний зв’язок між макроскопічною областю (ліворуч) і мікроскопічною (праворуч).

 

Картинки, намальовані кругом змії, представляють різні види структур, які існують у Всесвіті. Майже внизу – люди. Якщо рухатися ліворуч, ми бачимо послідовно все більші об’єкти: гору, планету, зорю, Сонячну систему, галактику, скупчення галактик і, нарешті, весь спостережуваний Всесвіт. Якщо рухатися праворуч, ми бачимо послідовно все дрібніші об’єкти: клітину, молекулу ДНК, атом, ядро, кварк, ВЄТ-масштаб і, нарешті, планківська довжина. Числа на краю показують масштаб цих структур в сантиметрах. Якщо рухатися за годинниковою стрілкою від хвоста до голови, масштаб збільшується на 60 порядків: від найменшого значущого масштабу, допущеного квантовою гравітацією (10^-33 см), до масштабу видимого Всесвіту (10²⁷ см). Якщо виразити ці масштаби в одиницях планківської довжини, то вони йдуть від 0 до 60, так що уроборос становить собою свого роду «годинник», в якому кожній «хвилині» відповідає показник 10 в степені.

 

 

Рис. 1.2. Зображення уробороса узагальнює різні рівні структури у фізичному світі, тісний зв’язок між мікрофізичними і макрофізичними областями та розвиток нашого розуміння цієї структури. Позначення: Multiverse – Багатосвіт

 

M-theory – М-теорія, cm – см, presently unobservable – нині не спостережне, desert – незаселене місце, GUT – ВЄТ, strong – сильна, weak – слабка, electric – електрична, primitive view – первісний погляд, eighteenth-century view – погляд XVIII ст., twentieth-century view – погляд XX ст., Macrophysics – Макрофізика, Microphysics – Мікрофізика.

 

 

 

Ще один аспект цього уробороса показано горизонтальними лініями. Вони відповідають чотирьом взаємодіям та ілюструють тонкі зв’язки між мікрофізикою і макрофізикою. Наприклад, «електрична» лінія з’єднує атом з планетою, бо структуру твердих об’єктів визначають атомні й міжмолекулярні сили, які електричного походження. «Сильна» і «слабка» лінії зв’язують ядро з зорею, оскільки сильна взаємодія, яка утримує ядра разом, також постачає енергію, вивільнену в ядерних реакціях, щоб живити зорі, і слабка сила, що приводить ядра до розпаду, крім того, запобігає надто швидкому вигорянню зір. «ВЄТ»-лінія з’єднує масштаб великого об’єднання з галактиками і їхніми скупченнями, бо флуктуації густини, які привели до цих об’єктів, виникли, коли температура Всесвіту була достатньо високою, щоб бути значною для ВЄТ-взаємодій. Ба більше, теорія Великого вибуху припускає, що ці особливості виникли, коли нинішній видимий Всесвіт був розміром з грейпфрут!

 

Значення перетину голови і хвоста, що весь Всесвіт був колись стиснутий до точки нескінченної густини (або, якщо точніше, планківської густини). Позаяк світло рухається з граничною швидкістю, ми ніяк не можемо бачити далі за відстань, пройдену світлом після Великого вибуху, за близько 10¹⁰ світлових років, найпотужніші телескопи досліджують лише до менших часів. Космологи тепер володіють досить повною картиною історії Всесвіту: якщо її розглядати назад в часі, формування галактики сталося на мільярді років після Великого вибуху, фонове проміння востаннє взаємодіяло з матерією на мільйоні років, в енергії Всесвіту переважало його випромінювання до приблизно 10 000 років, легкі елементи були створені завдяки космологічному нуклеосинтезу близько 3-ї хвилини, антиматерія була надмір представлена близько мікросекунди (до якої було всього лише дуже маленьке переважання матерії над антиматерією), електрослабке об’єднання відбулося на одній мільярдній секунди (найвища енергія, яка може бути перевірена експериментально), Велике об’єднання та інфляції відбулися на 10^-35 с, а ера квантової гравітації (найменший значущий час) була на 10^-43 с.

 

Можливо, найразючішим аспектом верхньої частини уробороса є її зв’язок з вищими вимірами. З мікроскопічного боку, це виникає, бо всі різні варіянти суперструнної теорії припускають, що Всесвіт має більше трьох просторових вимірів, які ми спостерігаємо в дійсності – ще додаткові виміри, що компактифіковані. З макроскопічного боку, більшевимірна ланка виникає, оскільки ми бачили, що деякі версії М-теорії наводять на думку, що Всесвіт може бути 4-вимірною «браною» у вищевимірному «об’ємі» [17, 18]. Це означає, що може бути багато інших бран в об’ємі, хоч ми бачили тут, що є багатосвітові припущення, які ніколи не потребують додаткових вимірів.

 

Рисунок 1.2 також має історичний аспект, бо він показує, як люди систематично розширяли найвіддаленіші й найглибші межі своєї обізнаності. Так, первісні люди знали про масштаби від 10^-2 см (кліщі) до 10⁷ см (гори); люди вісімнадцятого століття знали про масштаби від 10^-5 см (бактерії) до 10¹⁷ см (Сонячна система), а в двадцятому столітті люди знали про масштаби від приблизно 10^-13 см (атомні ядра) до 10²⁷ см (найвіддаленіші галактики). Дійсно, дивовижно, що наука вже розширила макроскопічні кордони, наскільки це можливо, хоч експериментально ми в мікроскопічному напрямку ніяк не можемо досягти масштабу набагато меншого за електрослабкий. Тому ми могли б розглядати уробороса як відбиток людського розуміння.

