Pomysł multiwersum stwierdza, że istnieje arbitralnie duża liczba Wszechświatów takich jak nasz… tam, osadzonych w naszym Multiwersum. Jest możliwe, ale nie konieczne, aby istniały inne kieszenie w obrębie Multiwersum, w których prawa fizyki są inne.
Wyglądaj na Wszechświat ile chcesz, z dowolnie potężną technologią, a nigdy nie znajdziesz krawędzi. Przestrzeń kosmiczna ciągnie się tak daleko, jak tylko możemy zobaczyć, a wszędzie, gdzie patrzymy, widzimy te same rzeczy: materię i promieniowanie. We wszystkich kierunkach znajdujemy te same znaki rozpoznawcze rozszerzającego się Wszechświata: promieniowanie pozostałe po gorącym, gęstym stanie; galaktyki, które ewoluują pod względem rozmiaru, masy i liczby; pierwiastki, które zmieniają swoje stężenie w miarę jak gwiazdy żyją i umierają.
Ale co leży poza naszym obserwowalnym Wszechświatem? Czy istnieje otchłań nicości poza sygnałami świetlnymi, które mogły do nas dotrzeć od czasu Wielkiego Wybuchu? Czy jest tam więcej Wszechświatów takich jak nasz, poza naszymi granicami obserwacyjnymi? A może istnieje Multiwersum, tajemnicze w swej naturze i na zawsze niezdolne do poznania?
Jeśli nie ma czegoś poważnie złego w naszym rozumieniu Wszechświata, Multiwersum musi być odpowiedzią. Oto dlaczego.
Artystyczna koncepcja obserwowalnego wszechświata w skali logarytmicznej. Zauważ, że jesteśmy ograniczeni w tym, jak daleko… możemy sięgnąć wzrokiem przez ilość czasu, który upłynął od gorącego Wielkiego Wybuchu: 13,8 miliarda lat, lub (włączając ekspansję Wszechświata) 46 miliardów lat świetlnych. Każdy żyjący w naszym Wszechświecie, w dowolnym miejscu, widziałby prawie dokładnie to samo ze swojego punktu obserwacyjnego.
Użytkownik Wikipedii Pablo Carlos Budassi
Wieloświat jest niezwykle kontrowersyjnym pomysłem, ale w swojej istocie jest to bardzo prosta koncepcja. Tak jak Ziemia nie zajmuje specjalnej pozycji we Wszechświecie, ani Słońce, Droga Mleczna, ani żadna inna lokalizacja, tak Multiwersum idzie o krok dalej i twierdzi, że nie ma nic specjalnego w całym widzialnym Wszechświecie.
Wieloświat to pomysł, że nasz Wszechświat i wszystko, co się w nim znajduje, jest tylko jedną małą częścią większej struktury. Ten większy byt obejmuje nasz obserwowalny Wszechświat jako małą część większego Wszechświata, który rozciąga się poza granice naszych obserwacji. Ta cała struktura – nieobserwowalny Wszechświat – może sama być częścią większej czasoprzestrzeni, która zawiera wiele innych, rozłącznych Wszechświatów, które mogą, ale nie muszą być podobne do Wszechświata, który zamieszkujemy.
Lustracja wielu, niezależnych Wszechświatów, przyczynowo rozłączonych od siebie w…. stale rozszerzającym się kosmicznym oceanie, jest jednym z przedstawień idei Multiwersum.
Ozytive / Domena publiczna
Jeśli to jest idea Multiwersum, mogę zrozumieć twój sceptycyzm wobec koncepcji, że moglibyśmy w jakiś sposób wiedzieć, czy ono istnieje, czy nie. W końcu fizyka i astronomia są naukami, które polegają na mierzalnym, eksperymentalnym, lub w inny sposób obserwacyjnym potwierdzeniu. Jeśli szukamy dowodów na istnienie czegoś, co istnieje poza naszym widzialnym Wszechświatem i nie pozostawia w nim żadnych śladów, wydaje się, że idea Wieloświata jest z gruntu niesprawdzalna.
