Wszechświat jest tam, gdzie zawsze był i zawsze będzie. Przynajmniej tak nam powiedziano i wynika to z samego słowa „Wszechświat”. Ale niezależnie od prawdziwej natury wszechświata, nasza zdolność do gromadzenia informacji o nim jest zasadniczo ograniczona. Od Wielkiego Wybuchu minęło 13,8 miliardów lat, a prędkość, z jaką przemieszczają się informacje - najwyższa prędkość, prędkość światła - jest ograniczona. Dlatego, podczas gdy cały wszechświat może być naprawdę nieograniczony, obserwowalny wszechświat nie jest.
Zgodnie z wiodącymi ideami fizyki teoretycznej, nasz Wszechświat może być jednym małym regionem ogromnych, wielu wszechświatów, których może być nieskończenie wiele. Niektóre z tych pomysłów są naprawdę naukowe, a niektóre są czysto spekulatywnymi, pobożnymi życzeniami. Nauczmy się, jak je rozdzielać. Ale najpierw trochę tła.
Czy istnieje wiele wszechświatów?
Współczesny Wszechświat oferuje nam kilka interesujących faktów, które są bardzo łatwe do zaobserwowania i zweryfikowania, przynajmniej przy pomocy światowej klasy obiektów naukowych. Wiemy, że Wszechświat się rozszerza: możemy zmierzyć właściwości galaktyk, ustalić odległość i prędkość oddalania się od nas. Im dalej są, tym szybciej są usuwane. W kontekście ogólnej teorii względności oznacza to, że wszechświat się rozszerza.
A jeśli wszechświat się dziś rozszerza, oznacza to, że w przeszłości był mniejszy i gęstszy. Jeśli zajdziesz wystarczająco głęboko w przeszłości, przekonasz się, że był on również bardziej jednorodny (ponieważ grawitacja potrzebowała czasu, aby zebrać wszystko w stosy) i cieplejsza (ponieważ krótsze długości fal światła oznaczają wyższe energie i temperatury). To prowadzi nas z powrotem do Wielkiego Wybuchu.
Ale Wielki Wybuch nie był początkiem wszechświata. W przeszłość możemy spojrzeć tylko do pewnego momentu, po którym przepowiednie Wielkiego Wybuchu przestają się sprawdzać. Istnieje kilka obserwacji rzeczy we wszechświecie, których Wielki Wybuch nie wyjaśnia, ale tak jest w teorii kosmicznej inflacji.
Film promocyjny:
W latach 80. opracowano kilka teoretycznych implikacji inflacji, w tym:
- jak powinno wyglądać obsiewanie struktur na dużą skalę;
- że fluktuacje temperatury i gęstości muszą występować w skali wykraczającej poza kosmiczny horyzont;
- że wszystkie obszary przestrzeni, nawet z fluktuacjami, muszą mieć stałą entropię;
- powinna być maksymalną temperaturą osiągniętą przez Wielki Wybuch.
W latach 90., 2000 i 2010 te cztery prognozy zostały potwierdzone obserwacyjnie z dużą dokładnością. Wygrywa kosmiczna inflacja.
Inflacja mówi nam, że przed Wielkim Wybuchem wszechświat nie był wypełniony cząstkami, antycząstkami i promieniowaniem. Zamiast tego był wypełniony energią właściwą dla samej przestrzeni, a ta energia spowodowała, że przestrzeń rozszerzyła się szybko, nieubłaganie i wykładniczo. W pewnym momencie inflacja się skończyła i cała (lub prawie cała) ta energia została przekształcona w materię i energię, inicjując gorący Wielki Wybuch. Koniec inflacji oznaczał początek Wielkiego Wybuchu. To znaczy był Wielki Wybuch, ale nie na samym początku.
Gdyby to była cała historia, mielibyśmy w rękach jeden niezwykle duży wszechświat. Jego właściwości byłyby wszędzie takie same, prawa są takie same, a części znajdujące się poza widzialnym horyzontem byłyby podobne do miejsca, w którym się znajdujemy, ale nie byłoby możliwe nazwanie ich wieloma wszechświatami.
Oznacza to, że nie byłoby to możliwe, dopóki nie przypomnisz sobie, że wszystko, co istnieje fizycznie, musi mieć naturę kwantową. Nawet inflacja, ze wszystkimi otaczającymi ją niewiadomymi, musi być polem kwantowym.
Jeśli potrzebujesz inflacji, aby mieć właściwości pól kwantowych:
- w jego właściwościach muszą być nieodłączne niepewności;
- pole musi być opisane funkcją falową;
- wartości pól rozciągają się w czasie;
wtedy dojdziesz do niezwykłego wniosku.
Inflacja nie kończyła się wszędzie w tym samym czasie, ale raczej w oddzielnych, wybranych, niezależnych lokalizacjach, a przestrzeń między nimi nadal się powiększała. Musi istnieć kilka ogromnych obszarów przestrzeni, w których kończy się inflacja, a zaczyna się Wielki Wybuch, ale one nigdy się nie spotkają, ponieważ są oddzielone obszarami pęczniejącej przestrzeni. Raz rozpoczęta inflacja będzie trwała na pewno i w nieskończoność, przynajmniej w niektórych miejscach.
