W równoległych światach ludzie lub fałszywi. Nasz świat nie jest jedyny: teoria wszechświatów równoległych. Ludzie od niepamiętnych czasów myśleli o wielu wszechświatach.

Teoria Hellenthala Interesująca jest hipoteza dotycząca pochodzenia Rosjan, postawiona w tym roku przez uczonego z Oksfordu Garretta Hellenthala. Wykonawszy wiele pracy nad badaniem DNA różnych ludów, wraz z grupą naukowców opracował atlas genetyczny ich migracji.

Spory i hipotezy dotyczące istnienia nieznanych nam bliźniaczych planet, wszechświatów równoległych, a nawet galaktyk toczą się od wielu dziesięcioleci. Wszystkie opierają się na teorii prawdopodobieństwa bez angażowania idei współczesnej fizyki. W ostatnich latach dodano do nich ideę istnienia superwszechświata, opartą na sprawdzonych teoriach – mechanice kwantowej i teorii względności. Artykuł Maxa Tegmarka "Wszechświaty równoległe" stawia hipotezę dotyczącą struktury rzekomego superwszechświata, teoretycznie obejmującego cztery poziomy. Jednak już w następnej dekadzie naukowcy mogą mieć realną szansę na zdobycie nowych danych o właściwościach przestrzeni kosmicznej i odpowiednio potwierdzić lub obalić tę hipotezę. Artykuł został opublikowany w czasopiśmie „W świecie nauki” (2003. nr 8).

Ewolucja dostarczyła nam intuicji na temat codziennej fizyki, niezbędnej dla naszych odległych przodków; dlatego gdy tylko wyjdziemy poza codzienność, możemy spodziewać się osobliwości.

Najprostszy i najpopularniejszy model kosmologiczny przewiduje, że mamy bliźniaka w galaktyce oddalonej o około 10 do potęgi 1028 metrów. Odległość jest tak duża, że ​​jest poza zasięgiem obserwacji astronomicznych, ale to nie czyni naszego bliźniaka mniej realnym. Założenie opiera się na teorii prawdopodobieństwa bez angażowania idei współczesnej fizyki. Przyjmuje się tylko założenie, że przestrzeń jest nieskończona i wypełniona materią. Może istnieć wiele planet nadających się do zamieszkania, w tym te, na których ludzie żyją o tym samym wyglądzie, tych samych nazwach i wspomnieniach, którzy przeszli przez te same wzloty i upadki w życiu co my.

Ale nigdy nie będziemy mogli zobaczyć naszych innych żyć. Najdalsza odległość, jaką możemy zobaczyć, to ta, którą światło może przebyć w ciągu 14 miliardów lat od Wielkiego Wybuchu. Odległość pomiędzy najdalszymi widocznymi od nas obiektami wynosi około 431026 m; określa obszar Wszechświata dostępny do obserwacji, zwany objętością Hubble'a lub objętością kosmicznego horyzontu lub po prostu Wszechświatem. Wszechświaty naszych bliźniaków to kule tej samej wielkości, wyśrodkowane na ich planetach. Jest to najprostszy przykład wszechświatów równoległych, z których każdy jest tylko niewielką częścią superwszechświata.

Już sama definicja „wszechświata” sugeruje, że na zawsze pozostanie on w dziedzinie metafizyki. Jednak granicę między fizyką a metafizyką wyznacza możliwość eksperymentalnego testowania teorii, a nie istnienie obiektów nieobserwowalnych. Granice fizyki stale się poszerzają, obejmując coraz bardziej abstrakcyjne (i wcześniej metafizyczne) idee, takie jak kulista Ziemia, niewidzialne pola elektromagnetyczne, dylatacja czasu przy dużych prędkościach, superpozycja stanów kwantowych, krzywizna przestrzeni i czarne dziury. W ostatnich latach do tej listy dodano ideę superwszechświata. Opiera się na sprawdzonych teoriach — mechanice kwantowej i teorii względności — i spełnia oba główne kryteria nauk empirycznych: umożliwia przewidywanie i może zostać obalona. Naukowcy rozważają cztery typy wszechświatów równoległych. Głównym pytaniem nie jest to, czy superwszechświat istnieje, ale ile poziomów może mieć.

Poziom I

Poza naszym kosmicznym horyzontem

Wszechświaty równoległe naszych odpowiedników stanowią pierwszy poziom superwszechświata. To najmniej kontrowersyjny typ. Wszyscy rozpoznajemy istnienie rzeczy, których nie możemy zobaczyć, ale możemy zobaczyć, przenosząc się w inne miejsce lub po prostu czekając, jak czekamy na pojawienie się statku z horyzontu. Podobny status mają obiekty poza naszym kosmicznym horyzontem. Rozmiar obserwowalnego obszaru wszechświata zwiększa się o jeden rok świetlny każdego roku, gdy światło dociera do nas z coraz bardziej odległych obszarów, za którymi kryje się nieskończoność, której jeszcze nie widać. Prawdopodobnie umrzemy na długo, zanim nasze bliźnięta znajdą się w zasięgu wzroku, ale jeśli ekspansja wszechświata pomoże, nasi potomkowie będą mogli je zobaczyć za pomocą wystarczająco silnych teleskopów.

