Teoria nieskończonych wszechświatów. Wieloświat kontra monowers. Jak nauka oddziela „racjonalnie naukowe” hipotezy od „nienaukowych” hipotez. Kosmiczny dobór naturalny

• Tłumaczenie

Jeśli koncepcja wieloświata wydaje się dziwna, to dlatego, że musimy zmienić nasze rozumienie czasu i przestrzeni.

Nazwa obrazu, Grawerowanie Flammarion, może być ci nieznana, ale najprawdopodobniej widziałeś go wiele razy. Przedstawia pielgrzyma w płaszczu iz laską. Za nim jest krajobraz miast i drzew. Otacza ją kryształowa muszla, usiana niezliczonymi gwiazdami. Dotarł na skraj świata, przeniknął na drugą stronę i ze zdumieniem spogląda na nowy świat światła, tęczy i ognia.

Obraz został po raz pierwszy opublikowany w 1888 roku w książce Atmosphere: A Popular Meteorology przez XIX-wieczny francuski astronom Camille Flammarion. Początkowo była czarno-biała, choć teraz można znaleźć również wersje kolorowe. Zauważa, że ​​niebo naprawdę wygląda jak kopuła, na której umocowane są ciała niebieskie, ale wrażenia są zwodnicze. „Nasi przodkowie”, pisze Flammarion, „wyobrażali sobie, że to niebieskie sklepienie jest sposobem, w jaki widzą je ich oczy. Ale, jak napisał Voltaire, jest to tak samo znaczące, jak jedwabnik tkający swoją sieć na krańce wszechświata”.

Rycina jest postrzegana jako symbol poszukiwania wiedzy przez ludzkość, ale ja wolę postrzegać go jako bardziej dosłowne znaczenie, jak opisuje Flammarion. Wielokrotnie w historii nauki znajdowaliśmy lukę w wiedzy marginalnej i przebijaliśmy się przez nią. Wszechświat nie kończy się poza orbitą Saturna ani poza najodleglejszymi gwiazdami Drogi Mlecznej, ani poza najdalszymi galaktykami, jakie możemy zobaczyć. Dzisiaj kosmolodzy uważają, że mogą istnieć zupełnie inne wszechświaty.

Ale w porównaniu z odkryciami fizyki kwantowej jest to niemal banalne. To nie tylko nowa dziura w kopule, ale nowy rodzaj dziury. Fizycy i filozofowie od dawna spierają się o znaczenie teorii kwantowej, ale w ten czy inny sposób zgadzają się, że otwiera ona ogromny świat poza naszymi zmysłami. Być może najprostszym rezultatem tej zasady jest najbardziej bezpośrednie odczytanie równań teorii kwantowej – interpretacji wielu światów dokonanej przez Hugh Everetta w latach pięćdziesiątych. Z jego punktu widzenia wszystko, co może się wydarzyć, dzieje się gdzieś w nieskończonym zbiorze wszechświatów, a prawdopodobieństwa teorii kwantowej reprezentują względną liczbę wszechświatów, w których zachodzi jeden lub drugi scenariusz. Jak David Wallace, filozof fizyki z University of Southern California, napisał w swojej książce z 2012 roku, The Manifesting Multiverse, kiedy mechanika kwantowa jest rozumiana dosłownie, „świat okazuje się znacznie większy, niż się spodziewaliśmy: w rzeczywistości nasza klasyczna „świat” okazuje się być małą częścią znacznie większej rzeczywistości”.

Ten zestaw wszechświatów na pierwszy rzut oka wydaje się bardzo różny od tego, o którym mówią kosmolodzy. Kosmologiczny wieloświat wyrósł z modeli, które próbują wyjaśnić jednorodność wszechświata w skalach większych niż galaktyczne. Rzekome wszechświaty równoległe są odległymi, oddzielnymi obszarami czasoprzestrzeni, stworzonymi przez ich własne wielkie wybuchy, ewoluujące z ich bąbelków piany kwantowej (lub czegokolwiek, z czego wyrastają wszechświaty). Istnieją w podobny sposób jak galaktyki - możesz sobie wyobrazić, jak wsiadamy na statek kosmiczny i do nich docieramy.

Ale w przeciwieństwie do tego podejścia, wieloświatowa interpretacja Everetta nie prowadzi nas tak daleko. Koncepcja powstała dzięki próbom zrozumienia procesu pomiarów laboratoryjnych. Cząstki zostawiające ślady w komorze chmurowej, atomy odbite przez magnesy, gorące obiekty emitujące światło: to były praktyczne eksperymenty, które doprowadziły do ​​stworzenia teorii kwantowej i poszukiwania logicznie spójnej interpretacji. Rozgałęzienia kwantowe zachodzące w procesie pomiaru tworzą nowe światy, które nakładają się na tę samą przestrzeń, w której istniejemy.

Jednak te dwa typy multiwersów mają ze sobą wiele wspólnego. Tylko mentalnie możemy zostać przeniesieni do dowolnego typu. Nie będzie można polecieć statkiem kosmicznym do innego wszechświata bąbelków, ponieważ przestrzeń kosmiczna będzie się szybciej rozszerzać. Dlatego te bąbelki są oddzielone od siebie. Jesteśmy również z natury oddzieleni od innych wszechświatów w multiwszechświecie kwantowym. Te światy, chociaż są prawdziwe, na zawsze pozostaną poza naszym polem widzenia.

Co więcej, chociaż wieloświat kwantowy nie został zaprojektowany dla kosmologii, pasuje do niego wyjątkowo dobrze. W konwencjonalnej mechanice kwantowej – w interpretacji kopenhaskiej przyjętej przez Nielsbohra i jego towarzyszy – trzeba odróżnić obserwatora od tego, co obserwuje. Dla zwykłej fizyki w laboratoriach wszystko jest w porządku. Jesteś obserwatorem i obserwujesz eksperyment. Ale co, jeśli przedmiotem obserwacji jest cały wszechświat? Nie możesz wyjść poza to, aby to zmierzyć. Interpretacja wielu światów nie dokonuje takich sztucznych podziałów. W nowym artykule fizyk z Caltech Sean Carroll, wraz ze studentami Jasonem Pollackiem i Kimberly Boddy, bezpośrednio stosuje interpretację wielu światów do tworzenia wszechświatów w kosmologicznym wieloświecie. „Wszystko, co w zwykłej mechanice kwantowej nie było ani rybą, ani mięsem, staje się w zasadzie policzalne z punktu widzenia Everetta” – mówi Carroll.

Wreszcie, te dwa rodzaje multiwersów dają te same przewidywania obserwacyjne. Różnica polega na tym, że umieszczają możliwe wyniki w różnych miejscach. Carroll rozważa podobny „kosmologiczny wieloświat, w którym różne stany znajdują się w oddzielnych obszarach czasoprzestrzeni, oraz zlokalizowany wieloświat, w którym różne stany znajdują się właśnie tutaj, tylko w różnych gałęziach funkcji falowej”.

Kosmolog z MIT, Max Tegmark, przedstawił ten pomysł podczas wykładu w 2002 roku, który przekształcił się w jego książkę z 2014 roku, Our Mathematical Universe. Opisuje kilka poziomów wieloświata. Poziom I - niezwykle odległe regiony naszego własnego wszechświata. Poziom III to jego oznaczenie kwantowego zbioru światów (ma też poziomy II i IV, ale teraz o nich nie mówimy). Aby zobaczyć podobieństwo między poziomami I i III, musisz pomyśleć o naturze prawdopodobieństwa. Jeśli coś może mieć dwa skutki, widzisz jeden z nich, ale możesz być pewien, że zdarzył się również drugi – albo w innej części gigantycznego wszechświata, albo właśnie tutaj, w równoległym świecie. Jeśli kosmos jest wystarczająco duży i wypełniony materią, wydarzenia, które mają miejsce na Ziemi, będą miały miejsce także gdzie indziej, jak również wszelkie możliwe odmiany tych wydarzeń.

Na przykład przeprowadzasz eksperyment, w którym wskazujesz atom na parę magnesów. Zobaczysz, jak pędzi do dolnego lub górnego magnesu, z prawdopodobieństwem 50%. W interpretacji wielu światów w twoim laboratorium przecinają się dwa światy. W jednym atomie wznosi się, w drugim opada. W kosmologicznym multiwszechświecie istnieją inne wszechświaty (lub części naszego wszechświata) z identycznym ziemskim bliźniakiem, na którym humanoid przeprowadza dokładnie ten sam eksperyment, ale z innym wynikiem. Matematycznie te sytuacje są identyczne.

Nie każdy lubi wieloświat, zwłaszcza podobne wersje wieloświata. Ale biorąc pod uwagę wstępny charakter tych hipotez, zobaczmy, dokąd nas zaprowadzą. Proponują radykalną ideę: że dwa wieloświaty nie muszą być oddzielone – że interpretacja wieloświata nie różni się od kosmologicznej koncepcji wieloświata. Jeśli wydają się inne, to dlatego, że źle rozumiemy rzeczywistość.

