„Najbardziej niezrozumiałą rzeczą we wszechświecie jest to, że jest zrozumiały” - powiedział kiedyś Albert Einstein. W dzisiejszych czasach trudno jednak nazwać wszechświat zrozumiałym lub nawet wyjątkowym. Fizyka fundamentalna przeżywa kryzys z dwoma popularnymi koncepcjami, często określanymi jako „multiwers” i „brzydko odwrotny”, które dosłownie oznaczają „wieloświat” i „brzydki wszechświat”.
Jak działa wszechświat?
Zwolennicy wszechświata wielokrotnego bronią idei istnienia niezliczonych innych wszechświatów, z których niektóre mają zupełnie inną fizykę i liczbę wymiarów przestrzennych; w tych wszechświatach ty, ja i wszyscy inni mogą istnieć jako niezliczone kopie. „Wieloświat może być najniebezpieczniejszym pomysłem w fizyce” - powiedział kosmolog z RPA George Ellis.
Odkrycie nieprawdopodobnego zbiegów okoliczności od najwcześniejszych dni nauki powodowało konieczność jego wyjaśnienia, poszukiwania ukrytej przyczyny i motywu. Współczesne przykłady obejmują to: prawa fizyki wydają się być precyzyjnie dostrojone, aby umożliwić inteligentnym istotom wykrycie tych praw - zbieg okoliczności, który wymaga wyjaśnienia.
Wraz z nadejściem multiwersu wszystko się zmieniło: bez względu na to, jak niewiarygodny jest zbieg okoliczności, w miliardach miliardów wszechświatów, które składają się na multiwers, przynajmniej gdzieś - tak się stanie. A jeśli przypadek wydaje się sprzyjać powstawaniu złożonych struktur, życia czy świadomości, nie powinniśmy być nawet zaskoczeni, że znajdujemy się we wszechświecie, który w pierwszej kolejności pozwala nam istnieć. Ale to „rozumowanie antropiczne” implikuje z kolei, że nie możemy niczego przewidzieć. Nie ma oczywistych zasad, według których fizycy CERN powinni szukać nowych cząstek. Nie ma też żadnego fundamentalnego prawa, które stoi za przypadkowymi właściwościami wszechświata.
Inny problem stał się zupełnie inny, ale nie mniej niebezpieczny - „brzydki wszechświat”. Zdaniem fizyka teoretycznego Sabiny Hossenfelder współczesna fizyka była zdumiona jej pociągiem do „piękna”, co doprowadziło do pojawienia się matematycznie eleganckich, spekulatywnych fantazji niezwiązanych z eksperymentami. Fizycy „zagubili się w matematyce” - mówi. A to, co fizycy nazywają „pięknem”, to struktury i symetrie. Jeśli nie będziemy mogli dłużej polegać na takich koncepcjach, różnica między zrozumieniem a zwykłym dostosowaniem się do danych eksperymentalnych zostanie zatarta.
Oba problemy mają swoje korzenie. „Dlaczego prawa natury nie przejmują się tym, co uważam za piękne?”, Pyta słusznie Hossenfelder. A odpowiedź brzmi: nie obchodzi ich to. Oczywiście natura mogłaby być złożona, zagmatwana i niezrozumiała - gdyby była klasyczna. Ale natura nie jest taka. Natura jest mechaniczna kwantowo. I chociaż fizyka klasyczna jest nauką o naszym codziennym życiu, w której obiekty można od siebie oddzielić, mechanika kwantowa jest inna. Stan twojego samochodu nie ma związku z kolorem sukienki twojej żony. Ale w mechanice kwantowej wszystkie rzeczy są ze sobą przyczynowo powiązane, co Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”. Takie korelacje tworzą strukturę, a struktura jest piękna.
Film promocyjny:
W przeciwieństwie do tego, multiwersowi trudno zaprzeczyć. W szczególności mechanika kwantowa dobrze to traktuje. Wystrzeliwanie pojedynczych elektronów w ekran z dwoma szczelinami powoduje pojawienie się wzoru interferencyjnego na detektorze za ekranem. W każdym przypadku okazuje się, że elektron przechodzi za każdym razem przez obie szczeliny.