Poziom I superwszechświata wydaje się banalnie oczywisty. Jak przestrzeń może nie być nieskończona? Czy jest gdzieś znak z napisem „Uważaj! Koniec przestrzeni? Jeśli istnieje kres przestrzeni, co jest poza nią? Jednak teoria grawitacji Einsteina zakwestionowała tę intuicję. Przestrzeń może być skończona, jeśli ma dodatnią krzywiznę lub nietypową topologię. Sferyczny, toroidalny lub „precelkowy” wszechświat może mieć skończoną objętość bez granic. Kosmiczne promieniowanie mikrofalowe w tle umożliwia sprawdzenie istnienia takich struktur. Jednak fakty wciąż przemawiają przeciwko nim. Model nieskończonego wszechświata odpowiada danym, a wszystkie inne opcje są ściśle ograniczone.

Inna opcja jest taka: przestrzeń jest nieskończona, ale materia jest skoncentrowana na ograniczonym obszarze wokół nas. W jednej z wersji popularnego niegdyś modelu „wyspowego wszechświata” zakłada się, że w dużej skali materia jest rozrzedzona i ma strukturę fraktalną. W obu przypadkach prawie wszystkie wszechświaty w superwszechświecie I poziomu muszą być puste i pozbawione życia. Ostatnie badania trójwymiarowego rozkładu galaktyk i promieniowania tła (reliktowego) wykazały, że rozkład materii ma tendencję do jednorodności w dużych skalach i nie tworzy struktur większych niż 1024 m. Jeśli ten trend się utrzyma, to przestrzeń poza obserwowalny Wszechświat powinien być pełen galaktyk, gwiazd i planet.

Dla obserwatorów we wszechświatach równoległych pierwszego poziomu obowiązują te same prawa fizyki, co dla nas, ale w innych warunkach początkowych. Według współczesnych teorii procesy, które zachodziły w początkowych stadiach Wielkiego Wybuchu, rozrzucały losowo materię tak, że istniała możliwość powstania dowolnych struktur.

Kosmolodzy przyjmują, że nasz Wszechświat o niemal równomiernym rozkładzie materii i początkowych fluktuacjach gęstości rzędu 1/105 jest dość typowy (przynajmniej wśród tych, w których występują obserwatorzy). Szacunki oparte na tym założeniu wskazują, że twoja najbliższa replika znajduje się w odległości 10 do potęgi 1028 m. W odległości 10 do potęgi 1092 m powinna znajdować się kula o promieniu 100 lat świetlnych, identyczna jak jeden, w centrum którego się znajdujemy; aby wszystko, co zobaczymy w następnym stuleciu, zobaczyli nasi odpowiednicy, którzy tam są. W odległości około 10 do potęgi 10118 m od nas powinien znajdować się identyczny jak nasz wolumen Hubble'a. Szacunki te są uzyskiwane poprzez zliczenie możliwej liczby stanów kwantowych, które może mieć objętość Hubble'a, jeśli jej temperatura nie przekracza 108 K. Liczbę stanów można oszacować zadając pytanie: ile protonów może utrzymać objętość Hubble'a o takiej temperaturze? Odpowiedź brzmi 10118. Jednak każdy proton może być obecny lub nieobecny, co daje 2 do potęgi 10118 możliwych konfiguracji. „Pudełko” zawierające tak wiele tomów Hubble'a obejmuje wszystkie możliwości. Jego rozmiar to 10 do potęgi 10118 m. Za nią wszechświaty, w tym nasz, muszą się powtarzać. W przybliżeniu te same liczby można uzyskać na podstawie termodynamicznych lub kwantowych szacunków grawitacyjnych ogólnej zawartości informacyjnej Wszechświata.

Jednak nasz najbliższy bliźniak prawdopodobnie będzie bliżej nas niż wynika to z tych szacunków, ponieważ sprzyja temu proces formowania się planet i ewolucja życia. Astronomowie uważają, że nasz tom Hubble'a zawiera co najmniej 1020 planet nadających się do zamieszkania, z których niektóre mogą być podobne do Ziemi.

We współczesnej kosmologii koncepcja superwszechświata poziomu I jest szeroko stosowana do testowania teorii. Zastanówmy się, jak kosmologowie używają CMB do odrzucenia modelu skończonej geometrii sferycznej. Gorące i zimne „plamy” na mapach CMB mają charakterystyczną wielkość zależną od krzywizny przestrzeni. Tak więc rozmiar obserwowanych plam jest zbyt mały, aby być zgodnym z geometrią sferyczną. Ich średnia wielkość zmienia się losowo w zależności od objętości Hubble'a, więc możliwe jest, że nasz Wszechświat jest kulisty, ale ma anomalnie małe plamki. Kiedy kosmologowie twierdzą, że wykluczają model sferyczny z 99,9% poziomem ufności, mają na myśli, że jeśli model jest poprawny, to mniej niż jeden wolumen Hubble'a na tysiąc będzie miał plamki tak małe jak te obserwowane. Wynika z tego, że teoria superwszechświatów jest testowalna i może zostać odrzucona, nawet jeśli nie możemy zobaczyć innych wszechświatów. Najważniejsze jest przewidzenie, jak wygląda zespół wszechświatów równoległych i znalezienie rozkładu prawdopodobieństwa, czyli tego, co matematycy nazywają miarą zespołu. Nasz wszechświat musi być jednym z najbardziej prawdopodobnych. Jeśli nie, to jeśli nasz wszechświat okaże się mało prawdopodobny w ramach teorii superwszechświata, teoria ta napotka trudności. Jak zobaczymy później, problem miary może stać się dość dotkliwy.