Fizyk ze Stanford, Leonard Suskind, zaproponował, aby były one równe w swojej książce Cosmic Landscape z 2005 roku. „Wieloświatowa interpretacja Everetta na pierwszy rzut oka wydaje się bardzo różna od wciąż rozdętego megawersu” – pisze (używając własnego terminu dla wieloświata). „Myślę jednak, że te dwie interpretacje mogą mówić o tym samym”. W 2011 roku on i Raphael Busso, fizyk z Berkeley, napisali wspólnie artykuł, w którym twierdzą, że te dwie idee są identyczne. Mówią, że jedynym sposobem na zrozumienie prawdopodobieństw związanych z mechaniką kwantową i zjawiskiem dekoherencji – które daje początek naszym klasycznym kategoriom pozycji i prędkości – jest zastosowanie interpretacji wielu światów do kosmologii. Rezultatem powinien naturalnie być kosmologiczny wieloświat. W tym samym roku Yasunori Nomura z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley argumentował za podobnym pomysłem w swoim artykule, w którym „zapewnia unifikację kwantowych procesów pomiarowych i wieloświata”. Tegmark posługuje się tym samym tokiem rozumowania w artykule z 2012 roku napisanym z Anthonym Aguire z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz.

Z tego punktu widzenia wiele światów kwantowych nie znajduje się bezpośrednio obok nas, ale daleko od nas. Funkcja falowa, pisze Tegmark, nie opisuje „jakieś niejasny, wyimaginowany zestaw możliwości tego, co obiekt może zrobić, ale prawdziwy przestrzenny zbiór identycznych kopii obiektu, które istnieją w nieskończonej przestrzeni”.

Najważniejsze jest to, że musisz dokładnie przemyśleć swój punkt widzenia. Wyobraź sobie, że patrzysz na wieloświat z pozycji Boga, z którego widzisz wszystkie realizowane możliwości. Nie ma szans. Wszystko dzieje się na pewno w jednym z miejsc. Z ograniczonej perspektywy naszego świata, związanego z planetą Ziemią, różne wydarzenia rozgrywają się z różnym prawdopodobieństwem. „Zmieniamy globalny obraz, w którym absolutnie wszystko dzieje się gdzieś, ale nikt nie może zobaczyć wszystkiego od razu, na lokalny, w którym masz jeden, w zasadzie, poznawalny obszar”, mówi Busso.


Wielu kosmologów znajduje na obrazie CMB dowody na istnienie znacznie większej przestrzeni niż możemy bezpośrednio zaobserwować.

Aby przejść od globalnego do lokalnego, musimy przeciąć wszechświat, aby oddzielić mierzalne od niemierzalnego. Mierzony jest naszym „miejscem przyczynowym”, jak nazywa to Busso. To suma wszystkiego, co może na nas wpłynąć – nie tylko obserwowalnego wszechświata, ale także obszaru przestrzeni, który będzie dostępny dla naszych odległych potomków. Wycinając nasz fragment z reszty czasoprzestrzeni, możemy sobie wyobrazić, jakie obserwacje możemy poczynić, w wyniku czego otrzymujemy mechanikę kwantową w starym stylu.

Z tego punktu widzenia przyczyną niepewności zdarzeń kwantowych jest to, że nie wiemy, gdzie się znajdujemy w multiwszechświecie. W nieskończonej przestrzeni istnieje nieskończona liczba stworzeń, które we wszystkim wyglądają i zachowują się dokładnie tak jak ty. Główną tajemnicę rozjaśnia klasyczna kreskówka z New Yorkera. Na kawałku lodu jest tłum identycznych pingwinów. Jeden z nich pyta: „A kim z nas jestem?”

Biedny pingwin wciąż może zlokalizować się poprzez triangulację pobliskiego pływającego lodu, ale takie punkty odniesienia nie istnieją w multiwersie, więc nigdy nie będziemy w stanie oddzielić naszych wielu kopii. David Deutsch, fizyk z Oksfordu i, podobnie jak Carroll i Tegmark, zagorzały zwolennik interpretacji wielu światów, pisze w swojej książce The Fabric of Reality: outside of multiverse, w odniesieniu do której można odpowiedzieć na to pytanie: „Ja”. m trzeci od lewej." Ale czym jest ta „lewica” i czym jest ta „trzecia”? Nie ma „punktu widzenia poza wieloświatem”.

Tegmark mówi, że w istocie pojęcie prawdopodobieństwa w mechanice kwantowej odzwierciedla „twą niezdolność do odnalezienia się w multiwersie poziomu I, to znaczy do poznania, która z nieskończonej liczby twoich kopii w kosmosie ma twoje subiektywne doświadczenie”. Innymi słowy, wydarzenia wyglądają na probabilistyczne, ponieważ nigdy nie wiadomo, które z was jest sobą. Zamiast nie mieć pewności, w którą stronę potoczy się eksperyment, idzie na całość; po prostu nie jesteś pewien, który „ty” obserwuje który z jego wyników.

Dla Busso wystarczy matematyczny sukces tego podejścia i nie będzie cierpieć z powodu bezsenności z powodu tego, jak ktokolwiek określi głębsze znaczenie połączonych wieloświatów. „Zasadniczo liczy się to, jakie przewidywania formułuje twoja teoria i jak są one porównywane z obserwacjami” – mówi. – Nie da się zaobserwować obszarów poza naszym horyzontem kosmologicznym, jak również rozgałęzień funkcji falowej, na których się nie pojawiliśmy. To tylko narzędzia, których używamy do obliczeń”.

Ale takie instrumentalne podejście do teorii fizycznej wielu nie satysfakcjonuje. Chcemy wiedzieć, co to wszystko oznacza - jak odczytywanie odczytów z urządzenia może zdradzić istnienie nieskończonych bąbelków w czasoprzestrzeni. Massimo Pigliucci, filozof naukowy z City University of New York, mówi: „Jeśli mówisz o prawdziwym podziale wszechświata, wyjaśnij mi dokładnie, jak to się dzieje i gdzie dokładnie znajdują się te inne światy”.

Być może, aby zrozumieć związek między wariantami wieloświata, konieczne jest zaktualizowanie naszego rozumienia przestrzeni i czasu. Jeśli wieloświat jest jednocześnie daleko i tutaj, być może jest to znak, że nasze kategorie „tam” i „tu” nas zawodzą.

Prawie dwie dekady temu Deutsch argumentował w The Fabric of Reality, że wieloświat wymyśla nową koncepcję czasu. Tak jak w życiu codziennym, tak iw fizyce zakładamy istnienie czegoś na kształt wiecznie aktualnego czasu newtonowskiego. Wieloświat jest zwykle opisywany jako struktura, która rozwija się w czasie. Tak naprawdę czas nie płynie i nie płynie, a my nie poruszamy się w nim w jakiś tajemniczy sposób. Czas to sposób, w jaki definiujemy ruch. Nie może się ruszyć. Dlatego wieloświat nie ewoluuje. Ona po prostu istnieje. Deutsch pisze: „Wieloświat nie 'pojawiał się' i 'znikał'; te określenia sugerują upływ czasu”.

Zamiast wyobrażać sobie, jak wieloświat rozwija się w czasie, Deutsch uważa, że ​​powinniśmy sobie wyobrazić, jak czas rozwija się w wieloświecie. Inne czasy to tylko szczególne przypadki innych wszechświatów. Niezależnie od tego, fizyk Julian Barbour majstrował przy tym pomyśle w swojej książce z 1999 r. Koniec czasu. Niektóre z tych innych wszechświatów, pisze Deutsch, przypominają nasze — nasze „teraz” tak silnie — że interpretujemy je jako części historii naszego wszechświata, a nie jako oddzielne wszechświaty. Dla nas nie są one gdzieś w przestrzeni, ale na naszej osi czasu. Tak jak nie możemy od razu postrzegać całego wszechświata, tak nie możemy jednocześnie postrzegać nieskończonego szeregu momentów. Zamiast tego nasza percepcja odzwierciedla naszą perspektywę osadzonych obserwatorów żyjących w pojedynczych chwilach. Przechodząc z globalnego do lokalnego punktu widzenia, przywracamy znajome znaki czasu.

Multiwszechświat może również skorygować nasze rozumienie przestrzeni. „Dlaczego świat wygląda klasycznie?” – pyta Carroll. „Dlaczego czasoprzestrzeń istnieje w czterech wymiarach?” Carroll, który pisał na blogu o zjednoczeniu wieloświata, przyznaje, że Everett nie odpowiada na te pytania, „ale daje platformę, na której można je zadawać”.

Uważa, że ​​przestrzeń nie jest fundamentalna, ale jest wynikiem jakiegoś zjawiska. Ale skąd się to bierze? Co naprawdę istnieje? Dla Carrolla wizerunek Everetta stanowi prostą odpowiedź na to pytanie. „Świat jest funkcją falową” — mówi Carroll. – To element przestrzeni Hilberta. To wszystko".

Przestrzeń Hilberta to matematyczna przestrzeń związana z kwantową funkcją falową. Jest to abstrakcyjna reprezentacja wszystkich możliwych stanów systemu. Przypomina trochę Euklidesa, ale liczba wymiarów jest różna i zależy od liczby dozwolonych stanów systemu. Kubit, podstawowa jednostka danych w komputerach kwantowych, która może przyjmować wartość 0, 1 lub znajdować się w superpozycji, ma dwuwymiarową przestrzeń Hilberta. Wielkość ciągła, taka jak pozycja lub prędkość, odpowiada nieskończenie wymiarowej przestrzeni Hilberta.