Ale są różne rzeczy, których nie możemy zaobserwować, a które wiemy, że muszą być prawdziwe. Dziesiątki lat przed bezpośrednim wykryciem fal grawitacyjnych wiedzieliśmy, że muszą one istnieć, ponieważ obserwowaliśmy ich efekty. Pulsary podwójne – wirujące gwiazdy neutronowe orbitujące wokół siebie – zaobserwowano, że ich okresy rewolucyjne skracają się. Coś musiało odprowadzać energię, a to coś było zgodne z przewidywaniami fal grawitacyjnych.
Szybkość rozpadu orbitalnego pulsara binarnego jest wysoce zależna od prędkości grawitacji i… parametrów orbitalnych układu binarnego. Użyliśmy danych z pulsarów binarnych do wyznaczenia prędkości grawitacji równej prędkości światła z dokładnością do 99,8%, oraz do stwierdzenia istnienia fal grawitacyjnych dekady przed wykryciem ich przez LIGO i Virgo.
NASA (L), Max Planck Institute for Radio Astronomy / Michael Kramer (R)
Choć z pewnością z zadowoleniem przyjęliśmy potwierdzenie, że LIGO i Virgo dostarczyły fal grawitacyjnych poprzez bezpośrednią detekcję, wiedzieliśmy już, że muszą one istnieć z powodu tych pośrednich dowodów. Ci, którzy twierdzą, że dowody pośrednie nie są wskaźnikiem istnienia fal grawitacyjnych, mogą nadal nie być przekonani, że binarne pulsary je emitują; LIGO i Virgo nie widziały fal grawitacyjnych, które pochodziły z obserwowanych przez nas binarnych pulsarów.
Jeśli więc nie możemy bezpośrednio obserwować Wieloświata, jakie mamy pośrednie dowody na jego istnienie? Skąd wiemy, że istnieje więcej nieobserwowalnego Wszechświata poza tą częścią, którą możemy obserwować, i skąd wiemy, że to, co nazywamy naszym Wszechświatem, jest prawdopodobnie tylko jednym z wielu osadzonych w Multiwersum?
Spoglądamy na sam Wszechświat i wyciągamy wnioski o jego naturze na podstawie tego, co ujawniają obserwacje na jego temat.
Światło z kosmicznego mikrofalowego tła i wzór fluktuacji z niego daje nam jeden… sposób na zmierzenie krzywizny Wszechświata. Według naszych najlepszych pomiarów, z dokładnością do 1 części na około 400, Wszechświat jest idealnie płaski przestrzennie.
Smoot Cosmology Group / Lawrence Berkeley Labs
Gdy patrzymy w kierunku krawędzi obserwowalnego Wszechświata, zauważamy, że promienie świetlne emitowane od najwcześniejszych czasów – z kosmicznego mikrofalowego tła – tworzą szczególne wzory na niebie. Wzory te nie tylko ujawniają fluktuacje gęstości i temperatury, z którymi narodził się Wszechświat, jak również skład materii i energii Wszechświata, ale również geometrię samej przestrzeni.
Możemy z tego wywnioskować, że przestrzeń nie jest pozytywnie zakrzywiona (jak kula) lub negatywnie zakrzywiona (jak siodło), ale raczej przestrzennie płaska, co wskazuje, że nieobserwowalny Wszechświat prawdopodobnie rozciąga się daleko poza część, do której mamy dostęp. Nigdy nie jest zakrzywiony, nigdy się nie powtarza i nie ma w nim pustych przestrzeni. Jeśli jest zakrzywiony, to ma średnicę setki razy większą niż ta część, którą możemy zobaczyć.
Z każdą upływającą sekundą odsłania się przed nami więcej Wszechświata, tak jak nasz własny, co jest zgodne z tym obrazem.