Poziom II

Inne domeny postinflacyjne

Jeśli trudno było wam wyobrazić sobie superwszechświat I poziomu, spróbujcie wyobrazić sobie nieskończoną liczbę takich superwszechświatów, z których niektóre mają inny wymiar czasoprzestrzenny i charakteryzują się różnymi stałymi fizycznymi. Razem tworzą superwszechświat II poziomu przewidywany przez teorię chaotycznej, nieustannej inflacji.

Teoria inflacji jest uogólnieniem teorii Wielkiego Wybuchu, pozwalającą wyeliminować wady tej ostatniej, na przykład niemożność wyjaśnienia, dlaczego Wszechświat jest tak duży, jednorodny i płaski. Gwałtowna ekspansja kosmosu w czasach starożytnych umożliwia wyjaśnienie tych i wielu innych właściwości Wszechświata. Takie rozciąganie jest przewidywane przez szeroką klasę teorii cząstek elementarnych i potwierdzają to wszystkie dostępne dowody. Wyrażenie „chaotyczny wieczny” w odniesieniu do inflacji wskazuje na to, co dzieje się na największą skalę. Ogólnie rzecz biorąc, przestrzeń stale się powiększa, ale w niektórych obszarach ekspansja zatrzymuje się i pojawiają się poszczególne domeny, jak rodzynki w rosnącym cieście. Pojawia się nieskończona liczba takich domen, a każda z nich służy jako zalążek superwszechświata I poziomu, wypełnionego materią, zrodzonej z energii pola wywołującego inflację.

Sąsiednie domeny są oddalone od nas o więcej niż nieskończoność, w tym sensie, że nie można do nich dotrzeć, nawet jeśli poruszamy się w nieskończoność z prędkością światła, ponieważ przestrzeń między naszą domeną a sąsiednimi rozciąga się szybciej, niż można się w niej poruszać. Nasi potomkowie nigdy nie zobaczą swoich odpowiedników na poziomie II. A jeśli ekspansja wszechświata przyspiesza, jak pokazują obserwacje, to nigdy nie zobaczą swoich odpowiedników nawet na poziomie I.

Superwszechświat poziomu II jest znacznie bardziej zróżnicowany niż superwszechświat poziomu I. Domeny różnią się nie tylko warunkami początkowymi, ale także podstawowymi właściwościami. Wśród fizyków dominuje opinia, że ​​wymiar czasoprzestrzeni, właściwości cząstek elementarnych i wiele tak zwanych stałych fizycznych nie są wbudowane w prawa fizyczne, ale są wynikiem procesów znanych jako łamanie symetrii. Uważa się, że przestrzeń w naszym wszechświecie miała kiedyś dziewięć równych wymiarów. Na początku kosmicznej historii trzy z nich wzięły udział w ekspansji i stały się trzema wymiarami charakteryzującymi dzisiejszy Wszechświat. Pozostałe sześć jest teraz niewykrywalnych, albo dlatego, że pozostały mikroskopijne, zachowując topologię toroidalną, albo dlatego, że cała materia jest skoncentrowana na trójwymiarowej powierzchni (błonie lub po prostu branie) w dziewięciowymiarowej przestrzeni. Tym samym została naruszona pierwotna symetria pomiarów. Fluktuacje kwantowe, które powodują chaotyczną inflację, mogą powodować różne łamanie symetrii w różnych kawernach. Niektóre mogą stać się czterowymiarowe; inne zawierają tylko dwa, a nie trzy pokolenia kwarków; a jeszcze inne, aby mieć silniejszą stałą kosmologiczną niż nasz wszechświat.

Inny sposób pojawienia się superwszechświata poziomu II można przedstawić jako cykl narodzin i niszczenia wszechświatów. W latach 30. fizyk Richard C. Tolman zasugerował ten pomysł, a ostatnio rozwinęli go Paul J. Steinhardt z Princeton University i Neil Turok z Cambridge University. Model Steinhardta i Turoka wyobraża sobie drugą trójwymiarową branę, która jest idealnie równoległa do naszej i przesunięta względem niej tylko w wyższym wymiarze. Ten równoległy wszechświat nie może być uważany za oddzielny, ponieważ oddziałuje z naszym. Jednakże zespół wszechświatów — przeszłych, teraźniejszych i przyszłych — który tworzą te brany, jest superwszechświatem o różnorodności, która wydaje się być zbliżona do tej wynikającej z chaotycznej inflacji. Inną hipotezę dotyczącą superwszechświata przedstawił fizyk Lee Smolin z Perimeter Institute w Waterloo (Ontario, Kanada). Jego superwszechświat jest zbliżony pod względem różnorodności do poziomu II, ale mutuje i tworzy nowe wszechświaty poprzez czarne dziury, a nie przez brany.