Zwykle fizycy zaczynają od systemu, który istnieje w rzeczywistej przestrzeni i wyprowadzają z niego przestrzeń Hilberta, ale Carroll uważa, że ​​proces ten można odwrócić. Wyobraź sobie wszystkie możliwe stany wszechświata i wymyśl, w której z przestrzeni system powinien istnieć - jeśli w ogóle istnieje w jakiejś przestrzeni. System może istnieć nie w jednej, ale w kilku przestrzeniach jednocześnie i wtedy nazwiemy go wieloświatem. Taki pogląd „w naturalny sposób wpisuje się w ideę wyłaniającej się czasoprzestrzeni” – mówi Carroll.

Niektórzy ludzie - zwłaszcza filozofowie - odrzucają takie podejście. Przestrzeń Hilberta może być poprawnym narzędziem matematycznym, ale to nie znaczy, że w niej żyjemy. Wallace, który popiera interpretację wielu światów, mówi, że przestrzeń Hilberta nie jest dosłownie istniejącą strukturą, ale sposobem opisywania rzeczywistych rzeczy - strun, cząstek, pól lub czegokolwiek innego, z czego zbudowany jest wszechświat. „W sensie metaforycznym żyjemy w przestrzeni Hilberta, ale nie dosłownie”, mówi.

Hugh Everett nie dożył powrotu zainteresowania jego wersją mechaniki kwantowej. Zmarł na atak serca w 1982 roku, w wieku 51 lat. Był niewzruszonym ateistą i był pewien, że to już koniec; jego żona, zgodnie z jego instrukcjami, wyrzuciła prochy ze śmieciami. Ale jego przesłanie może się zakorzenić. Można to podsumować krótko: poważnie traktuj mechanikę kwantową. W tym przypadku okazuje się, że świat jest niespodzianką! – bogacenie się i większe niż sobie wyobrażaliśmy. Tak jak w Voltaire jedwabnik widział tylko swoją sieć, my widzimy tylko mały wycinek wieloświata, ale dzięki Everettowi i jego zwolennikom wciąż możemy przecisnąć się przez szczelinę w kryształowej muszli „tam, gdzie ziemia spotyka się z niebem” i szybko spójrz na to, co rozciąga się poza nimi.

Tagi:

• Wszechświat
• wieloświat
• teoria wielu światów
• fizyka kwantowa
• kosmologia

Jak często myślisz o tym, jak wyglądałby dzisiaj nasz świat, gdyby wynik niektórych kluczowych wydarzeń historycznych był inny? Jak wyglądałaby nasza planeta, gdyby na przykład dinozaury nie wymarły? Każde nasze działanie, decyzje automatycznie stają się częścią przeszłości. W rzeczywistości nie ma teraźniejszości: wszystko, co robimy w tej chwili, nie może zostać zmienione, jest zapisane w pamięci Wszechświata. Istnieje jednak teoria, według której istnieje wiele wszechświatów, w których żyjemy zupełnie innym życiem: każde nasze działanie wiąże się z pewnym wyborem i dokonując tego wyboru w naszym Wszechświecie, równolegle, z „innym ja” podejmuje odwrotną decyzję. Na ile uzasadniona jest taka teoria z naukowego punktu widzenia? Dlaczego naukowcy się do tego uciekali? Spróbujmy zrozumieć nasz artykuł.

Wieloświatowa koncepcja wszechświata

Po raz pierwszy o teorii prawdopodobnego zbioru światów wspomniał amerykański fizyk Hugh Everett. Zaproponował swoje rozwiązanie jednej z głównych kwantowych tajemnic fizyki. Zanim przejdziemy bezpośrednio do teorii Hugh Everetta, trzeba zrozumieć, czym jest ta tajemnica cząstek kwantowych, która od kilkunastu lat nawiedza fizyków na całym świecie.

Wyobraź sobie zwykły elektron. Okazuje się, że jako obiekt kwantowy może znajdować się w dwóch miejscach jednocześnie. Ta właściwość nazywana jest superpozycją dwóch stanów. Ale magia na tym się nie kończy. Jak tylko chcemy jakoś określić położenie elektronu, na przykład próbujemy go strącić innym elektronem, to z kwantu stanie się zwyczajny. Jak to możliwe: elektron znajdował się zarówno w punkcie A, jak iw punkcie B iw pewnym momencie nagle przeskoczył do punktu B?

Hugh Everett przedstawił swoją interpretację tej kwantowej zagadki. Zgodnie z jego teorią wielu światów elektron nadal istnieje w dwóch stanach jednocześnie. Chodzi o samego obserwatora: teraz zamienia się w obiekt kwantowy i dzieli się na dwa stany. W jednej z nich widzi elektron w punkcie A, w drugiej - w B. Istnieją dwie równoległe rzeczywistości i nie wiadomo, w której z nich znajdzie się obserwator. Podział na rzeczywistość nie ogranicza się do dwóch: ich rozgałęzienie zależy tylko od zmienności wydarzeń. Jednak wszystkie te rzeczywistości istnieją niezależnie od siebie. My jako obserwatorzy wpadamy w jedną, z której nie sposób się wydostać, jak również przejść do równoległej.

Octavio Fossatti / Unsplash.com

Z punktu widzenia tej koncepcji eksperyment z najbardziej naukowym kotem w historii fizyki, kotem Schrödingera, również jest łatwy do wyjaśnienia. Zgodnie z wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej nieszczęsny kot w stalowej komorze jest jednocześnie żywy i martwy. Kiedy otwieramy tę komnatę, wydaje się, że łączymy się z kotem i tworzymy dwa stany - żywy i martwy, które się nie przecinają. Powstają dwa różne wszechświaty: w jednym obserwator z martwym kotem, w drugim z żywym.

Należy od razu zauważyć, że koncepcja wieloświatów nie implikuje istnienia wielu wszechświatów: jest to jeden, tylko wielowarstwowy, a każdy znajdujący się w nim obiekt może być w różnych stanach. Takiej koncepcji nie można uznać za teorię potwierdzoną eksperymentalnie. Jak dotąd jest to tylko matematyczny opis zagadki kwantowej.

Teorię Hugh Everetta popierają Howard Wiseman, fizyk z Griffith University w Australii, dr Michael Hall z Griffith University Center for Quantum Dynamics oraz dr Dirk-Andre Deckert z University of California. Ich zdaniem tak naprawdę istnieją światy równoległe i są obdarzone różnymi cechami. Wszelkie zagadki i wzorce kwantowe są konsekwencją „odpychania” sąsiednich światów od siebie. Te zjawiska kwantowe powstają w taki sposób, że każdy świat nie jest podobny do drugiego.

Pojęcie wszechświatów równoległych i teoria strun

Dobrze pamiętamy z lekcji szkolnych, że w fizyce istnieją dwie główne teorie: ogólna teoria względności i kwantowa teoria pola. Pierwsza wyjaśnia procesy fizyczne w makrokosmosie, druga - w mikro. Jeśli obie te teorie zostaną użyte w tej samej skali, będą ze sobą sprzeczne. Wydaje się logiczne, że powinna istnieć jakaś ogólna teoria mająca zastosowanie do wszystkich odległości i skal. W związku z tym fizycy wysunęli teorię strun.

Faktem jest, że w bardzo małych skalach występują wibracje podobne do wibracji zwykłej struny. Te struny są naładowane energią. „Struny” nie są strunami w najprawdziwszym tego słowa znaczeniu. Jest to abstrakcja, która wyjaśnia interakcję cząstek, stałe fizyczne, ich cechy. W latach 70., kiedy narodziła się teoria, naukowcy wierzyli, że stanie się ona uniwersalna do opisu całego naszego świata. Okazało się jednak, że ta teoria działa tylko w przestrzeni 10-wymiarowej (a my żyjemy w przestrzeni 4-wymiarowej). Pozostałe sześć wymiarów przestrzeni po prostu się zapada. Jak się jednak okazało, nie składa się ich w łatwy sposób.

W 2003 roku naukowcy odkryli, że mogą składać się z ogromnej liczby metod, a każda nowa metoda tworzy własny wszechświat o różnych stałych fizycznych.

Jason Blackeye / Unsplash.com

Podobnie jak w przypadku koncepcji wielu światów, teoria strun jest trudna do udowodnienia eksperymentalnie. Ponadto aparat matematyczny teorii jest tak trudny, że dla każdej nowej idei matematycznego wyjaśnienia należy szukać dosłownie od zera.

Hipoteza matematycznego wszechświata

Kosmolog, profesor w Massachusetts Institute of Technology Max Tegmark w 1998 roku przedstawił swoją „teorię wszystkiego” i nazwał ją hipotezą matematycznego wszechświata. Na swój sposób rozwiązał problem istnienia dużej liczby praw fizycznych. Jego zdaniem, każdy zbiór tych praw, niesprzecznych z punktu widzenia matematyki, odpowiada niezależnemu wszechświatowi. Uniwersalność teorii polega na tym, że można ją wykorzystać do wyjaśnienia całej różnorodności praw fizycznych i wartości stałych fizycznych.

Tegmark zaproponował podzielenie wszystkich światów zgodnie z jego koncepcją na cztery grupy. Pierwsza obejmuje światy znajdujące się poza naszym kosmicznym horyzontem, tzw. obiekty pozametagalaktyczne. Druga grupa obejmuje światy o innych stałych fizycznych, odmiennych od stałych naszego Wszechświata. W trzecim - światy, które powstają w wyniku interpretacji praw mechaniki kwantowej. Czwarta grupa to pewien zbiór wszystkich wszechświatów, w których manifestują się pewne struktury matematyczne.