 

 

 

1.3 А чи є багатосвітова наука?

 

Попри все більшу популярність багатосвітового припущення, треба визнати, що для багатьох фізиків, воно залишається дуже незручним. Причина зрозуміла: ідея досить умоглядна з позицій і космології, і фізики елементарних частинок, реальність багатосвіту на сьогодні неперевірна. Дійсно, вона завжди буде залишатися такою, в тому розумінні, що астрономи ніколи не зможуть спостерігати за іншими всесвітами в телескопи, фізики-елементарники ніколи не зможуть спостерігати додаткові виміри завдяки своїм прискорювачам. Єдиним виходом було б, коли б наслідки додаткових вимірів стали «видимими» на масштабі ТеВ (тераелектронвольт), у цьому випадку вони можуть бути виявлені на Великому гадронному колайдері (ВГК), який почав працювати 2007 року. Це стане можливим лише у випадку, якщо додаткові виміри будуть завдовжки з міліметр. Проте дуже б пощастило (майже антропно), якщо масштаб квантової гравітації просто випадково виявиться збіжним з найбільшим тепер доступним енергетичним масштабом.

 

Через це деякі фізики не вважають такі ідеї належними до наукових узагалі. Оскільки наша впевненість в них основана на вірі й естетичних міркуваннях (наприклад, математичної краси), а не експериментальних даних, їх розглядають як такі, що мають більше спільного з релігією, ніж наукою. Цю думку переконливо висловлювали такі коментатори, як Шелдон Ґлешоу [22], Мартін Ґарднер (Martin Gardner) [23] і Джордж Еліс [24], з дуже різними метафізичними поглядами. Справді, Пол Дейвіс [25] дивиться на поняття багатосвіту як на метафізичне, подібне до того, як Творець тонко настроїв один всесвіт для нашого існування. Принаймні поняття багатосвіту вимагає від нас розширити наше уявлення про те, що є законною наукою.

 

В очах деяких людей, звичайно, космологія завжди межує з метафізикою. Їй постійно доводилося битися, щоб довести свою наукову респектабельність, борючись не тільки з ченцями, а й науковою ортодоксальністю. Наприклад, ще в дев’ятнадцятому столітті (набагато пізніше, ніж згасло геліоцентричне уявлення, була поширена думка, що припущення про речі за межами Сонячної системи не належні до науки. Це знайшло свій відбиток 1859 року в коментарях Оґюста Конта щодо вивчення зір [26]:

 

Ніколи, жодним способом, ми не будемо спроможні вивчати їхній хемічний склад. Поле діяльності позитивної філософії лежить цілком у межах Сонячної системи, вивчення Всесвіту недоступне для будь-якої можливої науки.

 

Однак Конт не передбачив появи спектроскопії, яка в тому ж році привела до усвідомлення Ґустава Кірхгофа, що темні лінії в сонячному спектрі були лініями поглинання, пов’язаними з хемічними елементами. Вперше це дозволило астрономам досліджувати склад далеких зір.

 

Космологія набула статусу належної науки 1915 року, коли поява загальної теорії відносності дала дисципліні надійну математичну основу. Виявлення космологічного розширення в 1920-х забезпечило їй міцний емпіричний фундамент. Проте минуло багато десятиліть, перш ніж вона здобула цілковите наукове визнання. Наприклад, Ралф Алфер (Ralf Alpher) і Роберт Герман (Robert Herman)²⁰, що працювали над космологічним нуклеосинтезом в 1940-х роках, згадують [27]: «космологія тоді була скептично розглядуваною дисципліною, не опрацьованою достатньо науковцями.» Тільки з виявленням мікрохвильового фонового проміння в 1965 році теорія гарячого Великого вибуху була закріплена як частина основної фізики, і тільки з недавніми результатами з супутника ВЗМА (отриманими після Стенфордського обговорення, яке привело до цієї книжки) вона стала кількісною наукою зі справжньою передбачувальною здатністю.

 

Утім космологія все ще відрізняється від більшості інших наукових галузей; ніхто не може експериментувати з Всесвітом, і роздуми про процеси за дуже ранніх і дуже пізніх часів залежать від фізичних теорій, які ніколи не зможуть бути безпосередньо перевірними. Через це консервативніші фізики ще схильні розглядати космологічні роздуми як такі, що виходять за межі сфери науки. Запровадження антропного міркування, безсумнівно, посилило цей погляд. З іншого боку, інші фізики, які завжди дотримувалися позитивнішої думки, і тут проявили протилежні ставлення до антропного принципу. Про це свідчать такі цитати. Перший з протагоністів Фрімен Дайсон²¹ [28]:

 

Я не відчуваю себе чужинцем в цьому Всесвіті. Чим більше я досліджую Всесвіт і вивчаю деталі його будови, тим більше підстав я знаходжу, що Всесвіт в деякому розумінні, певно, знав, що ми прийдемо.

 

Цьому може бути протиставлена думку антагоніста Гайнца Пейджелза (Heinz Pagels) [29]:

 

Вплив антропного принципу на сучасні космологічні моделі був безплідним. Він нічого не пояснив, і навіть мав негативний вплив. Я б вибрав відмову від антропного принципу як непотрібного мотлоху в понятійному репертуарі науки.

 

Проміжну позицію займає Брендон Картер [2], якого можна розглядати як одного з творців антропного принципу:

 

Антропний принцип є проміжною позицією між примітивним антропоцентризмом докоперніковської доби і так само невиправданим протилежним твердженням, що немає місця або часу в Всесвіті, які б могли бути хоч якимось чином привілейованими.