Chociaż nie możemy wchodzić w interakcje z wszechświatami równoległymi poziomu II, kosmolodzy oceniają ich istnienie na podstawie poszlak, ponieważ mogą one być przyczyną dziwnych zbiegów okoliczności w naszym wszechświecie. Na przykład w hotelu dostajesz pokój 1967 i zauważasz, że urodziłeś się w 1967. „Co za zbieg okoliczności”, mówisz. Jednak po namyśle dojdź do wniosku, że nie jest to takie zaskakujące. W hotelu są setki pokoi i nie przyszłoby ci do głowy o niczym myśleć, gdyby zaoferowano ci pokój, który nic dla ciebie nie znaczy. Jeśli nie wiedziałeś nic o hotelach, możesz założyć, że w hotelu są inne pokoje, aby wyjaśnić ten zbieg okoliczności.

Jako bliższy przykład rozważ masę Słońca. Jak wiecie, jasność gwiazdy zależy od jej masy. Korzystając z praw fizyki, możemy obliczyć, że życie na Ziemi może istnieć tylko wtedy, gdy masa Słońca mieści się w zakresie: od 1,6x1030 do 2,4x1030 kg. W przeciwnym razie klimat Ziemi byłby chłodniejszy niż Marsa lub gorętszy niż Wenus. Pomiary masy Słońca dały wartość 2,0x1030 kg. Na pierwszy rzut oka masa Słońca mieszcząca się w przedziale wartości zapewniających życie na Ziemi jest przypadkowa.

Masy gwiazd mieszczą się w przedziale od 1029 do 1032 kg; gdyby Słońce uzyskało swoją masę przez przypadek, to szansa, że ​​wpadnie w optymalny przedział dla naszej biosfery, byłaby niezwykle mała.

Pozorną zbieżność można wytłumaczyć założeniem istnienia zespołu (w tym przypadku wielu układów planetarnych) i czynnika selekcji (nasza planeta musi nadawać się do zamieszkania). Takie kryteria selekcji odnoszące się do obserwatora nazywane są antropicznymi; i chociaż wzmianka o nich zwykle budzi kontrowersje, to jednak większość fizyków zgadza się, że kryteriów tych nie należy lekceważyć przy wyborze teorii fundamentalnych.

A co te wszystkie przykłady mają wspólnego z równoległymi wszechświatami? Okazuje się, że niewielka zmiana stałych fizycznych określonych przez złamanie symetrii prowadzi do jakościowo innego wszechświata – takiego, w którym nie moglibyśmy istnieć. Gdyby masa protonu była tylko o 0,2% większa, protony rozpadłyby się, tworząc neutrony, czyniąc atomy niestabilnymi. Gdyby siły oddziaływania elektromagnetycznego były słabsze o 4%, nie byłoby wodoru i zwykłych gwiazd. Gdyby słaba siła była jeszcze słabsza, nie byłoby wodoru; a gdyby była silniejsza, supernowe nie mogłyby wypełnić przestrzeni międzygwiazdowej ciężkimi pierwiastkami. Gdyby stała kosmologiczna była zauważalnie większa, wszechświat rozrósłby się niewiarygodnie, zanim galaktyki mogłyby się w ogóle uformować.

Podane przykłady pozwalają oczekiwać istnienia wszechświatów równoległych o innych wartościach stałych fizycznych. Teoria superwszechświatów drugiego poziomu przewiduje, że fizycy nigdy nie będą w stanie wydedukować wartości tych stałych na podstawie podstawowych zasad, a jedynie obliczyć rozkład prawdopodobieństwa różnych zestawów stałych w całości wszystkich wszechświatów. W tym przypadku wynik musi być zgodny z naszym istnieniem w jednym z nich.

Poziom III

Kwantowy zestaw wszechświatów

Superwszechświaty poziomów I i II zawierają wszechświaty równoległe, niezwykle odległe od nas, poza granicami astronomii. Jednak następny poziom superwszechświata leży tuż wokół nas. Wywodzi się ze słynnej i wysoce kontrowersyjnej interpretacji mechaniki kwantowej, idei, że losowe procesy kwantowe powodują, że wszechświat „pomnaża się” w wiele kopii samego siebie, po jednej dla każdego możliwego wyniku procesu.