Jak zauważa naukowiec, nasz Wszechświat nie jest jedyny, ponieważ przestrzeń jest nieograniczona. Nasz świat, w którym żyjemy, jest ograniczony przestrzenią, której światło dotarło do nas 13,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu. O innych wszechświatach będziemy mogli wiedzieć na pewno za co najmniej kolejny miliard lat, dopóki ich światło nie dotrze do nas.

Stephen Hawking: Czarne dziury to droga do innego wszechświata

Stephen Hawking jest także zwolennikiem teorii wielu wszechświatów. Jeden z najsłynniejszych naukowców naszych czasów w 1988 roku po raz pierwszy zaprezentował swój esej „Czarne dziury i młode wszechświaty”. Badacz sugeruje, że czarne dziury to droga do alternatywnych światów.

Dzięki Stephenowi Hawkingowi wiemy, że czarne dziury tracą energię i parują, uwalniając promieniowanie Hawkinga, które otrzymało imię badacza. Zanim wielki naukowiec dokonał tego odkrycia, społeczność naukowa wierzyła, że ​​wszystko, co w jakiś sposób wpadło do czarnej dziury, zniknęło. Teoria Hawkinga obala to założenie. Według fizyka hipotetycznie każda rzecz, obiekt, obiekt, który wpadnie do czarnej dziury, wylatuje z niej i wchodzi do innego wszechświata. Taka podróż jest jednak ruchem w jedną stronę: nie ma możliwości powrotu.

Multiwszechświat to koncepcja naukowa, która sugeruje istnienie wielu równoległych wszechświatów. Istnieje szereg hipotez opisujących różnorodność tych światów, ich właściwości i interakcje.

Sukces teorii kwantowej jest niezaprzeczalny. Wszakże razem z reprezentacją wszystkich podstawowych praw fizyki znanych współczesnemu światu. Mimo to teoria kwantów wciąż podnosi szereg pytań, na które wciąż nie ma jednoznacznych odpowiedzi. Jednym z nich jest dobrze znany „problem kota Schrödingera”, który wyraźnie pokazuje chwiejną podstawę teorii kwantowej, która opiera się na przewidywaniach i prawdopodobieństwie zdarzenia. Chodzi o to, że cechą cząstki, zgodnie z teorią kwantów, jest jej istnienie w stanie równym sumie wszystkich jej możliwych stanów. W tym przypadku, jeśli zastosujemy to prawo do świata kwantowego, okaże się, że kot jest sumą stanu kota żywego i martwego!

I choć prawa teorii kwantowej są z powodzeniem wykorzystywane w zastosowaniach takich technologii jak radar, radio, telefony komórkowe i internet, to z powyższym paradoksem trzeba się pogodzić.

Próbując rozwiązać problem kwantowy, powstała tak zwana „teoria kopenhaska”, zgodnie z którą stan kota staje się pewny, gdy otwieramy pudełko i obserwujemy jego stan, a wcześniej był nieokreślony. Jednak zastosowanie teorii kopenhaskiej, powiedzmy, oznacza, że ​​Pluton istniał dopiero od momentu odkrycia go przez amerykańskiego astronoma Clyde'a Tombaugha 18 lutego 1930 roku. Dopiero w tym dniu funkcja falowa (stan) Plutona została naprawiona, a reszta zawaliła się. Wiadomo jednak, że Pluton ma znacznie więcej niż 3,5 miliarda lat, co wskazuje na problemy z interpretacją kopenhaską.

Wielość światów

Inne rozwiązanie problemu kwantowego zaproponował w 1957 roku amerykański fizyk Hugh Everett. Sformułował tzw. „wieloświatową interpretację światów kwantowych”. Zgodnie z nią, za każdym razem, gdy obiekt przechodzi z nieokreślonego stanu do określonego, ten obiekt jest rozbijany na liczbę możliwych stanów. Na przykładzie kota Schrödingera, kiedy otwieramy pudełko, pojawia się wszechświat ze scenariuszem, w którym kot nie żyje, a wszechświat pojawia się, w którym pozostaje żywy. Jest więc w dwóch stanach, ale już w światach równoległych, to znaczy wszystkie funkcje falowe kota pozostają aktualne i żadna z nich nie załamuje się.

To właśnie ta hipoteza została wykorzystana przez wielu pisarzy science fiction w swoich pracach science fiction. Mnogość światów równoległych sugeruje występowanie szeregu alternatywnych wydarzeń, dzięki którym historia potoczyła się inaczej. Na przykład w jakimś świecie niezwyciężona armada hiszpańska nie została pokonana lub III Rzesza wygrała II wojnę światową.

Bardziej nowoczesna interpretacja tego modelu wyjaśnia niemożność interakcji z innymi światami brakiem spójności funkcji falowych. Z grubsza mówiąc, w pewnym momencie nasza funkcja falowa przestała zmieniać się w czasie wraz z funkcjami światów równoległych. Wtedy jest całkiem możliwe, że możemy współistnieć w mieszkaniu ze „współlokatorami” z innych wszechświatów, bez interakcji z nimi w jakikolwiek sposób i, podobnie jak oni, być przekonanym, że to nasz Wszechświat jest prawdziwy.

W rzeczywistości termin „wieloświat” nie jest całkowicie odpowiedni dla tej teorii, ponieważ zakłada jeden świat z wieloma możliwościami jednoczesnego występowania zdarzeń.

Większość fizyków teoretycznych zgadza się, że ta hipoteza jest niewiarygodnie fantastyczna, ale wyjaśnia problemy teorii kwantowej. Jednak wielu naukowców nie uważa interpretacji wieloświatów za naukową, ponieważ nie można jej potwierdzić ani obalić metodą naukową.

W kosmologii kwantowej

Dziś na scenę naukową po raz kolejny powraca hipoteza o mnogości światów, ponieważ naukowcy zamierzają wykorzystać teorię kwantową nie do jakichkolwiek obiektów, ale zastosować ją do całego Wszechświata. Mówimy o tzw. „kosmologii kwantowej”, która, jak mogłoby się wydawać na pierwszy rzut oka, jest absurdalna już w swoim sformułowaniu. Pytania tej dziedziny naukowej związane są ze Wszechświatem. Skąpe wymiary Wszechświata na pierwszych etapach jego powstawania są dość zgodne ze skalą teorii kwantowej.

W tym przypadku, gdyby wymiary Wszechświata były rzędu , to stosując do niego teorię kwantową, możemy również uzyskać nieokreślony stan Wszechświata. To ostatnie oznacza obecność innych wszechświatów, które znajdują się w różnych stanach z różnym prawdopodobieństwem. Wówczas stany wszystkich światów równoległych łącznie dają jedną „funkcję falową Wszechświata”. W przeciwieństwie do interpretacji wielu światów, wszechświaty kwantowe istnieją oddzielnie.

Jak wiadomo, istnieje problem dostrojenia Wszechświata, który zwraca uwagę na to, że fizyczne stałe fundamentalne, które wyznaczają podstawowe prawa natury na świecie, są idealnie dopasowane do istnienia życia. Gdyby masa protonu była nieco mniejsza, powstanie pierwiastków cięższych od wodoru byłoby niemożliwe. Problem ten można rozwiązać za pomocą modelu wieloświata, który implementuje wiele wszechświatów równoległych o różnych podstawach. Wtedy prawdopodobieństwo istnienia niektórych z tych światów jest niewielkie i „umierają” niedługo po urodzeniu, na przykład kurczą się lub rozlatują. Inne, których stałe tworzą spójne prawa fizyki, z dużym prawdopodobieństwem pozostają stabilne. Zgodnie z tą hipotezą, multiwszechświat obejmuje dużą liczbę światów równoległych, z których większość jest „martwy”, a tylko niewielka liczba wszechświatów równoległych pozwala im istnieć przez długi czas, a nawet daje prawo do inteligentnego życia.

W teorii strun

Jednym z najbardziej obiecujących obszarów fizyki teoretycznej jest. Zajmuje się opisem strun kwantowych - rozbudowanych obiektów jednowymiarowych, których wibracja jest nam prezentowana w postaci cząstek. Pierwotnym powołaniem tej teorii jest połączenie dwóch fundamentalnych teorii: ogólnej teorii względności i teorii kwantowej. Jak się później okazało, istnieje kilka sposobów na zrobienie tego, co skutkuje kilkoma teoriami strun. W połowie lat 90. wielu fizyków teoretycznych odkryło, że teorie te były różnymi przypadkami tej samej konstrukcji, nazwanej później „teorią M”.

Jego osobliwość polega na istnieniu pewnej 11-wymiarowej błony, której struny przenikają nasz Wszechświat. Żyjemy jednak w świecie o czterech wymiarach (trzy współrzędne przestrzeni i jeden czas), gdzie idą pozostałe wymiary? Naukowcy sugerują, że zamykają się na sobie w najmniejszej, dotychczas nieobserwowanej skali, ze względu na niewystarczający rozwój technologii. Z tego stwierdzenia wynika kolejny problem czysto matematyczny – powstaje duża liczba „fałszywych próżni”.