Obserwowalny Wszechświat może mieć 46 miliardów lat świetlnych we wszystkich kierunkach z naszego punktu widzenia,… ale z pewnością jest więcej, nieobserwowalnego Wszechświata, być może nawet nieskończona ilość, tak jak nasz poza nim. Z czasem będziemy w stanie zobaczyć więcej z niego, ostatecznie ujawniając około 2,3 razy więcej materii niż możemy obecnie zobaczyć.
Frédéric MICHEL i Andrew Z. Colvin, z adnotacjami E. Siegela
To może wskazywać, że jest więcej nieobserwowalnego Wszechświata poza częścią naszego Wszechświata, do której mamy dostęp, ale nie dowodzi tego i nie dostarcza dowodów na Multiwersum. Istnieją jednak dwie koncepcje w fizyce, które zostały ustalone ponad wszelką wątpliwość: inflacja kosmiczna i fizyka kwantowa.
Inflacja kosmiczna jest teorią, która dała początek gorącemu Wielkiemu Wybuchowi. Zamiast zaczynać od osobliwości, istnieje fizyczna granica tego, jak gorące i gęste mogły być początkowe, wczesne stadia naszego rozszerzającego się Wszechświata. Gdybyśmy osiągnęli dowolnie wysokie temperatury w przeszłości, pojawiłyby się wyraźne ślady, których tam nie ma:
- Wczesne fluktuacje temperatury o dużej amplitudzie,
- Wahania gęstości nasienia ograniczone skalą kosmicznego horyzontu,
- oraz pozostałości wysokoenergetycznych reliktów z wczesnych czasów, takich jak monopole magnetyczne.
Inflacja powoduje, że przestrzeń rozszerza się wykładniczo, co może bardzo szybko spowodować, że każda istniejąca wcześniej… zakrzywiona lub niegładka przestrzeń stanie się płaska. Jeśli Wszechświat jest zakrzywiony, ma promień krzywizny, który jest co najmniej setki razy większy niż to, co możemy zaobserwować.
E. Siegel (L); samouczek kosmologii Neda Wrighta (R)
Wszystkich tych sygnatur brakuje. Fluktuacje temperatury są na poziomie 0,003%; fluktuacje gęstości przekraczają skalę kosmicznego horyzontu; limity na monopole i inne relikty są niewiarygodnie rygorystyczne. Fakt, że tych sygnatur tam nie ma, ma ogromną implikację: Wszechświat nigdy nie osiągnął tych arbitralnie wysokich temperatur. Coś innego pojawiło się przed gorącym Wielkim Wybuchem, aby go ustanowić.
W tym miejscu wkracza kosmiczna inflacja. Teoria ta, powstała na początku lat 80-tych, miała na celu rozwiązanie wielu zagadek związanych z Wielkim Wybuchem, ale zrobiła to, czego można oczekiwać od każdej nowej teorii fizycznej: stworzyła mierzalne, testowalne przewidywania dotyczące obserwowalnych sygnatur, które pojawią się w naszym Wszechświecie.
Widzimy przewidywany brak zakrzywienia przestrzennego; widzimy adiabatyczną naturę fluktuacji, z którymi narodził się Wszechświat; wykryliśmy spektrum i wielkość początkowych fluktuacji, które pasują do przewidywań inflacji; widzieliśmy fluktuacje nad horyzontem, które według przewidywań inflacji muszą powstać.
Wahania czasoprzestrzeni w skali kwantowej rozciągają się na cały Wszechświat podczas… inflacji, dając początek niedoskonałościom zarówno w gęstości, jak i falach grawitacyjnych. Nie wiadomo, czy inflacja powstała z ewentualnej osobliwości, czy nie, ale sygnatury tego, czy do niej doszło, są dostępne w naszym obserwowalnym Wszechświecie.