Na początku XX wieku. mechanika kwantowa wyjaśniła naturę świata atomowego, który nie przestrzegał praw klasycznej mechaniki Newtona. Pomimo oczywistych sukcesów, wśród fizyków toczyła się gorąca debata na temat prawdziwego znaczenia nowej teorii. Określa stan Wszechświata nie w takich koncepcjach mechaniki klasycznej, jak położenia i prędkości wszystkich cząstek, ale poprzez obiekt matematyczny zwany funkcją falową. Zgodnie z równaniem Schrödingera stan ten zmienia się w czasie w sposób, który matematycy określają terminem „jednostkowy”. Oznacza to, że funkcja falowa obraca się w abstrakcyjnej przestrzeni nieskończenie wymiarowej zwanej przestrzenią Hilberta. Chociaż mechanika kwantowa jest często definiowana jako zasadniczo losowa i nieokreślona, ​​funkcja falowa ewoluuje w dość deterministyczny sposób. Nie ma w niej nic przypadkowego ani niepewnego.

Najtrudniejsze jest powiązanie funkcji falowej z tym, co obserwujemy. Wiele ważnych funkcji falowych odpowiada nienaturalnym sytuacjom, takim jak ta, w której kot jest martwy i żywy w tak zwanej superpozycji. W latach 20. XX wiek fizycy omijają tę dziwność, postulując, że funkcja falowa załamuje się do pewnego konkretnego klasycznego wyniku, gdy dokonuje się obserwacji. Ten dodatek umożliwił wyjaśnienie wyników obserwacji, ale zmienił elegancką teorię unitarną w niechlujną, a nie unitarną. Fundamentalna losowość, przypisywana zwykle mechanice kwantowej, jest konsekwencją właśnie tego postulatu.

Z biegiem czasu fizycy porzucili ten pogląd na rzecz innego, zaproponowanego w 1957 roku przez absolwenta Uniwersytetu Princeton, Hugh Everetta III. Pokazał, że można się obejść bez postulatu upadku. Czysta teoria kwantów nie nakłada żadnych ograniczeń. Chociaż przewiduje, że jedna klasyczna rzeczywistość będzie się stopniowo rozpadać na superpozycję kilku takich rzeczywistości, obserwator subiektywnie postrzega to rozszczepienie jako tylko niewielką losowość z rozkładem prawdopodobieństwa dokładnie takim samym, jak ten, który podaje stary postulat upadku. Ta superpozycja klasycznych wszechświatów to superwszechświat III poziomu.

Od ponad czterdziestu lat ta interpretacja dezorientuje naukowców. Jednak teorię fizyczną łatwiej zrozumieć, porównując dwa punkty widzenia: zewnętrzny, z pozycji fizyka badającego równania matematyczne (jak ptak przemierzający krajobraz z wysokości lotu); i wewnętrznego, z pozycji obserwatora (nazwijmy go żabą) żyjącego w przeoczonym przez ptaka krajobrazie.

Z punktu widzenia ptaka superwszechświat III poziomu jest prosty. Jest tylko jedna funkcja falowa, która płynnie ewoluuje w czasie bez rozszczepiania i równoległości. Abstrakcyjny świat kwantowy, opisany przez ewoluującą funkcję falową, zawiera ogromną liczbę nieustannie dzielących się i łączących linii równoległych historii klasycznych, a także szereg zjawisk kwantowych, których nie da się opisać w ramach pojęć klasycznych. Ale z punktu widzenia żaby widać tylko niewielką część tej rzeczywistości. Widzi wszechświat poziomu I, ale proces dekoherencji podobny do załamania się funkcji falowej, ale z zachowaną jednością, uniemożliwia jej zobaczenie równoległych kopii siebie na poziomie III.

Kiedy obserwator otrzymuje pytanie, na które musi szybko odpowiedzieć, efekt kwantowy w jego mózgu prowadzi do nakładania się decyzji, takich jak „czytaj dalej artykuł” i „przestań czytać artykuł”. Z ptasiego punktu widzenia akt podejmowania decyzji powoduje, że osoba rozmnaża się w kopie, z których niektóre nadal czytają, a inne przestają czytać. Jednak z wewnętrznego punktu widzenia żaden z sobowtórów nie zdaje sobie sprawy z istnienia pozostałych i rozłam odbiera po prostu jako niewielką niepewność, jakąś możliwość kontynuowania lub przerwania czytania.

Może się to wydawać dziwne, dokładnie taka sama sytuacja ma miejsce nawet w superwszechświecie poziomu I. Oczywiście zdecydowałeś się kontynuować czytanie, ale jeden z twoich odpowiedników w odległej galaktyce odłożył magazyn po pierwszym akapicie. Poziomy I i III różnią się tylko tym, gdzie znajdują się twoje odpowiedniki. Na poziomie I żyją gdzieś daleko, w starej dobrej trójwymiarowej przestrzeni, a na poziomie III żyją na innej gałęzi kwantowej nieskończenie wymiarowej przestrzeni Hilberta.

Istnienie poziomu III jest możliwe tylko pod warunkiem, że ewolucja funkcji falowej w czasie jest jednolita. Do tej pory eksperymenty nie ujawniły jej odchyleń od jedności. W ostatnich dziesięcioleciach zostało to potwierdzone dla wszystkich większych systemów, w tym fulerenów C60 i światłowodów kilometrowych. Teoretycznie twierdzenie o unitarności zostało wzmocnione odkryciem naruszenia spójności. Niektórzy teoretycy zajmujący się grawitacją kwantową kwestionują to. W szczególności zakłada się, że parowanie czarnych dziur może niszczyć informację, a nie jest to jednolity proces. Jednak ostatnie postępy w teorii strun sugerują, że nawet grawitacja kwantowa jest jednolita.