Najprostszym wyjaśnieniem tego splotu przestrzeni, którego nie obserwujemy, a także obecności fałszywych próżni, jest multiwers. Teoretycy strun opierają się na twierdzeniu, że istnieje ogromna liczba innych wszechświatów, które mają nie tylko różne prawa fizyczne, ale także różną liczbę wymiarów. Tak więc błonę naszego Wszechświata w uproszczonej formie można przedstawić jako kulę, bańkę, na której powierzchni żyjemy, a której 7 wymiarów jest w stanie "zapadniętym". Wtedy nasz świat, wraz z innymi wszechświatami membranowymi, jest czymś w rodzaju wielu baniek mydlanych, które unoszą się w 11-wymiarowej hiperprzestrzeni. Ale my, egzystując w trójwymiarowej przestrzeni, nie możemy wydostać się z jej granic, a zatem nie mamy możliwości interakcji z innymi wszechświatami.

Jak wspomniano wcześniej, większość równoległych światów, wszechświatów, jest martwa. Oznacza to, że ze względu na niestabilne lub nieprzydatne do życia prawa fizyczne, ich substancję można przedstawić na przykład tylko w postaci bezstrukturalnej akumulacji elektronów i. Powodem tego jest różnorodność możliwych stanów kwantowych cząstek, inne wartości stałych podstawowych oraz różna liczba wymiarów. Warto zauważyć, że takie założenie nie jest sprzeczne z zasadą kopernikańską, która głosi, że nasz świat nie jest wyjątkowy. Ponieważ, choć w niewielkiej liczbie, mogą istnieć światy, których prawa fizyczne, pomimo ich odmienności od naszych, nadal pozwalają na tworzenie złożonych struktur i powstawanie inteligentnego życia.

Spójność teorii

Choć hipoteza wieloświata wygląda jak scenariusz do książki science fiction, ma tylko jedną wadę – naukowcy nie mają możliwości jej udowodnienia ani obalenia metodą naukową. Ale kryje się za tym złożona matematyka i opiera się na niej wiele znaczących i obiecujących teorii fizycznych. Argumenty przemawiające za wieloświatem przedstawia poniższa lista:

• Jest podstawą istnienia wieloświatowej interpretacji mechaniki kwantowej. Jedna z dwóch zaawansowanych teorii (wraz z interpretacją kopenhaską), które rozwiązują problem niepewności w mechanice kwantowej.
• Wyjaśnia przyczyny istnienia precyzyjnego dostrojenia Wszechświata. W przypadku wieloświata parametry naszego świata to tylko jedna z wielu możliwych opcji.
• Jest to tak zwany „krajobraz teorii strun”, ponieważ rozwiązuje problem fałszywych próżni i pozwala opisać przyczynę sfałdowania pewnej liczby wymiarów naszego Wszechświata.

• Obsługiwane, co najlepiej wyjaśnia jego rozszerzenie. We wczesnych stadiach powstawania Wszechświata najprawdopodobniej można go było podzielić na dwa lub więcej wszechświatów, z których każdy ewoluował niezależnie od drugiego. Nowoczesny standardowy model kosmologiczny Wszechświata — Lambda-CDM — jest zbudowany na teorii inflacji.

Szwedzki kosmolog Max Tegmark zaproponował klasyfikację różnych alternatywnych światów:

1. Wszechświaty poza naszym widzialnym wszechświatem.
2. Wszechświaty z innymi podstawowymi stałymi i liczbami wymiarów, które na przykład mogą znajdować się na innych błonach, zgodnie z M-teorią.
3. Wszechświaty równoległe powstające zgodnie z wieloświatową interpretacją mechaniki kwantowej.
4. Ostateczny zespół to wszystkie możliwe wszechświaty.

O dalszych losach teorii wieloświata nie ma co mówić, ale dziś zajmuje ona honorowe miejsce w kosmologii i fizyce teoretycznej, a popiera ją wielu wybitnych fizyków naszych czasów: Stephen Hawking, Brian Green, Max Tegmark, Michio Kaku, Alan Gut, Neil Tyson i inni.

• Tłumaczenie

Co myślisz o wieloświecie? Pytanie nie pojawiło się całkowicie znikąd podczas naszego zaimprowizowanego wykładu przy stole, ale zaskoczyło mnie. Nie chodzi o to, że nigdy wcześniej nie pytano mnie o wieloświat, ale wyjaśnienie konstrukcji teoretycznej to jedno, ale wyjaśnienie, jak się z tym czujesz, to zupełnie co innego. Potrafię wypowiedzieć wszystkie standardowe argumenty i główne pytania dotyczące wieloświata, umiem poruszać się po faktach i szczegółach technicznych, ale gubię się w wynikach.

Fizycy nie są przyzwyczajeni do mówienia o tym, jak się z czymś czują. Jesteśmy za rzetelną wiedzą, ocenami ilościowymi i eksperymentami. Ale nawet najlepsze bezstronne analizy zaczynają się dopiero po tym, jak zdecydujemy, którą drogą iść. W rodzącej się dziedzinie zwykle jest wybór możliwości, z których każda ma swoje zalety i często jedną z nich wybieramy instynktownie. O tym wyborze decyduje rozumowanie emocjonalne, stojące ponad logiką. Stanowisko, z którym się kojarzysz, jest, jak mówi fizyk ze Stanford University, Leonard Susskind, „więcej niż tylko fakty naukowe i zasady filozoficzne. To kwestia dobrego gustu w nauce. I, jak wszystkie spory o gusta, dotyczy odczuć estetycznych.

Sam zajmuję się teorią strun, a jedną z jej cech jest możliwość istnienia wielu logicznie spójnych wersji wszechświatów różnych od naszego. Proces, który stworzył nasz wszechświat, może stworzyć jedno i drugie, prowadząc do nieskończonej liczby wszechświatów, w których dzieje się wszystko, co może się wydarzyć. Sekwencja rozumowania zaczyna się w znajomym miejscu i mogę podążać za zawiłościami równań tańczących na stronie do tego wniosku, ale chociaż wyobrażam sobie wieloświat jako konstrukcję matematyczną, nie mogę uwierzyć, że nagle wyskoczy z rzeczywistości. teorii i przejawia się w rzeczywistości. Jak mogę udawać, że nie mam problemu z niekończącymi się kopiami mojej osoby wędrującej po równoległych światach, podejmującymi decyzje zarówno podobne, jak i różne od moich?

Nie jestem jedyną osobą, która jest ambiwalentna. Debata na temat wieloświata jest gorąca i pozostaje źródłem kontrowersji wśród najwybitniejszych naukowców naszych czasów. Debata o wielu światach to nie tylko dyskusja na temat szczegółów teorii. To walka o tożsamość i wyniki, o to, na czym opiera się wyjaśnienie, jakie są dowody, jak definiujemy naukę i czy to wszystko ma sens.

Ilekroć mówię o wieloświecie, mam odpowiedź na jedno z nieuniknionych pytań. Niezależnie od tego, czy żyjemy we wszechświecie, czy w multiwersie, te klasyfikacje odnoszą się do skal przekraczających wyobraźnię. Niezależnie od wyniku, życie wokół nas się nie zmieni. Więc jaka jest różnica?

Jest różnica, ponieważ to, gdzie jesteśmy, wpływa na to, kim jesteśmy. Różne miejsca prowadzą do różnych reakcji, z których wynikają różne możliwości. Jeden obiekt może wyglądać inaczej na różnych tłach. Jesteśmy definiowani przez przestrzeń, którą zamieszkujemy na więcej sposobów, niż nam się wydaje. Wszechświat jest granicą ekspansji. Zawiera wszystkie miejsca działania, wszystkie konteksty, w których możemy przedstawiać byt. Reprezentuje sumę możliwości, całość wszystkiego, czym możemy być.

Pomiar ma sens tylko w układzie odniesienia. Liczby są oczywiście abstrakcyjne, dopóki nie zostaną im przypisane jednostki, ale nawet tak niejasne definicje, jak „za daleko”, „zbyt małe”, „zbyt dziwne” sugerują jakiś układ współrzędnych. Zbyt daleko implikuje punkt odniesienia. Zbyt mały odnosi się do skali. Zbyt dziwne sugeruje kontekst. W przeciwieństwie do zawsze deklarowanych jednostek miary, układ odniesienia dla założeń jest rzadko określany, jednak wartości przypisywane rzeczom – przedmiotom, zjawiskom, doświadczeniom – są kalibrowane wzdłuż tych niewidzialnych osi.

Jeśli odkryjemy, że wszystko, co wiemy i czego możemy się nauczyć, znajduje się tylko w jednej z kieszeni wieloświata, przesunie się cały fundament, na którym umieściliśmy naszą siatkę. Obserwacje się nie zmienią, ale wnioski tak. Istnienie innych wszechświatów bąbelkowych jest możliwe i nie wpłynie na dokonywane przez nas pomiary, ale może wpłynąć na to, jak je interpretujemy.

Pierwszą rzeczą, która uderza w wieloświecie, jest jego ogrom. Ona jest czymś więcej niż wszystkim, z czym ludzkość miała do czynienia - taka egzaltacja jest zawarta w samym imieniu. Byłoby zrozumiałe, gdyby emocjonalna reakcja na wieloświat wynikała z poczucia niedopowiedzenia siebie. Ale rozmiar wieloświata jest chyba najmniej kontrowersyjną z jego właściwości.