 

Все більша популярність багатосвітової картини посприяла зміщенню до Картерового погляду, бо він припускає, що антропні тонкі настроєності можуть принаймні мати «квазіфізичне» пояснення. Для непоступливих фізиків багатосвіт не може бути цілком прийнятним, однак це принаймні краще, ніж удаватися до Творця. Справді, антропно схильні фізики як Саскайнд і Вайнберґ не байдужі до багатосвіту саме тому, що він, видається, обходиться без Бога як пояснення космічного задуму²².

 

Насправді, дихотомія в приписуванні антропних тонких настроєностей Богові або багатосвіту є надто спрощеною. Хоча тонкі настроєності, звичайно, не надають незаперечних доказів Бога, так само як і існування багатосвіту не усуває Бога, бо, як підкреслив Робін Колінз [30] – немає жодної причини, чому б Творець не діяв через багатосвіт. Однак багатосвітове припущення, безумовно, є серйозним викликом для богословського погляду, тому не дивно, що воно як таке привабливе для атеїстів. Більше, Ніл Мейнсон (Neil Manson) охарактеризував багатосвіт як «останню надію для зневірених атеїстів» [31].

 

Наголошуючи на науковій легітимності антропних і багатосвітових міркувань, я не збираюся заперечувати актуальність цих питань для науково-релігійних обговорень [32]. Існування багатосвіту мало б очевидні релігійні наслідки [33], тому участь богословів є важливою. Загалом, космологія звертається до фундаментальних питань про походження матерії і розуму, які мають безпосередній стосунок до релігії, тому богослови повинні бути обізнаними з відповідями, які вона дає. Звичайно, сфера компетенції релігії виходить далеко за рамки матеріялістичних питань, які є в центрі космології. Проте, оскільки релігійні та космологічні істин перекриваються, вони повинні бути сумісними. Це підкреслював Еліс [34], який розрізняє Космологію (з великої К) – яка враховує «величний рух людства» – і космологію (з малої к), яка зосереджується тільки на фізичних аспектах Всесвіту. На його думку, мораль закладена в космосі деяким фундаментальним чином. Подібні ідеї розвивав Джон Леслі²³ [35].

 

З іншого боку, наука сама по собі не може впоратися з такими проблемами, і видається малоймовірним, що навіть в розширеній формі, потрібній, щоб дати пристановище багатосвіту, наука коли-небудь не доведе чи спростує існування Бога. Деякі люди можуть бачити у фізичному світі деякі натяки на божественне, але це може забезпечити тільки те, що Джон Полкінгорн²⁴ описує як «підштовхувальні» чинники [36].

 

Переконання щодо існування Бога повино, безумовно, досягатися «зсередини», а не «ззовні», і навіть у тих видатних фізиків, які містично схильні, віра зазвичай ніколи не основана на наукових відкриттях [37]. Через це богослов’я дістає досить коротку сповідь у цій книжці. Статті майже всіх фізиків, і навіть ті, що богословського характеру, зазвичай, обмежені в їхніх заувагах науковими міркуваннями.

 

1.4 Загальний огляд книжки

 

Частина I містить статті, що походять з двох засідань на симпозіумі «Сподівання на Кінцеву теорію», проведеному в Кембриджі у вересні 2005 року. Вони подають відповідні початкові розділи цієї книжки в історичному ракурсі й тому показують, як в цій темі рухалися вперед, поєднуючи події в космології і фізиці елементарних частинок. Початок зі статтей двох лавреатів Нобелівської премії також служить підтвердженням ступеня поважності, якого ця тема на сьогодні досягла!

 

У першій статті, «Життя в багатосвіті», основаній на його вступній промові на кембридзькому засіданні, Стівен Вайнберґ стверджує, що ідея багатосвіту є важливою зміною в характері науки, радикальним зрушенням в тому, що ми розглядаємо як законну фізику. Цей зсув викликаний поєднанням подій на теоретичному й експериментальному фронтах. Зокрема, він виділяє антропне обмеження на величину енергії вакууму чи космологічної сталої, обмеження, на яке він сам вперше вказав 1987 року і яке можна вважати одним з небагатьох успішних антропних передбачень. Він також виділяє сценарій струнного ландшафту, який, мабуть, є найправдоподібнішою теоретичною основою для багатосвітового припущення і перебуває в центрі уваги кількох подальших розділів.

 

Стаття Френка Вілчека, влучно названа «Просвітництво, знання, необізнаність, спокуса», основана на його підсумковій промові на кембридзькому засіданні. При цьому він обговорює історичні й концептуальні джерела міркувань про параметри фундаментальної фізики і космології, основані на ефектах вибору. Він описує події, які поліпшили статус таких міркувань, підкреслюючи, що вони започатковані задовго до теорії струн. Він добре знає недоліки такого розвитку подій, але визнає це частиною ціни, яку доводиться платити. Таке міркування може й повинно бути об’єднане з аргументами, основаними на симетрії і динаміці, воно їх доповнює, але не замінює. Цей погляд переконливо втілений у Вілчековій класифікації фізичних параметрів.