Jeśli tak, to czarne dziury nie niszczą informacji, ale po prostu ją gdzieś przekazują. Jeśli fizyka jest jednolita, standardowy obraz wpływu fluktuacji kwantowych w początkowych stadiach Wielkiego Wybuchu musi zostać zmieniony. Te fluktuacje nie wyznaczają losowo superpozycji wszystkich możliwych warunków początkowych, które współistnieją jednocześnie. W tym przypadku naruszenie koherencji powoduje, że warunki początkowe zachowują się w klasyczny sposób na różnych gałęziach kwantowych. Kluczową kwestią jest to, że rozkład wyników w różnych gałęziach kwantowych jednej objętości Hubble'a (poziom III) jest identyczny z rozkładem wyników w różnych objętościach Hubble'a jednej gałęzi kwantowej (poziom I). Ta właściwość fluktuacji kwantowych jest znana w mechanice statystycznej jako ergodyczność.

To samo rozumowanie dotyczy poziomu II. Proces łamania symetrii nie prowadzi do jednoznacznego wyniku, ale do nakładania się wszystkich wyników, które szybko rozchodzą się na oddzielne ścieżki. Tak więc, jeśli stałe fizyczne, wymiar czasoprzestrzeni itp. mogą różnić się równoległymi gałęziami kwantowymi na poziomie III, będą się również różnić we wszechświatach równoległych na poziomie II.

Innymi słowy, superwszechświat poziomu III nie dodaje nic nowego do tego, co jest dostępne na poziomach I i II, tylko więcej kopii tych samych wszechświatów – te same linie historyczne rozwijają się w kółko na różnych gałęziach kwantowych. Gorące kontrowersje wokół teorii Everetta wydają się wkrótce słabnąć w wyniku odkrycia równie wspaniałych, ale mniej kontrowersyjnych superwszechświatów poziomu I i II.

Zastosowania tych idei są głębokie. Na przykład takie pytanie: czy liczba wszechświatów rośnie wykładniczo w czasie? Odpowiedź jest nieoczekiwana: nie. Z ptasiego punktu widzenia istnieje tylko jeden wszechświat kwantowy. A jaka jest obecnie liczba oddzielnych wszechświatów dla żaby? Jest to liczba wyraźnie różnych tomów Hubble'a. Różnice mogą być niewielkie: wyobraź sobie planety poruszające się w różnych kierunkach, wyobraź sobie, że jesteś żonaty z kimś innym i tak dalej. Na poziomie kwantowym jest 10 do potęgi 10118 wszechświatów o temperaturach nie wyższych niż 108 K. Liczba jest gigantyczna, ale skończona.

Dla żaby ewolucja funkcji falowej odpowiada nieskończonemu ruchowi z jednego z tych 10 stanów do potęgi 10118 do drugiego. Jesteś teraz we wszechświecie A, gdzie czytasz to zdanie. A teraz jesteś już we wszechświecie B, gdzie czytasz następujące zdanie. Innymi słowy, w B jest obserwator, który jest identyczny z obserwatorem we wszechświecie A, z tą tylko różnicą, że ma dodatkowe wspomnienia. W każdej chwili istnieją wszystkie możliwe stany, aby upływ czasu mógł zaistnieć na oczach obserwatora. Pomysł ten został wyrażony w jego powieści science fiction Permutation City z 1994 r. przez pisarza Grega Egana i rozwiniętej przez fizyka Davida Deutscha z Oxford University, niezależnego fizyka Juliana Barboura i innych. Widzimy, że idea superwszechświata może odgrywać kluczową rolę w zrozumienie natury czasu.

Poziom IV

Inne struktury matematyczne

Warunki początkowe i stałe fizyczne na poziomach I, II i III superwszechświata mogą się różnić, ale podstawowe prawa fizyki są takie same. Dlaczego na tym się zatrzymaliśmy? Dlaczego same prawa fizyczne nie mogą się różnić? Co powiesz na wszechświat, który przestrzega klasycznych praw bez żadnych relatywistycznych skutków? Co powiesz na czas płynący dyskretnymi krokami, jak w komputerze?

A co z wszechświatem jako pustym dwunastościanem? W superwszechświecie IV poziomu istnieją wszystkie te alternatywy.

O tym, że taki superwszechświat nie jest absurdalny, świadczy zgodność świata abstrakcyjnego rozumowania z naszym rzeczywistym światem. Równania i inne pojęcia i struktury matematyczne - liczby, wektory, obiekty geometryczne - opisują rzeczywistość z niezwykłą wiarygodnością. I odwrotnie, postrzegamy struktury matematyczne jako rzeczywiste. Tak, spełniają podstawowe kryterium rzeczywistości: są takie same dla każdego, kto je bada. Twierdzenie będzie prawdziwe niezależnie od tego, kto je udowodnił - osoba, komputer czy inteligentny delfin. Inne dociekliwe cywilizacje znajdą te same struktury matematyczne, które znamy. Dlatego matematycy mówią, że nie tworzą, ale odkrywają obiekty matematyczne.