E. Siegel, z obrazami pochodzącymi z ESA/Planck i DoE/NASA/ NSF interagency task force on CMB research
Możemy nie wiedzieć wszystkiego o inflacji, ale mamy bardzo silny zestaw dowodów, które wspierają okres we wczesnym Wszechświecie, w którym do niej doszło. Ustanowiła ona i dała początek Wielkiemu Wybuchowi, i przewiduje zestaw i spektrum fluktuacji, które dały początek nasionom struktury, które urosły w kosmiczną sieć, którą obserwujemy dzisiaj. Tylko inflacja, tak dalece jak wiemy, daje nam przewidywania dla naszego Wszechświata, które pasują do tego, co obserwujemy.
„Więc, wielka sprawa”, mógłbyś powiedzieć. „Wzięliście mały obszar przestrzeni, pozwoliliście inflacji rozszerzyć go do bardzo dużej objętości, a nasz obserwowalny, widzialny Wszechświat jest zawarty w tej objętości. Nawet jeśli to wszystko jest w porządku, to mówi nam to tylko, że nasz nieobserwowalny Wszechświat rozciąga się daleko poza widzialną część. Wcale nie ustaliłeś Wieloświata.”
I to wszystko byłoby poprawne. Ale pamiętaj, jest jeszcze jeden składnik, który musimy dodać: fizyka kwantowa.
Ilustracja pomiędzy nieodłączną niepewnością pomiędzy pozycją i pędem na poziomie kwantowym…. Istnieje granica tego, jak dobrze można zmierzyć te dwie wielkości jednocześnie, a niepewność pojawia się w miejscach, w których ludzie często najmniej się jej spodziewają.
E. Siegel / Wikimedia Commons użytkownik Maschen
Inflacja jest traktowana jako pole, podobnie jak wszystkie kwanty, o których wiemy we Wszechświecie, przestrzegające zasad kwantowej teorii pola. We Wszechświecie kwantowym istnieje wiele kontrintuicyjnych reguł, które są przestrzegane, ale najbardziej istotną dla naszych celów jest reguła rządząca niepewnością kwantową.
Podczas gdy konwencjonalnie postrzegamy niepewność jako wzajemnie występującą między dwiema zmiennymi – pęd i położenie, energia i czas, pęd kątowy wzajemnie prostopadłych kierunków, itp. W miarę upływu czasu wartość pola, która była ostateczna we wcześniejszym czasie, ma teraz mniej pewną wartość; można jej przypisać tylko prawdopodobieństwo.
Innymi słowy, wartość dowolnego pola kwantowego rozciąga się w czasie.
W miarę upływu czasu, nawet dla prostej, pojedynczej cząstki, jej kwantowa funkcja falowa, która opisuje jej… pozycję, rozłoży się, spontanicznie, w czasie. Dzieje się tak dla wszystkich cząstek kwantowych dla niezliczonej ilości właściwości poza położeniem, takich jak wartość pola.
Hans de Vries / Physics Quest
Teraz połączmy to: mamy nadmuchiwany Wszechświat z jednej strony i fizykę kwantową z drugiej. Możemy wyobrazić sobie inflację jako piłkę toczącą się bardzo powoli po szczycie płaskiego wzgórza. Tak długo, jak piłka pozostaje na szczycie wzgórza, inflacja trwa. Kiedy jednak kula osiągnie koniec płaskiej części, stacza się do doliny poniżej, która przekształca energię z samego pola inflacyjnego w materię i energię.
Ta konwersja oznacza koniec kosmicznej inflacji poprzez proces znany jako ponowne ogrzewanie i daje początek gorącemu Wielkiemu Wybuchowi, który wszyscy znamy. Ale rzecz w tym, że kiedy Wszechświat się napełnia, wartość pola zmienia się powoli. W różnych regionach nadmuchiwania wartość pola rozchodzi się losowo w różnym stopniu i w różnych kierunkach. W niektórych regionach inflacja kończy się szybko; w innych kończy się wolniej.