 

1.4.1 Космологія й астрофізика

 

Частина II містить розділи, де наголошено насамперед на космології й астрофізиці. Вступна стаття, «Космологія та багатосвіт», належить Мартіну Різу, одному з найголовніших поборників багатосвітової концепції і організатора двох кембридзьких засідань, представлених в цій книжці. В ній вказано, що частини простору і часу, безпосередньо спостережні (навіть теретично), можуть бути нескінченно малою частиною фізичної реальності. Відкидання неспостережної частини, яка придатна для наукового обговорення, від початку є невиправданим, оскільки розмитий перехід – те, що він описує як «слизький шлях» – між тим, що є спостережним і неспостережним. Після короткого розгляду деяких концептуальних питань він обговорює, на що Всесвіт був би схожим, якщо б деякі з ключових космологічних чисел були відмінні, і як можна взагалі перевірити конкретні гіпотези, які стосуються фізики, що лежить в основі багатосвіту.

 

Хоча основна увага в цій книжці приділена багатосвіту, а не антропному принципові, важливо згадати тонкі настроєності, які багатосвітова пропозиція має на меті пояснити. Дійсно, їх, через брак прямих доказів щодо інших всесвітів, можна розглядати як єдиний непрямий доказ. Це пояснює вміщення мого власного розділу, «Ще раз про антропний принцип», в якому я переглядаю наново стан деяких доводів, викладених у моїй з Різом статті 1979-го року в «Нейче» [1]. Хоча я теж змінив спрямування до більш філософського питання, я вмістив свій розділ тут, бо більшість з антропних взаємозалежностей пов’язані з космологією та астрофізикою. Я наголошую, що ключовою особливістю антропних тонких настроєностей є те, що вони здаються необхідними для появи складності впродовж еволюції Всесвіту від Великого вибуху. Існування свідомих спостерігачів є тільки одним конкретним проявом цього і не може бути основним.

 

В «Космології від верху до низу», Стівен Гокінґ протиставив різні підходи до центральних питань космології: чому Всесвіт просторово плоский і розширюється; чому він 4-вимірний; чому йому вдалося початися з малої флуктуації густини; чому застосовна Стандартна модель у фізиці елементарних частинок? Деякі фізики вважали б за краще вірити, що теорія струн або M-теорія, відповість на ці питання, і однозначно передбачить особливості Всесвіту. Інші дотримуються думки, що початковий стан Всесвіту задала стороння сила, під кодовим ім’ям Бога, або, що існує багато всесвітів, а з нашим буттям – вибраний через антропний принцип. Гокінґ стверджує, що теорія струн, навряд чи передбачить характерні риси Всесвіту. Але й також він не є поборником Бога. Тому він вибирає підхід, віддаючи перевагу моделі багатосвіту, що природно виникає в контексті його власної роботи з квантової космології.

 

Кілька інших авторів розглядають квантову космологію як забезпечення найправдоподібнішого концептуального каркасу для багатосвіту, так що книжка повертається до цієї теми пізніше. Проте багатосвітова гіпотеза буває в різних формах, і це всебічно підсумовано в розділі Макса Теґмарка «Багатосвітова єрархія». Дійсно, Теґмарк стверджує, що ключове питання полягає не в тому, чи паралельні всесвіти існують, а на скількох рівнях вони існують. Він показує, що фізична теорія виводить чотирирівневу єрархію видів паралельних всесвітів, допускаючи поступово більшу різноманітність. I рівень пов’язаний з інфляцією і містить об’єми Габла²⁵, реалізуючи всі можливі початкові умови. Це відносно не викликає заперечень, оскільки він є природним наслідком космологічного «узгодження» моделі. II рівень припускає, що різні області простору можуть проявляти різні чинні фізичні закони (тобто з різними фізичними константами, різною вимірністю і різним набором частинок). Наприклад, інфляційні моделі в сценарії струнного ландшафту розділяють на чотири все більше різні підрівні: IIа припускає ті ж чинні закони, але різні постінфляційні бульбашки; IIб припускає різні мінімуми в ефективному потенціялі супергравітації; IIв припускає різні потоки (окремих полів/просторів/ділянок) для конкретної компактифікації і IIг припускає різні компактифікації. III рівень відповідає «багатьом світам» квантової теорії. Теґмарк стверджує, що інші відгалуження хвильової функції не додають нічого якісно нового, попри те, що історично цей рівень був найспірніший. Нарешті, IV рівень припускає інші математичні структури, пов’язані з відмінними фундаментальними рівняннями фізики. Потім він порушує питання про те, як багатосвітові моделі можуть бути спростовані, і стверджує, що є серйозна «проблема вимірювання», яка повинна бути розв’язана, щоб робити перевірні прогнози на рівні II – IV. Це питання далі докладніше розглянули інші автори.

 

Теґмаркова класифікація підкреслює центральну роль інфляції, що постулює еру в дуже ранньому всесвіті, коли розширення було прискорюваним. Інфляція покликана пояснити дві найдивовижніші особливості всесвіту – його гладкість і плоскість – і для багатьох фізиків теоретично все ще є найприроднішою основою для багатосвітового сценарію. Один з головних обстоювачів антропних аспектів інфляції Андрєй Лінде, тому найзакономірніше, що він це подає у дальшому розділі – «Інфляційний багатосвіт». Він спершу подає антропний принцип в історичному контексті: хоча антропні міркування можуть допомогти нам зрозуміти багато властивостей нашого світу, впродовж тривалого часу багато науковців соромилися використовувати цей принцип у своїх дослідженнях, оскільки він видавався занадто метафізичним. Однак «хаотичний» інфляційний сценарій – якому Лінде поклав початок і тут описує – забезпечує просте обґрунтування для нього. Він зокрема виступає за «вічну» інфляцію і пов’язує це з розвитком теорії струн. Потім він розглядає наслідки цієї ідеї для темної енергії, реліктових аксіонів і порушення електрослабкої симетрії. Ці наслідки розглянуто детальніше в кількох дальших розділах, однак стаття Лінде служить прекрасним вступом до цих ідей і розглядає їх усі разом.