Istnieją dwa logiczne, ale diametralnie przeciwstawne paradygmaty korelacji między matematyką a fizyką, które powstały w starożytności. Zgodnie z paradygmatem Arystotelesa rzeczywistość fizyczna jest pierwotna, a język matematyczny jest jedynie wygodnym przybliżeniem. W ramach paradygmatu Platona to właśnie struktury matematyczne są naprawdę realne, a obserwatorzy postrzegają je niedoskonale. Innymi słowy, paradygmaty te różnią się rozumieniem tego, co jest pierwotne - żabim punktem widzenia obserwatora (paradygmat Arystotelesa) lub ptasim spojrzeniem z wysokości praw fizyki (punkt widzenia Platona).

Paradygmat Arystotelesa to sposób, w jaki postrzegaliśmy świat od wczesnego dzieciństwa, na długo zanim po raz pierwszy usłyszeliśmy o matematyce. Punkt widzenia Platona to wiedza nabyta. Współcześni fizycy teoretyczni skłaniają się ku temu, sugerując, że matematyka dobrze opisuje wszechświat właśnie dlatego, że wszechświat ma matematyczny charakter. Wtedy cała fizyka sprowadza się do rozwiązania problemu matematycznego, a nieskończenie mądry matematyk może obliczyć obraz świata tylko na podstawie podstawowych praw na poziomie żaby, czyli dowiedzieć się, którzy obserwatorzy istnieją we wszechświecie, co postrzegają i jakie języki wymyślili, aby przekazać swoją percepcję.

Struktura matematyczna jest abstrakcją, niezmiennym bytem poza czasem i przestrzenią. Gdyby historia była filmem, wówczas struktura matematyczna odpowiadałaby nie jednej klatce, ale całemu filmowi. Weźmy na przykład świat składający się z cząstek o zerowej wielkości rozmieszczonych w przestrzeni trójwymiarowej. Z ptasiego punktu widzenia trajektorie cząstek w czterowymiarowej czasoprzestrzeni to spaghetti. Jeśli żaba widzi cząstki poruszające się ze stałą prędkością, ptak widzi wiązkę prostego, niegotowanego spaghetti. Jeśli żaba widzi dwie krążące wokół siebie cząstki, to ptak widzi dwa „spaghetti” skręcone w podwójną spiralę. Dla żaby świat jest opisany prawami ruchu i grawitacji Newtona, dla ptaka - geometrią „spaghetti”, czyli struktura matematyczna. Sama żaba jest dla niej grubą kulą, której złożone przeplatanie odpowiada grupie cząstek, które przechowują i przetwarzają informacje. Nasz świat jest bardziej skomplikowany niż ten przykład i naukowcy nie wiedzą, której ze struktur matematycznych odpowiada.

Paradygmat Platona zawiera pytanie: dlaczego nasz świat jest taki, jaki jest? Dla Arystotelesa jest to bezsensowne pytanie: świat istnieje i tak jest! Ale zwolennicy Platona są zainteresowani: czy nasz świat może być inny? Jeśli wszechświat jest zasadniczo matematyczny, to dlaczego opiera się tylko na jednej z wielu struktur matematycznych? Wydaje się, że w samym rdzeniu natury istnieje fundamentalna asymetria.Aby rozwiązać zagadkę, zasugerowałem, że istnieje matematyczna symetria: wszystkie struktury matematyczne są fizycznie możliwe do zrealizowania i każda z nich odpowiada równoległemu wszechświatowi. Elementy tego superwszechświata nie znajdują się w tej samej przestrzeni, ale istnieją poza czasem i przestrzenią. Większość z nich prawdopodobnie nie ma obserwatorów. Hipotezę tę można postrzegać jako skrajny platonizm, stwierdzający, że matematyczne struktury platońskiego świata idei, czyli „pejzaż mentalny” matematyka z Uniwersytetu San Jose, Rudy'ego Ruckera, istnieją w sensie fizycznym. Jest to podobne do tego, co kosmolog John D. Barrow z University of Cambridge nazwał „p w niebie”, filozof Robert Nozick z Harvard University określił jako „zasadę płodności”, a filozof David K. Lewis z Uniwersytetu Princeton nazwał „ rzeczywistość modalna". Poziom IV zamyka hierarchię superwszechświatów, ponieważ każdą wewnętrznie spójną teorię fizyczną można wyrazić w postaci jakiejś struktury matematycznej.

Hipoteza superwszechświata IV poziomu pozwala na kilka weryfikowalnych przewidywań. Podobnie jak na poziomie II, obejmuje zespół (w tym przypadku całość wszystkich struktur matematycznych) oraz efekty selekcji. Klasyfikując struktury matematyczne, naukowcy powinni zauważyć, że struktura opisująca nasz świat jest najbardziej ogólną strukturą zgodną z obserwacją. Dlatego wyniki naszych przyszłych obserwacji powinny stać się najbardziej ogólnymi z tych, które zgadzają się z danymi z poprzednich badań, a dane z poprzednich badań najbardziej ogólnymi z tych, które są ogólnie zgodne z naszym istnieniem.