Fizyka kwantowa to nauka stojąca za eksplozjami jądrowymi, smartfonami i zderzeniami cząstek - i jest znana ze swoich dziwaków, takich jak kot Schrödingera zawieszony między życiem a śmiercią. W mechanice kwantowej różne rzeczywistości mogą nakładać się na siebie (np. „Cząstka tutaj” i „cząstka tam” lub „kot żyje” i „kot nie żyje”), jak fale na powierzchni jeziora. Cząstka może znajdować się w połowie tutaj, a w połowie tam. Nazywa się to superpozycją i to właśnie prowadzi do pojawienia się wzoru interferencyjnego.
Pierwotnie opracowana w celu opisania mikroskopijnego świata, mechanika kwantowa wykazała w ostatnich latach, że kontroluje coraz większe obiekty, o ile są one dostatecznie odizolowane od środowiska. Jednak z jakiegoś powodu nasze codzienne życie jest w jakiś sposób chronione przed zbyt wieloma kwantowymi dziwactwami. Nikt nigdy nie widział na wpół martwego kota i za każdym razem, gdy mierzysz pozycję cząstki, uzyskujesz określony wynik.
Interpretacja bezpośrednia zakłada, że wszystkie możliwe opcje są realizowane, aczkolwiek w różnych, ale równoległych rzeczywistościach „gałęzi Everetta” - nazwanych imieniem Hugh Everetta, który jako pierwszy bronił tego punktu widzenia, znanego jako wieloświatowa interpretacja mechaniki kwantowej. „Wiele światów” Everetta w rzeczywistości reprezentuje tylko jeden przykład multiwersu - jeden z czterech. Pozostałe dwa są mniej interesujące, a trzeci to „krajobraz teorii strun”, do którego wrócimy później.
Uciekając się do mechaniki kwantowej, aby uzasadnić piękno fizyki, wydaje się, że poświęcamy wyjątkowość wszechświata. Jednak ten wniosek jest tylko powierzchowny. W takim obrazie zwykle pomija się fakt, że multiwers Everetta nie jest fundamentalny. Jest to tylko pozorne lub „wyłaniające się”, jak to ujął filozof David Wallace z University of Southern California.
Aby zrozumieć ten punkt, musisz zrozumieć zasadę leżącą u podstaw zarówno pomiarów kwantowych, jak i „niesamowitej akcji na odległość”. Kluczem do obu zjawisk jest koncepcja „splątania”, na którą w 1935 roku wskazali Einstein, Boris Podolsky i Nathaniel Rosen: w mechanice kwantowej układ dwóch splątanych spinów o sumie zerowej może polegać na nałożeniu się par spinów o przeciwnych kierunkach obrotu z absolutną niepewnością co do kierunków rotacji jednostki kręci się. Splątanie to naturalny sposób łączenia części w całość; indywidualne właściwości składników przestają istnieć na rzecz silnie powiązanego systemu ogólnego.
Ilekroć układ kwantowy jest mierzony lub kojarzony ze środowiskiem, splątanie odgrywa ważną rolę: układ kwantowy, obserwator i reszta wszechświata są ze sobą splecione. Z punktu widzenia lokalnego obserwatora informacja zostaje rozproszona w nieznanym środowisku i rozpoczyna się proces „dekoherencji”. Dekoherencja jest czynnikiem klasycznym: opisuje utratę właściwości kwantowych, gdy układ kwantowy wchodzi w interakcję z otoczeniem. Dekoherencja działa jak zamek błyskawiczny między równoległymi rzeczywistościami fizyki kwantowej. Z punktu widzenia obserwatora wszechświat „rozdziela się” na oddzielne gałęzie Everetta. Obserwator obserwuje żywego kota lub martwego kota, ale nic pomiędzy. Dla niego świat jawi się jako klasyczny, chociaż z globalnego punktu widzenia nadal jest mechaniką kwantową. Tak właściwie,z tego punktu widzenia cały wszechświat jest obiektem kwantowym.