Kiedy inflacja się kończy, mamy wielki wybuch. Ta część Wszechświata, którą obserwujemy, jest tylko częścią regionu, w którym zakończyła się inflacja, poza którym jest dużo nieobserwowalnego Wszechświata. Istnieje ogromna liczba podzielonych między siebie regionów o dokładnie tej samej historii.
To jest idea wielu wszechświatów. Jak widać, opiera się na dwóch niezależnych, dobrze ugruntowanych i szeroko akceptowanych aspektach fizyki teoretycznej: kwantowej naturze wszystkiego i właściwościach kosmicznej inflacji. Nie ma sposobu, aby go zmierzyć i nie ma sposobu, aby zmierzyć nieobserwowalną część wszechświata. Ale dwie teorie, na których się opiera, inflacja i fizyka kwantowa, pokazały swoją wartość. Jeśli są poprawne, nieuniknioną konsekwencją tego będzie wiele wszechświatów i będziemy w nich żyć.
Więc co? Istnieje wiele implikacji teoretycznych, które są nieuniknione, ale których nie możemy być pewni, ponieważ nie możemy ich zweryfikować. Jedną z takich konsekwencji jest wiele wszechświatów. Nie żeby to było pomocne, to po prostu interesująca prognoza pochodząca z teorii.
Dlaczego tak wielu fizyków teoretycznych pisze prace o wielu wszechświatach? Na temat wszechświatów równoległych i ich relacji z naszym? Dlaczego twierdzą, że wiele wszechświatów jest związanych ze strunami, stałą kosmologiczną i faktem, że nasz wszechświat jest idealnie dostrojony do życia?
Ponieważ nie mają lepszych pomysłów.
W kontekście teorii strun istnieje ogromna lista parametrów, które w zasadzie mogą przyjąć prawie każdą wartość. Ta teoria nie przewiduje dla nich żadnych przewidywań, więc jesteśmy zmuszeni rozgryźć ich znaczenie w kontekście wakuy struny. Jeśli słyszałeś o niewiarygodnie dużych liczbach, takich jak słynna siła od 10 do 500, które pojawiają się w teorii strun, odnoszą się one do możliwych znaczeń wakua struny. Nie wiemy jeszcze, czym one są ani dlaczego mają takie znaczenie. Nikt nie wie, jak je policzyć.
Zamiast więc mówić: „To jest wiele wszechświatów!”, Ludzie myślą w ten sposób:
- Nie wiemy, dlaczego podstawowe stałe mają wartości, które mają.
- Nie wiemy, dlaczego prawa fizyki są tym, czym są.
- Teoria strun jest strukturą, która może dostarczyć naszym prawom fizyki naszych fundamentalnych stałych, a także dać nam inne prawa lub stałe.
- W konsekwencji, jeśli mamy ogromne, wielokrotne wszechświaty, w których różne regiony będą miały różne prawa i stałe, jeden z nich może należeć do nas.
Problem polega na tym, że wszystko to jest nie tylko czysto spekulatywne, ale nie ma powodu, biorąc pod uwagę inflację i fizykę kwantową, by wierzyć, że pęczniejąca czasoprzestrzeń ma różne prawa lub stałe w różnych regionach.
Nie podoba Ci się takie podejście do rozumowania? I nikt tego nie lubi.
Jak już się dowiedzieliśmy, wiele wszechświatów nie jest samą w sobie teorią naukową. Jest to raczej teoretyczna konsekwencja praw fizyki w ich pełnym rozumieniu. Nawet jeśli masz inflacyjny wszechświat rządzony przez fizykę kwantową, będziesz do niego przywiązany. Ale - podobnie jak teoria strun - ma problemy: nie przewiduje niczego, co zaobserwowaliśmy i nie moglibyśmy bez niej wyjaśnić, i nie przewiduje niczego konkretnego, na co moglibyśmy pójść i na co spojrzeć.
W tym fizycznym wszechświecie ważne jest, aby obserwować wszystko, co możemy, i krok po kroku gromadzić wiedzę, do której mamy dostęp. Jedynie na podstawie pełnego zestawu danych, które mamy nadzieję, będą poprawne, będzie można dokonać naukowych ocen natury wszechświata. Niektóre z tych odkryć będą miały konsekwencje, których nie możemy zmierzyć i udowodnić: na przykład istnienie wielu wszechświatów. Ale kiedy ludzie mówią o fundamentalnych stałych, o prawach fizyki, o wartościach próżni w strunach, nie zajmują się nauką, po prostu mówią. Możesz plotkować o wielu wszechświatach tak bardzo, jak chcesz i przytaczać jako przykład wybitne prace takich teoretyków, ale nie możesz zrobić tego naukowego poglądu.
Ilya Khel