 

Одне з питань, порушених Лінде, – переважання темної матерії – і це перебуває в центрі уваги другої статті Френка Вілчека, «Модель/схема антропного міркування: співвідношення темної і звичайної матерії». Він зосереджується на кандидаті на темну матерію, так званому аксіоні, частинці, пов’язаній з порушенням Печеї – Квін симетрії (тобто сильної зарядової парності (ЗП)) в ранньому Всесвіті. Великі значення енергетичного рівня порушення симетрії (пов’язані з великими значеннями Печеї – Квін кута «незбігу») заборонені у загальноприйнятій космології аксіонів. Проте, якщо інфляція відбувається після порушення симетрії Печеї – Квін, великі значення дозволені, за умови, що ми живемо в областях багатосвіту, де первинний незбіг невеликий. Хоча такі області можуть займати лише невеликий об’єм багатосвіту, вони містять велику частку потенційних спостерігачів. Тому такий сценарій дає можливі антропні пояснення приблизної рівності темної матерії та густини баріонів.

 

Ми бачили, що іншою дивовижною особливістю Всесвіту є те, що його розширення, виявляється, прискорюється під впливом якоїсь форми «темної енергії». Джерело цієї енергії не визначене, але воно може бути пов’язане з космологічної сталою. Дійсно, ми бачили, одним з найзначніших успіхів антропного міркування є те, що воно може бути спроможним пояснити наявне значення космологічної сталої. Цього стосуються кілька статтей, але найвичерпніше опрацювання дав Алекс Віленкін, в статті якого, «Антропні передбачення: випадок космологічної сталої», розглянуто історію і природу цього передбачення. Він також обговорює вміщення інших змінних параметрів (таких як маса нейтрина) і наслідки для фізики елементарних частинок. Забігаючи наперед з темою, яка виникне пізніше в книжці, він підкреслює, що антропні моделі дають перевірні передбачення, які можуть бути підтверджені або сфальсифіковані за певного рівня довіри. Однак антропні передбачення завжди мають властиві розбіжності, які не можуть бути нескінченно зменшені, попри теоретичний і експериментальний прогрес.

 

Космологічна стала також відіграє центральну роль в розділі Джеймса Бйоркена, «Означення і класифікація всесвітів». Якщо поняття багатосвіту має сенс, воно потребує особливого, уніфікованого означення для всесвітів, схожих на наш власний. Вирішальним для такого типу є означення «розміру» всесвіту, і, для моделі де Сітера²⁶, Бйоркен приймає, що це буде асимптотичне значення оберненої сталої Габла. Це прямо пов’язано зі значенням космологічної сталої, так що цей параметр відіграє природну роль в його класифікації. Він також пропонує, щоб параметри вакууму і сталі взаємодії Стандартної моделі в будь-якому всесвіті залежали від цього розміру. Антропні міркування, крім того, обмежують розмір придатних для проживання всесвітів (як ми розуміємо це поняття) – рамками подвійного нашого власного. Обговорено значення цього представлення для розуміння «проблеми єрархії» в Стандартній моделі, як і загальні питання фальсифіковності й перевірності.

 

Бйоркен не намагається надати фізичну основу для моделей з різними космологічними сталими, але можливе обґрунтування виходить від теорії струн або M-теорії. Це питання обговорили декілька учасників, але найґрунтовніше обговорення космологічних застосувань ідеї дано в розділі Ренати Калош, «M/струнна теорія і антропне міркування». Тут вона викладає деякі останні космологічні дослідження М/струнної теорії і дає кілька прикладів, коли антропне міркування – у поєднанні з нашим теперішнім неповним розумінням теорії струн та супергравітації – допомагає пролити світло на таємничі властивості темної енергії. Це швидше технічна стаття, але дуже важлива, тому що вона описує результати її відомої роботи, спільної з А. Лінде, Ш. Качру (S. Kachru), С. Тріведі (S. Trivedi), яка доводить, що M/струнна теорія дозволяє моделі з додатньою космологічною сталою. Це був ключовий висновок, оскільки струнні теоретики зазвичай допускали, що стала повина бути від’ємною, так що це приклад того, як космологія привела до важливого розуміння у фізиці елементарних частинок.

 

Тісно пов’язаний з темою Калош кінцевий розділ в частині II Саваса Дімопоулоса і Скота Томаса, «Антропний принцип, темна енергія і Великий гадронний колайдер". Тут вони стверджують, що – в широкому класі теорій – антропне міркування приводить до залежної від часу енергії вакууму з характерними і потенційно спостережуваними характеристиками. Найцікавішим аспектом цієї пропозиції є те, що вона веде до передбачень, які можуть бути перевірені на Великому гадронному колайдері (ВГК), запущеному в 2007 році. Це свідчить про тісний зв’язок між космологією і фізикою елементарних частинок, так це, природно, веде до подальшої частини книжки, зосередженої на аспектах фізики елементарних частинок багатосвітової гіпотези.

 

1.4.2 Фізика елементарних частинок і квантова теорія

 

Частина III починається з двох статтей про значення констант фізики елементарних частинок, а потім переходить до зв’язку з теорією струн і закінчується статтями, що стосуються квантової теорії. Існує подвійний зв’язок з квантовою теорією, оскільки «багатосвітня» інтерпретація квантової механіки надала один з найранніших багатосвітових сценаріїв (тобто Теґмарків III рівень), а квантова космологія надає один з найостанніших.