Kwantowa natura inflacji oznacza, że kończy się ona w niektórych „kieszeniach” Wszechświata i trwa… w innych. Musi stoczyć się w dół metaforycznego wzgórza i do doliny, ale jeśli jest to pole kwantowe, rozproszenie oznacza, że zakończy się w niektórych regionach, podczas gdy będzie kontynuowana w innych.
E. Siegel / Beyond the Galaxy
To jest kluczowy punkt, który mówi nam, dlaczego Multiwersum jest nieuniknione! Tam, gdzie inflacja kończy się od razu, otrzymujemy gorący Wielki Wybuch i duży Wszechświat, gdzie niewielka jego część może być podobna do naszego obserwowalnego Wszechświata. Ale są też inne regiony, poza regionem, gdzie inflacja trwa dłużej.
Gdzie kwantowe rozprzestrzenianie zachodzi w odpowiedni sposób, tam również inflacja może się zakończyć, dając początek gorącemu Wielkiemu Wybuchowi i jeszcze większemu Wszechświatowi, którego niewielka część może być podobna do naszego obserwowalnego Wszechświata.
Ale inne regiony nie tylko się nadmuchują, ale również rosną. Można obliczyć tempo, w jakim rosną nadmuchiwane regiony i porównać je z tempem, w jakim powstają nowe Wszechświaty i gorące Wielkie Wybuchy. We wszystkich przypadkach, w których inflacja daje przewidywania pasujące do obserwowanego Wszechświata, nowe Wszechświaty i nowo nadmuchiwane regiony rosną szybciej niż inflacja może się zakończyć.
Gdziekolwiek występuje inflacja (niebieskie sześciany), daje ona początek wykładniczo większym regionom przestrzeni z… każdym krokiem naprzód w czasie. Nawet jeśli istnieje wiele sześcianów, w których inflacja się kończy (czerwone X), istnieje znacznie więcej regionów, w których inflacja będzie trwać w przyszłości. Fakt, że to nigdy się nie kończy jest tym, co czyni inflację „wieczną”, gdy już się rozpocznie, i co daje początek naszemu współczesnemu pojęciu Multiwersum.
E. Siegel / Beyond The Galaxy
Ten obraz, ogromnych Wszechświatów, znacznie większych niż ta niewielka część, która jest dla nas obserwowalna, nieustannie tworzonych w tej wykładniczo nadmuchiwanej przestrzeni, jest tym, o co chodzi w Multiwersum. Nie jest to nowe, sprawdzalne przewidywanie naukowe, ale raczej teoretyczna konsekwencja, która jest nieunikniona, oparta na prawach fizyki, tak jak są one rozumiane obecnie. Nie wiadomo, czy prawa fizyki są identyczne z naszymi w tych innych Wszechświatach.
Przewiduje się, że w nadmuchiwanej czasoprzestrzeni powstanie wiele niezależnych Wszechświatów, jednak inflacja… nigdy nie kończy się wszędzie jednocześnie, a raczej tylko w odrębnych, niezależnych obszarach oddzielonych przestrzenią, która nadal się nadmuchuje. To właśnie stąd pochodzi naukowa motywacja dla Multiwersum i dlaczego żadne dwa Wszechświaty nigdy się nie zderzą.
Karen46 / FreeImages
Jeśli masz inflacyjny Wszechświat, który jest rządzony przez fizykę kwantową, Multiwersum jest nieuniknione. Jak zawsze, zbieramy tak wiele nowych, przekonujących dowodów, jak tylko możemy na bieżąco, aby lepiej zrozumieć cały kosmos. Mo „e si¦ okaza¢, „e inflacja jest b¦dna, „e fizyka kwantowa jest b¦dna, lub „e stosowanie tych zasad w taki sposób, w jaki my to robimy, ma jak±±±¶ fundamentaln¡ wad¢. Ale jak dotąd wszystko się zgadza. Jeśli czegoś nie pomyliliśmy, Multiwersum jest nieuniknione, a Wszechświat, który zamieszkujemy, jest tylko jego maleńką częścią.