Gian Judis, szef teoretyków CERN, wypowiada się w imieniu fizyków, gdy twierdzi, że samo patrzenie w niebo oczyszcza nasze mózgi. Wyobrażamy sobie już nasz zakres. Jeśli wieloświat istnieje, to, jak mówi, „problem postawienia mnie w obliczu ogromu wszechświata się nie zmieni”. Wielu jest nawet uspokojonych taką kosmiczną perspektywą. W porównaniu do wszechświata wszystkie nasze problemy i dramaty życia są tak zredukowane, że „cokolwiek się tutaj dzieje, nie ma znaczenia” – mówi fizyk i autor Lawrence Krauss. „To dla mnie bardzo pocieszające”.

Z oszałamiających zdjęć wykonanych przez teleskop. Hubble'a, przed wierszami „Wielkiej nocy” Octavio Paza i „Galaktyczną pieśnią” Monty Pythona, istnieje romantyzm związany z naszą liliputowską skalą. W pewnym momencie naszej historii pogodziliśmy się z naszą nieskończoną małością.

Czy to z powodu naszego lęku przed skalą tak niechętnie akceptujemy koncepcję wieloświata, w tym światów, które znajdują się poza naszym polem widzenia i mają tam być? Jest to oczywiście bardzo powszechna skarga, którą słyszę od moich kolegów. Południowoafrykański fizyk George Ellis, który zdecydowanie sprzeciwia się wieloświatowi, oraz brytyjski kosmolog Bernard Carr, który jest równie mocno zwolennikiem wieloświata, omówili te kwestie w kilku uroczych rozmowach. Carr uważa, że ​​ich punkt rozbieżności dotyczy „jakich właściwości nauki należy uznać za nienaruszalne”. Eksperymenty są powszechnym wskaźnikiem. Obserwacje porównawcze są ważnym substytutem. Astronomowie nie są w stanie kontrolować galaktyk, ale badają je w milionach, w różnych formach i warunkach. Żadna z metod nie pasuje do wieloświata. Czy leży to zatem poza nauką?

Susskind, jeden z ojców teorii strun, daje nam nadzieję. W nauce empirycznej istnieje trzecie podejście: wyciąganie wniosków na temat niewidzialnych obiektów i zjawisk z tego, co jesteśmy w stanie zobaczyć. Na przykład wystarczy wziąć cząstki subatomowe. Kwarki są na zawsze związane z protonami, neutronami i innymi złożonymi cząstkami. „Są one, że tak powiem, ukryte za zasłoną”, mówi Susskind, „ale teraz, chociaż nie widzieliśmy ani jednego izolowanego kwarka, nikt nie będzie poważnie kwestionował poprawności teorii kwarków. To część fundamentów współczesnej fizyki”.

W miarę jak wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie, galaktyki znajdujące się obecnie na horyzoncie pola widzenia wkrótce znikną za nim. Nie wierzymy, że odejdą w zapomnienie, tak jak nie wierzymy, że statek ulegnie rozpadowi, chowając się za horyzontem. Jeśli znane nam galaktyki mogą istnieć w odległych regionach poza polem widzenia, kto może powiedzieć, że nie może tam być czegoś innego? Rzeczy, których nigdy nie widzieliśmy i nigdy nie zobaczymy? Gdy tylko uznamy możliwość istnienia regionów, które są poza naszym horyzontem, konsekwencje rosną wykładniczo. Brytyjski astronom Royal Martin Rees porównuje ten tok rozumowania do terapii obrzydzenia. Kiedy uznasz obecność galaktyk poza naszym obecnym horyzontem, „zaczynasz od małego pająka bardzo daleko”, ale zanim się zorientujesz, uwolnisz możliwość wieloświata zamieszkanego przez nieskończone światy, być może bardzo różne od twojego – że jest "znajdź tarantulę czołgającą się nad tobą".

Niemożność bezpośredniego kontrolowania obiektów nigdy nie była moim osobistym kryterium określania przydatności teorii fizycznej. Jeśli jest coś, co mnie martwi w wieloświecie, to na pewno nie ma z tym nic wspólnego.

Multiwszechświat rzuca wyzwanie innej idei, która jest nam bliska: wyjątkowości. Czy to może powodować problemy? Jak wyjaśnia kosmolog Alexander Vilenkin, bez względu na to, jak duży jest obserwowany obszar, o ile jest skończony, może on znajdować się w skończonej liczbie stanów kwantowych. A opis tych stanów jednoznacznie określa zawartość regionu. Jeśli tych regionów jest nieskończenie wiele, to ten sam stan z konieczności zostanie odtworzony gdzie indziej. Nawet nasze słowa zostaną dokładnie odtworzone. Ponieważ proces trwa w nieskończoność, będzie też nieskończona liczba naszych kopii.

„Posiadanie tych kopii wprawia mnie w depresję” — mówi Vilenkin. – Nasza cywilizacja ma wiele negatywnych cech, ale przynajmniej możemy zadeklarować jej wyjątkowość – jako dzieło sztuki. A teraz nie możemy nawet tego powiedzieć”. Rozumiem, o co mu chodzi. Mnie to też martwi, ale nie jestem pewien, czy to właśnie ta myśl leży u podstaw mojego niezadowolenia. Jak Vilenkin mówi tęsknie: „Nie jestem wystarczająco arogancki, by powiedzieć rzeczywistości, jaka powinna być”.

Główna zagadka debaty tkwi w dziwnej ironii. Chociaż wieloświat powiększa naszą koncepcję rzeczywistości fizycznej do niemal niewyobrażalnych rozmiarów, jest klaustrofobiczny, ponieważ wyznacza granicę między naszą wiedzą a naszą zdolnością do jej zdobywania. Teoretycy marzą o świecie bez własnej woli, opisanym równaniami samowystarczalności. Naszym celem jest znalezienie logicznie kompletnej teorii, mocno ograniczonej samowystarczalnością i przybierającej tylko jedną formę. Wtedy dla nas, którzy nawet nie wiemy, skąd i dlaczego wzięła się ta teoria, jej struktura nie będzie wyglądać na przypadkową. Wszystkie podstawowe stałe natury „wyjdą z matematyki, liczby pi i dwójek”, mówi Raphael Busso, fizyk z Berkeley.

Na tym polega atrakcyjność Ogólnej Teorii Względności Einsteina - powód, dla którego fizycy na całym świecie wołają o jej niezwykłe, nieśmiertelne piękno. Rozważania na temat symetrii dyktują równania tak wyraźnie, że teoria wydaje się nieunikniona. To właśnie chcieliśmy powtórzyć w innych dziedzinach fizyki. I jak dotąd nam się nie udało.

Przez dziesięciolecia naukowcy szukali fizycznych powodów, dla których stałe fundamentalne muszą przyjmować dokładnie te wartości, które mają, ale do tej pory nie znaleziono powodu. I ogólnie, jeśli użyjemy dostępnych teorii do obliczenia możliwych wartości niektórych znanych parametrów, wyniki są absurdalnie dalekie od zmierzonych wartości. Ale jak wytłumaczyć te parametry? Jeśli istnieje tylko jeden wszechświat, to rządzące nim parametry muszą mieć specjalne znaczenie. Albo proces rządzący doborem parametrów jest losowy, albo jest w nim jakaś logika, a nawet przemyślany cel.

Żadna z opcji nie wygląda atrakcyjnie. My naukowcy spędzamy życie na poszukiwaniu praw, ponieważ wierzymy, że wszystko dzieje się z jakiegoś powodu, nawet jeśli jest nam nieznane. Szukamy wzorców, ponieważ wierzymy w jakiś porządek we wszechświecie, nawet jeśli go nie widzimy. Czysty przypadek nie pasuje do tego światopoglądu.

Ale nie chcę też mówić o rozsądnym planie, bo to implikuje istnienie pewnej siły, która poprzedza prawa natury. Siła ta musi wybrać i ocenić, co w przypadku braku tak jasnej, zrównoważonej i poważnie ograniczonej struktury, jak na przykład GR, implikuje arbitralność. Jest coś szczerze niezadowalającego w koncepcji, że może istnieć kilka logicznie spójnych wszechświatów, z których tylko jeden został wybrany. Gdyby tak było, to, jak mówi kosmolog Dennis Sciama, należałoby pomyśleć, że „jest ktoś, kto studiuje taką listę i mówi: 'Nie, nie będziemy mieć takiego wszechświata i nie będziemy mieć takiego wszechświata. wszechświat. Będzie tylko ten”.

Osobiście ta opcja, ze wszystkimi jej implikacjami dotyczącymi tego, co może być, denerwuje mnie. Przychodzą mi na myśl różne sceny: porzucone dzieci w sierocińcu z jakiegoś zapomnianego filmu, kiedy jedno z nich zostaje adoptowane; twarze ludzi gorączkowo dążących do marzenia, ale nie do osiągnięcia; poronienia w pierwszym trymestrze ciąży. Takie rzeczy, które prawie się urodziły, ale nie mogły, dręczą mnie. O ile nie ma teoretycznego ograniczenia, które wyklucza wszystkie możliwości poza jedną, taki wybór wydaje się okrutny i niesprawiedliwy.

Jak w tak starannie wykonanej kreacji wytłumaczyć niepotrzebne cierpienie? Ponieważ te kwestie filozoficzne, etyczne i moralne nie należą do dziedziny fizyki, większość naukowców unika ich omawiania. Ale w ich imieniu przemawiał noblista Steven Weinberg: „Czy w naszym życiu są ślady hojnego twórcy – każdy sam sobie na to pytanie odpowie. Moje życie było niesamowicie szczęśliwe. A jednak widziałem, jak boleśnie zmarła moja mama na raka, jak choroba Alzheimera zniszczyła osobowość mojego ojca i jak wielu kuzynów i kuzynów zginęło w Holokauście. Znaki obecności życzliwego twórcy są bardzo dobrze ukryte.