 

Ця хвильова функція багато світу, що може досліджувати велику кількість вакуумів з різними симетріями і параметрами, є відправною точкою розділу Крейґа Гоґана, «Кварки, електрони і атоми в тісно пов’язаних всесвітах». У зв’язку з такими моделями, він вказує, що властивості всесвітів, тісно пов’язаних з нашим, можна зрозуміти, вивчаючи наслідки малих відхилень фізичних параметрів від їхніх спостережуваних значень. Маси легких ферміонів, що становлять стабільну матерію, яка складається з u- і d-кварків і електронів, мають значення у вузькому вікні, що допускає існування низки ядер, крім протонів, а також стабільні атоми з електронами оболонки, яких не поглинають їхні ядра. Позаяк живий світ з молекулами потребує стабільних ядер, крім протонів і нейтронів, ці фундаментальні параметри Стандартної моделі є гарними кандидатами для величин, значення яких визначені через ефекти вибору у багатосвіті. Гоґан також підкреслює інший можливий зв’язок зі спостереженням. Якщо маси ферміонів фіксовані стисненням брани або компактифікацією додаткових вимірів, тут можуть бути спостережені релікти цього «акту відгалуження» у вигляді гравітаційних хвиль фону.

 

У другому розділі, «Проблеми тонкої настроєності фізики елементарних частинок і антропні механізми», Джон Доног’ю підкреслює, що багато з класичних проблем фізики частинок постають в зовсім іншому світлі, якщо розглядати з перспективи багатосвіту. Параметри у фізиці елементарних частинок розглядувано як тонко настроєні, якщо величини квантових поправок до їхніх значень в теорії збурень більші порівняно з їхніми «голими» значеннями²⁷. Три параметри в Стандартній моделі особливо заплутують, тому що вони неприродно малі. Два з них – очікуване значення вакуума Гіґза і космологічна стала – складають дві великі проблеми тонкої настроєності, які мотивують галузь дослідження. Третій – фактор сильного ЗП-порушення, на який уже вказав Вілчек у своїй другій статті. Всі ці тонкі настроєності полегшені, коли пояснюють антропні обмеження, які існують в багатосвіті. Проте завдання полягає в тому, щоб побудувати реалістичну фізичну теорію багатосвіту і перевірити її. Доног’ю описує деякі дослідження явища мас кварків і лептонів, які можуть прорубати вікно в теорії багатосвіту.

 

Основна причина, чому фізики-елементарники стають зацікавленими у пропозиції багато світу, є розвиток теорії струн. Зокрема, можливість того, що М-теорія може вести до величезної кількості вакуумних станів, кожен з яких пов’язаний з відмінним всесвітом – найважливіша риса пропозиції струнного ландшафту Ленарда Саскайнда. В «Антропному ландшафті теорії струн», він робить деякі обґрунтовані припущення про ландшафт вакууму струнної теорії і – основуючись на останніх працях ряду авторів – стверджує, що ландшафт може бути неймовірно великий і різноманітний. Подобається нам чи ні, це схоже на поведінку, що породжує довіру до антропного принципу. Він розглядає теоретичні та концептуальні питання, які виникають в космології, основаній на різноманітті середовищ, що маються на увазі в теорії струн. Деякі пізніші етапи його викладу досить технічні, але ці ідеї мають істотне значення для нашої книжки. Дійсно, розділ Саскайнда вже був в архівах протягом декількох років і є однією з найцитованіших робіт у цій галузі.

 

Як уже підкреслено, «багатосвітня» інтерпретація квантової теорії забезпечила одну з найранніших версій багатосвітового сценарію, і це особливо актуально для квантової космології, яка найприродніше інтерпретована у рамках цієї пропозиції. Цей погляд дуже переконливо обстоєно в «Космології і багатосвітній інтерпретації квантової механіки» Вячеслава Муханова. Дійсно, він стверджує, що хвильова функція Всесвіту і космологічні збурення, породжені інфляцією можуть бути зрозумілими тільки в рамках Еверетової інтерпретації квантової механіки. Основна причина, чому її не сприйняли серйозно деякі фізики – вона провіщає, що всі ми маємо багато копій, що може видаватися неприємним. Однак Муханов стверджує, що ці копії не є «небезпечними», бо ми не можемо спілкуватися з ними.

 

Зв’язок з квантовою космологією досліджуватиме далі Джеймс Гартл в розділі «Антропні міркування і квантова космологія». Він підкреслює, що антропне міркування потребує теорії динаміки і квантового початкового стану Всесвіту. Будь-яке передбачення у квантовій космології потребує обох їх. Але обумовлюючись лише цією інформацією, ми очікуємо, що тільки декілька загальних особливостей Всесвіту будуть передбачені з ймовірностями близькими до одиниці. Найуспішніші передбачення умовних імовірностей – які припускають додаткову інформацію, крім динаміки і квантового стану. Антропне міркування використовує ймовірності, обумовлені нашим існуванням. Гартл розглядає корисність, обмеження і теоретичну невизначеність пов’язані з використанням таких ймовірностей, а також передбачення, обумовлені різними рівнями незнання квантового стану.