Monizm kwantowy
I tu czerpiemy z najciekawszej koncepcji „monizmu kwantowego” zaproponowanej przez filozofa Jonathana Schaffera. Shaffer zastanawiał się, z czego zbudowany jest wszechświat. Zgodnie z monizmem kwantowym podstawowa warstwa rzeczywistości nie składa się z cząstek ani strun, ale z samego wszechświata, rozumianego nie jako suma elementów składowych, ale jako pojedynczy splątany stan kwantowy.
Podobne myśli wyrażał już wcześniej, na przykład, fizyk i filozof Karl Friedrich von Weizsacker: Biorąc poważnie mechanikę kwantową, przewiduje się wyjątkową, zunifikowaną rzeczywistość kwantową, która leży u podstaw multiwersu. Jednorodność i drobne fluktuacje temperatury kosmicznego mikrofalowego tła, które wskazują, że obserwowalny wszechświat można prześledzić wstecz do pojedynczego stanu kwantowego, zwykle związanego z kwantowym polem pierwotnej inflacji, potwierdzają ten pogląd.
Ponadto wniosek ten rozciąga się na inne koncepcje multiwersu. Ponieważ splątanie jest uniwersalne, nie ogranicza się do naszej kosmicznej bańki. Niezależnie od tego, czym jest multiwers, jeśli przyjmiecie monizm kwantowy, wszystko będzie częścią jednej całości: zawsze będzie istniała bardziej fundamentalna warstwa rzeczywistości leżąca u podstaw multiwersu w multiwersie, a ta warstwa będzie wyjątkowa.
Zarówno monizm kwantowy, jak i interpretacja wielu światów Everetta są przewidywaniami mechaniki kwantowej. Wyróżnia je tylko perspektywa: to, co z punktu widzenia lokalnego obserwatora będzie wyglądać jak „wiele światów”, w rzeczywistości reprezentuje jeden niepowtarzalny wszechświat z globalnego punktu widzenia (na przykład stworzenie, które może zobaczyć cały wszechświat z zewnątrz).
Innymi słowy, wiele światów to monizm kwantowy widziany oczami obserwatora z ograniczonymi informacjami o wszechświecie. W rzeczywistości pierwotną motywacją Everetta było opracowanie kwantowego opisu całego wszechświata w postaci „uniwersalnej funkcji falowej”. Spójrz na to jak przez zachmurzone okno: natura jest podzielona na wiele części, ale to tylko zniekształcenie perspektywy.
Można uniknąć monizmu i wielu światów, ale tylko wtedy, gdy ktoś zmieni formalizm mechaniki kwantowej - zwykle jest to sprzeczne ze specjalną teorią względności Einsteina - lub ktoś przedstawia mechanikę kwantową nie jako teorię o nauce, ale jako o wiedzy: ludzkie idee, ale nie nauka.
W swojej obecnej formie monizm kwantowy należy postrzegać jako kluczową koncepcję współczesnej fizyki: wyjaśnia, dlaczego „piękno” postrzegane jako struktura, korelacja i symetria między zewnętrznie niezależnymi sferami przyrody nie jest zniekształconym ideałem estetycznym, ale konsekwencją oddzielenia natury od jednej stan kwantowy. Co więcej, monizm kwantowy eliminuje również potrzebę istnienia wielu wszechświatów, ponieważ przewiduje korelacje realizowane nie tylko w jednym narodzonym wszechświecie, ale w dowolnej gałęzi multiwersu.
Wreszcie monizm kwantowy mógłby rozwiązać kryzys eksperymentalnej fizyki fundamentalnej, która polega na coraz większych zderzaczach do badania coraz mniejszych składników przyrody. Ponieważ najmniejsze elementy nie będą podstawową warstwą rzeczywistości. Studiowanie podstaw mechaniki kwantowej, nowych dziedzin kwantowej teorii pola czy największych struktur w kosmologii może być równie satysfakcjonujące.
Wszystko to oznacza, że nie możemy przestać szukać. W końcu tego pragnienia nie można nam odebrać. Gdzieś głęboko w dole znajduje się wyjątkowa, zrozumiała i fundamentalna rzeczywistość.
Ilya Khel