W obliczu bólu o wiele łatwiej jest zaakceptować przypadkowość niż bezduszne lekceważenie lub celowe okrucieństwo obecne w skrupulatnie zaprojektowanym wszechświecie.

Multiwers obiecał odciągnąć nas od tych strasznych myśli, dać nam trzecią opcję, która przezwycięży dylemat wyjaśnienia.

Oczywiście fizycy nie wymyślili do tego wieloświata. Pochodziła z innych względów. Teoria kosmicznej inflacji miała wyjaśniać szeroko zakrojoną gładkość i brak krzywizny wszechświata. „Szukaliśmy prostego wyjaśnienia, dlaczego wszechświat jest jak wielka kula” — mówi Andrei Linde, fizyk ze Stanforda. „Nie wiedzieliśmy, że w ładunku coś pójdzie do tego pomysłu”. Ciężarem było uświadomienie sobie, że nasz Wielki Wybuch nie był wyjątkowy i że w rzeczywistości musi istnieć nieskończona liczba takich eksplozji, z których każda tworzy czasoprzestrzeń niezwiązaną z naszą.

Potem przyszła teoria strun. Jak dotąd jest najlepszym kandydatem na ujednoliconą teorię wszystkiego. Nie tylko dokonuje niemożliwego – pogodzenia grawitacji i mechaniki kwantowej – ale po prostu się przy tym upiera. Ale w przypadku schematu, który sprowadza niesamowitą różnorodność wszechświata do minimalnego zestawu cegiełek, teoria strun boryka się z upokarzającym problemem: nie wiemy, jak określić dokładne wartości stałych podstawowych. Według aktualnych szacunków istnieją potencjalne możliwości – niezmiernie ogromna liczba, dla której nie mamy nawet nazwy. Teoria strun wylicza wszystkie formy, jakie mogą przybierać prawa fizyki, a inflacja daje możliwość ich realizacji. Wraz z narodzinami każdego nowego wszechświata tasuje się wyimaginowaną talię kart. Rozdane rozdanie określa prawa rządzące wszechświatem.

Multiwszechświat wyjaśnia, w jaki sposób stałe z równań przyjęły swoje nieodłączne wartości bez udziału losowości lub rozsądnego wyboru. Jeśli istnieje wiele wszechświatów, w których zaimplementowane są wszystkie możliwe prawa fizyki, to właśnie te wartości otrzymujemy przy pomiarach, ponieważ nasz wszechświat znajduje się dokładnie w tym miejscu w krajobrazie. Nie ma głębszego wyjaśnienia. Wszystko. To jest odpowiedź.

Ale uwalniając nas od starej dychotomii, wieloświat pozostawia nas w niespokojnym stanie. Pytanie, z którym zmagamy się od tak dawna, może nie mieć głębszej odpowiedzi niż „tak to działa”. Być może to najlepsze, co możemy zrobić, ale nie jesteśmy przyzwyczajeni do takich odpowiedzi. Nie zdejmuje zasłon ani nie wyjaśnia, jak to wszystko działa. Co więcej, burzy marzenie teoretyków, argumentując, że nie można znaleźć unikalnego rozwiązania, ponieważ ono nie istnieje.

Niektórzy ludzie nie lubią tej odpowiedzi, inni uważają, że nie można jej nawet nazwać odpowiedzią, a inni po prostu ją akceptują.

Laureatowi Nagrody Nobla Davidowi Grossowi wydaje się, że wieloświat „pachnie jak anioły”. Mówi, że zaakceptowanie wieloświata jest jak poddanie się, zaakceptowanie, że nigdy niczego nie zrozumiesz, ponieważ wszystko, co można zaobserwować, można sprowadzić do „historycznego przypadku”. Kolega noblisty Gerard 't Hooft ubolewa, że ​​nie może zaakceptować scenariusza „próbowania wszystkich rozwiązań, aż znajdziesz takie, które pasuje do naszego świata”. Mówi: „Fizycy nie pracowali w ten sposób w przeszłości i nadal możemy mieć nadzieję, że w przyszłości będziemy mieli lepsze dowody”.

Kosmolog z Princeton Paul Steinhardt nazywa wieloświat „teorią wszystkiego”, ponieważ uznaje on wszystko i niczego nie wyjaśnia. „Teoria naukowa musi być selektywna”, mówi. „Jej siła tkwi w samej liczbie możliwości. Jeśli zawiera wszystkie możliwości, to niczego nie wyklucza, a jego moc wynosi zero. Steinhardt był jednym z pierwszych orędowników inflacji, dopóki nie zdał sobie sprawy, że prowadzi ona do wieloświata i tworzy przestrzeń możliwości, zamiast formułować konkretne przewidywania. Od tego czasu stał się jednym z najgłośniejszych krytyków inflacji. W ostatnim odcinku Star Talk przedstawił się jako mistrz wieloświatowych alternatyw. „Co takiego jest w wieloświecie, że tak bardzo cię denerwuje? - zażartował gospodarz. „Zniszczyła jeden z moich ulubionych pomysłów” — odpowiedział Steinhardt.

Fizycy mieli do czynienia z prawdą, pojęciami absolutnymi, przewidywaniami. Albo tak jest, albo nie. Teorie nie powinny być elastyczne ani inkluzywne, powinny być restrykcyjne, rygorystyczne, wykluczające opcje. W każdej sytuacji chcesz być w stanie przewidzieć prawdopodobny - a najlepiej, jedyny i nieunikniony - wynik. Wieloświat nic dla nas nie robi.

Debata o wieloświatu często przeradza się w głośną debatę, w której sceptycy oskarżają zwolenników idei zdrady nauki. Ale ważne jest, aby zdać sobie sprawę, że nikt nie wybrał takiego stanu rzeczy. Każdy chce wszechświata organicznie powstałego z pięknych głębokich zasad. Ale z tego, co wiemy, w naszym wszechświecie nie ma czegoś takiego. Jest tym, kim jest.

Czy trzeba polemizować z ideą wieloświata? Czy powinna pozostać na uboczu? Wielu moich kolegów stara się to przedstawić w bardziej korzystnym świetle. Logicznie rzecz biorąc, łatwiej jest pracować z nieskończoną liczbą wszechświatów niż z jednym — jest mniej rzeczy do wyjaśnienia. Mówiąc słowami Scyamy, wieloświat „w pewien sposób zadowala brzytwę Ockhama, ponieważ chcesz zminimalizować liczbę przypadkowych ograniczeń, które nakładasz na wszechświat”. Weinberg mówi, że teoria, która jest wolna od arbitralnych założeń i nie poddawana „starannym dopasowywaniu się do obserwacji”, jest piękna sama w sobie. Może się okazać, że to piękno jest podobne do piękna termodynamiki, ze statystycznym pięknem wyjaśniającym stan układu makroskopowego, ale nie każdego z jego poszczególnych składników. „Gdy szukasz piękna, nie możesz być pewien, gdzie je znajdziesz ani jakie piękno znajdziesz”, mówi Weisenberg.

Wielokrotnie zastanawiając się nad tymi złożonymi problemami intelektualnymi, wracałem myślami do prostej i pięknej mądrości Małego Księcia z dzieła Antoine'a de Saint-Exupery'ego, który uważając swoją ulubioną różę za jedyną ze wszystkich światów, się w ogrodzie różanym. Zdezorientowany tą zdradą i przygnębiony utratą znaczenia – jego róży i siebie – płacze. W końcu zdaje sobie sprawę, że jego róża jest „ważniejsza niż setki innych”, ponieważ jest jego.

Nie może być nic szczególnego w naszym wszechświecie poza faktem, że jest nasz. Czy to nie wystarczy? Nawet jeśli całe nasze życie i wszystko, co wiemy, okaże się nieistotne w skali kosmosu, nadal są nasze. Jest coś wyjątkowego w tu i teraz, że coś jest moje.

W ostatnich miesiącach kilka razy odtwarzałem w myślach moją rozmowę z Gian Giudisem. Uwierzyłem w to, jak bardzo był zrelaksowany w kwestii liczby możliwych wszechświatów i pozornie przypadkowych wyborów dokonywanych przez nas. Może wieloświat po prostu daje nam znać, że pracujemy nad niewłaściwymi rzeczami, mówi. Być może, podobnie jak Kepler z orbitami planet, próbujemy znaleźć w liczbach głębsze znaczenie niż jest.

Ponieważ Kepler wiedział tylko o istnieniu Układu Słonecznego, uważał, że w kształcie orbit planet i odległościach między nimi kryją się ważne informacje, ale okazało się, że tak nie jest. Te wartości nie były fundamentalne, były po prostu danymi środowiskowymi. W tamtym czasie mogło się to wydawać godne ubolewania, ale z punktu widzenia ogólnej teorii względności nie odczuwamy już poczucia straty. Mamy świetne wyjaśnienie grawitacji. Tyle, że w tym wyjaśnieniu wartości związane z orbitami planet nie są stałymi fundamentalnymi.