 

Зв’язок між Еверетовим представленням і багато світовою пропозицією глибоко дослідив Брендон Картер. Його розділ, «Мікроантропний принцип для квантової теорії», дещо технічний, але дуже цінний, оскільки він забезпечує відмінний історичний розгляд і приводить до інтерпретації представлення багатьох світів, яка виходить за рамки початкової версії Еверета. Ймовірнісні моделі, розроблені дослідниками, такими як Больцман на основах, що розробили основоположники, такі як Беєс, були звичайно розглядувані як наближення до детерміністичної реальності, перш ніж ролі були скасовані квантовою революцією, під керівництвом Гайзенберґа і Дірака). Відповідно, це був детерміністичний опис, що був зведений до статусу наближення, з роллю спостерігача, що стає особливо значною. На думку Картера, нестача об’єктивності в оригінальній копенгаґенській інтерпретації не була задовільним чином вирішена в нових підходах на кшталт ініційованого Еверетом. Недостатність таких інтерпретацій обумовлена їхнім небранням до уваги проблеми антропного аспекту, у тому сенсі, що є апріорна невизначеність щодо особи спостерігача. Картер примирює суб’єктивність з об’єктивністю, розмежовуючи поняття спостерігача і сприймача, чиї шанси ототожнення з конкретним спостерігачем потрібно встановлювати відповідно до антропного принципу. Передбачається, що це має бути зроблено за ентропійним підходом, згідно з яким відповідне/доцільне мікроантропне зважування береться пропорційно логаритму відповідного числа галужень Еверетового типу.

 

1.4.3 Загальніші або філософські аспекти

 

Кінцева частина книжки присвячена більше філософським та епістемологічним аспектам багатосвітової пропозиції – особливо питання її наукової законності. Розділи в цій частині також написано з інших поглядів, ніж в попередніх частинах. Тоді як автори в частинах I – III переважно позитивно ставляться до ідеї багатосвіту (інакше вони, мабуть, не вивчали б його), деякі з авторів у частині IV швидше критичні – або віддаючи перевагу більше богословським інтерпретаціям антропних збігів, або розглядаючи багатосвітові розмірковування як такі, що цілком виходять за рамки науки.

 

Найскептичніший з критиків – Лі Смолін. Його розділ, «Наукові альтернативи антропного принципу», є найбільшою статтею в книжці й відіграє вирішальну роль в об’єднанні разом усієї критики багатосвітової пропозиції. Спочатку він стверджує, що антропний принцип не можна розглядати як частину науки, оскільки він не дає ніяких фальсифіковних припущень. Заявлені успішні припущення є або незаперечними застосуваннями принципів вибору в одному всесвіті або вони залежать тільки від спостережуваних фактів, які є логічно незалежними від будь-яких припущень про життя або інтелект. Принцип посередності (вперше сформулював Віленкін) також розглянуто й оголошено ненадійним, бо аргументи для правильних висновків можуть бути легко змінені, що призводить до помилкових висновків за розумних змін в описі ансамблю, в якому ми за припущенням типові. Однак, Смолін показує, що це ще можливо зробити фальсифіковними припущеннями для багатосвітових теорій, якщо ансамбль передбачений має певні точно встановлені властивості, й він підкреслює свою власну, якій віддає перевагу, багатосвітову пропозицію – Космологічний природний вибір – який спричиняє генерацію низхідних всесвітів завдяки утворенню чорних дір. Ця пропозиція залишається нефальсифіковною, але дуже вразливою до фальсифікації, а це свідчить, що вона є належною науковою теорією. Наслідки щодо останнього застосування антропного принципу в контексті теорії струн (як описано в частині III) також обговорено.

 

Деякі інші автори в цій частині розглядають питання, чи багатосвітова пропозиція є науково прийнятною, хоча вони не всі поділяють негативний висновок Смоліна. В статті «Виробляння передбачень у багатосвіті: загадки, небезпеки, збіги», Ентоні Еквайр приймає, що поняття багатьох всесвітів з різними властивостями є однією відповіддю на питання, чому Всесвіт такий гостинний до життя. Він також визнає, що це поняття природно випливає з нинішніх ідей у вічній інфляції і M/струнній теорії. Але як ми можемо перевірити багатосвітову теорію і які з багатьох всесвітів ми порівняємо з нашим власним? В його розділі перераховано, що могло б видатися необхідними інгредієнтами для виробляння перевірних передбачень, викладено різні стратегії, які можна було б використати в рамках цієї побудови, а потім розглянуто деякі труднощі й небезпеки, пов’язані з цими підходами. Нарешті, він звертається до питання, чи передбачення багатосвітових теорій поділяють які-небудь загальні, якісні особливості.

 

Питання про перевірення особливостей є також у статті Джорджа Еліса, «Багатосвіти: опис, єдиність і перевіряння», який висновує, що багатосвітова пропозиція не є дійсно належною наукою. Він підкреслює, що багатосвіт визначають встановленням спершу простору ймовірностей потенційно сущих всесвітів, а потім функції розподілу на цьому просторі для реально сущих всесвітів. Еліс скептичний, тому що тут є неоднозначність на обох цих етапах, і ми не в змозі ні визначити зі спостережень специфічну природу будь-якого багатосвіту, заявленого існувати, ні підтвердити експериментально будь-який заявлений причинний механізм, який дозволить обумовити один. Багатосвіти можуть бути корисні в пояснювальних припущеннях, але аргументи на користь їхнього існування, зрештою, філософського характеру. Еліс не проти метафізики – справді, він багато писав на філософські й богословські питання – але він відчуває, що це не слід плутати з наукою.