Być może, mówi Judis, wieloświat implikuje coś podobnego. Może musimy puścić to, do czego się przywiązujemy. Może musimy pomyśleć szerzej, przegrupować się, zmienić pytania, które zadajemy naturze. Według niego, wieloświat może otworzyć „niezwykle satysfakcjonujące, przyjemne i poszerzające oczy możliwości”.

Ze wszystkich argumentów przemawiających za wieloświatem ten jest moim ulubionym. W każdym scenariuszu, w dowolnym systemie fizycznym, istnieje nieskończenie wiele pytań, które można zadać. Próbujemy rozwikłać problem do podstaw i zadawać najbardziej podstawowe pytania, ale nasza intuicja jest zbudowana na tym, co było wcześniej i możliwe, że opieramy się na paradygmatach, które nie są już istotne dla nowych obszarów, które próbujemy zbadać .

Multiwers jest bardziej jak klucz niż zamknięte drzwi. Z mojego punktu widzenia świat jest zabarwiony nadzieją i pełen możliwości. Nie jest bardziej marnotrawny niż altana pełna róż.

Wszechświaty równoległe - teoria czy rzeczywistość? Wielu fizyków zmaga się z rozwiązaniem tego problemu od ponad roku.

Czy istnieją wszechświaty równoległe?

Czy nasz wszechświat jest jednym z wielu? Idea wszechświatów równoległych, wcześniej przypisywana wyłącznie science fiction, obecnie cieszy się coraz większym szacunkiem wśród naukowców – przynajmniej wśród fizyków, którzy zwykle popychają każdą ideę do granic tego, co w ogóle można założyć. W rzeczywistości istnieje ogromna liczba potencjalnych wszechświatów równoległych. Fizycy zaproponowali kilka możliwych form „wieloświata”, z których każda jest możliwa zgodnie z pewnym aspektem praw fizyki. Problem, który wynika bezpośrednio z samej definicji, polega na tym, że ludzie nigdy nie będą w stanie odwiedzić tych wszechświatów, aby sprawdzić, czy istnieją. Powstaje zatem pytanie, jak sprawdzić istnienie wszechświatów równoległych, których nie można zobaczyć ani dotknąć innymi metodami?

Narodziny pomysłu

Zakłada się, że przynajmniej niektóre z tych wszechświatów zamieszkiwane są przez ludzkie odpowiedniki, które wiodą podobne lub nawet identyczne życie z ludźmi z naszego świata. Taki pomysł porusza twoje ego i budzi fantazje - dlatego wieloświaty, bez względu na to, jak odległe i nie do udowodnienia, zawsze cieszyły się tak dużą popularnością. Ideę wieloświata widzieliście najpełniej w książkach takich jak Człowiek z wysokiego zamku Philipa K. Dicka i filmach takich jak Beware the Doors Are Closing. W rzeczywistości nie ma nic nowego w idei wieloświatów - wyraźnie pokazuje to filozofka religijna Mary-Jane Rubenstein w swojej książce Światy bez końca. W połowie XVI wieku Kopernik twierdził, że Ziemia nie jest centrum wszechświata. Dekady później teleskop Galileusza pokazał mu gwiazdy poza jego zasięgiem, dając ludzkości pierwszy wgląd w bezmiar kosmosu. Tak więc pod koniec XVI wieku włoski filozof Giordano Bruno twierdził, że wszechświat może być nieskończony i zawierać nieskończoną liczbę zamieszkałych światów.

wszechświat matrioszka

Idea, że ​​wszechświat zawiera wiele układów słonecznych, stała się dość powszechna w XVIII wieku. Na początku XX wieku irlandzki fizyk Edmund Fournier D'Alba zasugerował nawet, że może istnieć nieskończona regresja „zagnieżdżonych” wszechświatów o różnych rozmiarach, zarówno dużych, jak i małych. Z tego punktu widzenia pojedynczy atom można uznać za prawdziwy zamieszkany układ słoneczny. Współcześni naukowcy zaprzeczają istnieniu wieloświata matrioszki, ale zamiast tego zaproponowali kilka innych opcji, w których wieloświaty mogą istnieć. Oto najpopularniejsze z nich.

patchworkowy wszechświat

Najprostsza z tych teorii wywodzi się z idei nieskończoności wszechświata. Nie można wiedzieć na pewno, czy jest nieskończony, ale nie można też temu zaprzeczyć. Jeśli nadal jest nieskończony, należy go podzielić na „łaty” – regiony, które nie są dla siebie widoczne. Czemu? Faktem jest, że te regiony są tak daleko od siebie, że światło nie może pokonać takiej odległości. Wszechświat ma zaledwie 13,8 miliarda lat, więc wszystkie regiony oddalone od siebie o 13,8 miliarda lat świetlnych są całkowicie odcięte od siebie. Pod każdym względem te regiony można uznać za odrębne wszechświaty. Ale nie pozostają w ten sposób na zawsze - w końcu światło przekracza granicę między nimi i rozszerzają się. A jeśli wszechświat faktycznie składa się z nieskończonej liczby „wszechświatów wyspowych” zawierających materię, gwiazdy i planety, to gdzieś muszą istnieć światy identyczne z Ziemią.

Inflacyjny multiwers

Druga teoria wyrasta z pomysłów dotyczących powstania wszechświata. Zgodnie z dominującą wersją Wielkiego Wybuchu, zaczął się jako nieskończenie mała kropka, która rozszerzała się niesamowicie szybko w gorącej kuli ognia. Ułamek sekundy po rozpoczęciu ekspansji przyspieszenie osiągnęło już tak ogromną prędkość, że znacznie przekraczało prędkość światła. A ten proces nazywa się inflacją. Teoria inflacji wyjaśnia, dlaczego wszechświat jest stosunkowo jednorodny w dowolnym punkcie. Inflacja rozszerzyła tę kulę ognia do rozmiarów kosmicznych. Jednak stan początkowy miał również dużą liczbę różnych losowych zmian, które również podlegały inflacji. A teraz są przechowywane jako kosmiczne promieniowanie mikrofalowe, słaba poświata Wielkiego Wybuchu. A to promieniowanie przenika cały Wszechświat, sprawiając, że nie jest on tak jednorodny.

Kosmiczny dobór naturalny

Teorię tę sformułował Lee Smolin z Kanady. W 1992 roku zasugerował, że wszechświaty mogą ewoluować i rozmnażać się jak żywe istoty. Na Ziemi dobór naturalny faworyzuje „korzystne” cechy, takie jak szybsze bieganie lub określona pozycja kciuka. Musi również istnieć pewna presja w multiwszechświecie, która sprawia, że ​​niektóre wszechświaty są lepsze od innych. Smolin nazwał tę teorię „kosmiczną selekcją naturalną”. Pomysł Smolin polega na tym, że wszechświat „matki” może dać życie „córkom”, które się w nim tworzą. Wszechświat macierzysty może to zrobić tylko wtedy, gdy ma czarne dziury. Czarna dziura powstaje, gdy duża gwiazda zapada się pod wpływem własnej grawitacji, spychając wszystkie atomy razem, aż osiągną nieskończoną gęstość.

wieloświatowa brane

Kiedy w latach dwudziestych ogólna teoria względności Alberta Einsteina zaczęła zdobywać popularność, wiele osób dyskutowało o „czwartym wymiarze”. Co może tam być? Może ukryty wszechświat? To była bzdura, Einstein nie zakładał istnienia nowego wszechświata. Powiedział tylko, że czas jest tym samym wymiarem, który jest jak trzy wymiary przestrzeni. Wszystkie cztery przeplatają się ze sobą, tworząc kontinuum czasoprzestrzenne, którego materia ulega zniekształceniu - i uzyskuje się grawitację. Mimo to inni naukowcy zaczęli dyskutować o możliwości istnienia innych wymiarów w kosmosie. Pierwsze ślady ukrytych wymiarów pojawiły się w pracach fizyka teoretycznego Theodora Kaluzy. W 1921 wykazał, że dodając nowe wymiary do równania ogólnej teorii względności Einsteina, można uzyskać dodatkowe równanie, które może przewidzieć istnienie światła.

Interpretacja wieloświatowa (wieloświat kwantowy)

Teoria mechaniki kwantowej jest jedną z najbardziej udanych w całej nauce. Omawia zachowanie najmniejszych obiektów, takich jak atomy i tworzące je cząstki elementarne. Potrafi przewidzieć wszystko, od kształtu molekuł po interakcje światła i materii, a wszystko to z niewiarygodną dokładnością. Mechanika kwantowa rozpatruje cząstki w postaci fal i opisuje je matematycznym wyrażeniem zwanym funkcją falową. Być może najdziwniejszą cechą funkcji falowej jest to, że pozwala ona cząstce istnieć w kilku stanach jednocześnie. Nazywa się to superpozycją. Ale superpozycje załamują się, gdy tylko obiekt zostanie w jakikolwiek sposób zmierzony, ponieważ pomiary zmuszają obiekt do wybrania określonej pozycji. W 1957 roku amerykański fizyk Hugh Everett zasugerował, abyśmy przestali narzekać na dziwną naturę tego podejścia i po prostu z nim żyli. Zasugerował również, że obiekty nie przełączają się do określonej pozycji podczas pomiaru – zamiast tego uważał, że wszystkie możliwe pozycje podane funkcji falowej są równie rzeczywiste. Dlatego mierząc przedmiot, człowiek widzi tylko jedną z wielu rzeczywistości, ale wszystkie inne również istnieją.