 

Важливість тестування також вивчив Дон Пейдж в статті «Передбачення та перевіряння багатосвітових теорій». Пейдж також в релігійній групі, але він доходить до дещо відмінного від Еліса висновку. Багатосвіт звичайно містить в собі частини неспостережні для нас, але коли його теорія містить відповідні міри для результатів спостережень, остання може пояснити, що є спостережним, навіть якщо він містить неспостережні елементи. Отже, добрі багатосвітові теорії можуть бути перевірені. Для беєсівського порівняння різних теорій, що передбачає більш ніж одне спостереження, Пейдж заводить поняття «типовість», як вірогідність дану теорією, що випадковий результат спостереження буде принаймні крайнім результатом однакових наявних спостережень. Він також пов’язує це з інтерпретаціями квантової теорії. Деякі багатосвітові теорії можна розглядати як належні до єдиного квантового стану. Це задовольняє умовам певних рівнянь, що порушує питання, чому ці рівняння застосовують. Інші теорії можуть бути розглянуті як стосовні до більш ніж одного квантового стану, і це порушує інше питання: чому міра для множини різних всесвітів така, щоб зробити наші спостереження не дуже нетиповими?

 

Важливість доброї ймовірнісної основи для оцінення багатосвітових сценаріїв також підкреслено в розділі Ніка Бострема, «Теорія відбору спостережень і космологічна тонка настроєність». Його назва стосується методологічного засобу, призначеного для ефектів вибору спостережень. Такий засіб необхідний, якщо спостережні результати будуть отримані з космологічної теорії. Він, крім того, має застосування в інших галузях, таких як теорія еволюції, теорія ігор і основи квантової механіки. Бострем показує, що теорія вибору спостережень потребує ймовірнісного антропного принципу, що може бути формалізоване в тому, що він називає «рівнянням спостереження». Обговорено деякі наслідки цього для проблеми космологічної тонкої настроєності.

 

В подальших двох статтях прямо беруться за релігійне питання. «Чи законні антропні аргументи, пов’язані з багатосвітами і тогосвітом?» особливо бажана, тому що вона належить Вільяму Стоджеру, який сьогодні є водночас і науковцем, і священиком-єзуїтом. Розглянувши історію антропного принципу, він обговорює дві основні версії сильної форми – божественний творець або багатосвіт. Останній намагається обмежити антропні аргументи рамками науки і звертається до реально сущого ансамблю всесвітів або доменів всесвіту. Він критично досліджує науковий статус цієї пропозиції, коротко викладаючи те, що необхідне для означення і перевірності багатосвіту, а потім описує деякі суто наукові застосування антропних аргументів. Після обговорення ключових філософських припущень, на які спирається сильний антропний принцип – що Всесвіт міг бути інакшим, – і свого ставлення до можливої Кінцевої теорії, він підсумовує свої основні висновки щодо двох «трансцендентних» пояснень сильного антропного принципу. Навіть якщо багатосвіт вірогідний, щоб існувати, Стоджер не розглядатиме це як наведення остаточного пояснення, і це, звичайно, не вилучатиме існування Бога. Однак він попереджає, що такі міркування виходять за рамки науки як такої.

 

Як вказує сама назва, розділ Робіна Колінза, «Багатосвітові гіпотези: теїстичний погляд», він також займає явно богословські позиції. Багато людей підтримали багатосвітову гіпотезу як атеїстичну альтернативу для теїстичного пояснення тонкої настроєності космосу для існування життя. Однак Колінз стверджує, що багатосвітова гіпотеза також сумісна і з теїзмом – справді, він заявляє, що генерація багатьох всесвітів деякими фізичними процесами добре поєднується з традиційною вірою в те, що Бог нескінченно творчий. Оскільки такий процес має бути структурований так само правильно, щоб отримати хоча б один життєзабезпечувальний всесвіт, ця версія багатосвітової гіпотези не повністю уникає припущення задуму. Нарешті він розглядає інші вказівники на теїстичне пояснення Всесвіту, такі як краса і елегантність законів природи, і стверджує, що Теґмаркова багатосвітова гіпотеза – що всі можливі закони природи здійснені в якомусь тому чи іншому всесвіті – недостатньо враховує цей аспект законів природи.

 

Є, звичайно, альтернативні інтерпретації багатосвітової гіпотези – ні антропні, ні теїстичні. Одним з прикладів цього є Смолінова пропозиція Космологічного природного вибору. Ще одна (екзотичніша) версія, яку дослідив Бострем (хоча і не в цій книжці), та, що Всесвіт – це комп’ютерне моделювання. Це тема розділу Джона Бароу, «Життя в змодельованому/зімітованому всесвіті». Він пояснює, чому, якщо ми живемо в змодельованій/зімітованій реальності, ми могли б сподіватися з часом виявляти випадкові збої і малі дрейфи в передбачуваних константах і законах природи. Тут навіть можуть бути докази цього з астрономічних спостережень, однак інтерпретація їх залишається спірною.

 

Ще одна можлива інтерпретація з антропних настроєностей подана в кінцевому розділі «Всесвітів достаток: де ж все це закінчиться?» Пола Дейвіза, який також дещо скептичний щодо багатосвітової пропозиції. Він стверджує, що, хоча «трохи багатосвіту це добре для вас», поклика́ння на багатосвітові пояснення хоч-не-хоч є спокусливою слизькою дорогою. Неминучі крайнощі, які звідси випливають, приводять до висновків, які в кращому разі дивні, в гіршому – безглузді. Після розгляду кількох недоліків невибагливих багатосвітових пояснень, зокрема змодельованого/зімітованого багатосвіту, що обговорював Бароу, він оспорює помилкову дихотомію, що тонка настроєність вимагає існування або багатосвіту, або деякого традиційного космічного творця. Замість цього, він розглядає можливість «третього шляху», зокрема радикальне переоцінення поняття фізичного закону, і подає модельну/розважальну ілюстрацію з теорії клітинних автоматів.