Ocena stopnia ogólności nie jest łatwym zadaniem. Jedną z uderzających i zachęcających cech struktur matematycznych jest to, że cechy symetrii i niezmienności, które utrzymują nasz wszechświat prosty i uporządkowany, wydają się być wspólne. Struktury matematyczne zwykle mają te właściwości domyślnie, a pozbycie się ich wymaga wprowadzenia złożonych aksjomatów.

Co powiedział Occam?

Tak więc teorie wszechświatów równoległych mają czteropoziomową hierarchię, gdzie na każdym kolejnym poziomie wszechświaty coraz mniej przypominają nasze. Można je scharakteryzować różnymi warunkami początkowymi (poziom I), stałymi fizycznymi i cząstkami (poziom II) lub prawami fizycznymi (poziom IV). To zabawne, że poziom III był najbardziej krytykowany w ostatnich dziesięcioleciach jako jedyny, który nie wprowadza jakościowo nowych typów wszechświatów. W nadchodzącej dekadzie szczegółowe pomiary CMB i wielkoskalowego rozkładu materii we wszechświecie pozwolą nam dokładniej określić krzywiznę i topologię przestrzeni oraz potwierdzić lub obalić istnienie poziomu I. Te same dane pozwolą nam uzyskanie informacji o poziomie II poprzez testowanie teorii chaotycznej nieustannej inflacji. Postępy w astrofizyce i fizyce cząstek wysokoenergetycznych pomogą udoskonalić stopień dostrojenia stałych fizycznych, wzmacniając lub osłabiając pozycje poziomu II. Jeśli próby stworzenia komputera kwantowego zakończą się sukcesem, pojawi się dodatkowy argument przemawiający za istnieniem poziomu III, ponieważ równoległość tego poziomu zostanie wykorzystana do obliczeń równoległych. Eksperymentatorzy poszukują również dowodów na naruszenie unitarności, które pozwolą nam odrzucić hipotezę o istnieniu poziomu III. Wreszcie sukces lub porażka próby rozwiązania głównego problemu współczesnej fizyki - połączenia ogólnej teorii względności z kwantową teorią pola - da odpowiedź na pytanie o poziom IV. Albo zostanie znaleziona struktura matematyczna, która dokładnie opisuje nasz wszechświat, albo osiągniemy granicę niewiarygodnej wydajności matematyki i będziemy zmuszeni porzucić hipotezę IV poziomu.

Czy zatem można wierzyć we wszechświaty równoległe? Główne argumenty przeciwko ich istnieniu sprowadzają się do tego, że jest zbyt rozrzutny i niezrozumiały. Pierwszym argumentem jest to, że teorie superwszechświatów są podatne na Brzytwę Ockhama, ponieważ zakładają istnienie innych wszechświatów, których nigdy nie zobaczymy. Dlaczego natura miałaby być tak marnotrawna i „bawić się” tworząc nieskończoną liczbę różnych światów? Jednak ten argument można odwrócić na korzyść istnienia superwszechświata. Czym właściwie jest rozrzutna natura? Na pewno nie w przestrzeni, masie czy liczbie atomów: jest ich już nieskończona liczba na poziomie I, co do istnienia nie ulega wątpliwości, więc nie ma co martwić się, że natura wyda ich jeszcze trochę. Prawdziwym problemem jest pozorna redukcja prostoty. Sceptycy są zaniepokojeni dodatkowymi informacjami potrzebnymi do opisania niewidzialnych światów.

Często jednak cały zespół jest prostszy niż każdy z jego członków. Objętość informacji algorytmu liczbowego to z grubsza wyrażona w bitach długość najkrótszego programu komputerowego, który generuje tę liczbę. Weźmy na przykład zbiór wszystkich liczb całkowitych. Co jest prostsze - cały zestaw czy pojedyncza liczba? Na pierwszy rzut oka – drugi. Jednak te pierwsze można zbudować za pomocą bardzo prostego programu, a pojedyncza liczba może być bardzo długa. Dlatego cały zestaw okazuje się prostszy.

Podobnie zbiór wszystkich rozwiązań równań Einsteina dla pola jest prostszy niż jakiekolwiek konkretne rozwiązanie — pierwsze składa się tylko z kilku równań, a drugie wymaga określenia ogromnej ilości danych początkowych na jakiejś hiperpowierzchni. W ten sposób złożoność wzrasta, gdy skupiamy się na jednym elemencie zespołu, tracąc symetrię i prostotę tkwiącą w całości wszystkich elementów.

W tym sensie superwszechświaty wyższych poziomów są prostsze. Przejście z naszego Wszechświata do superwszechświata I poziomu eliminuje potrzebę ustalenia warunków początkowych. Dalsze przejście do poziomu II eliminuje potrzebę określania stałych fizycznych, a na poziomie IV w ogóle nie trzeba określać niczego. Nadmierna złożoność to tylko subiektywna percepcja, punkt widzenia żaby. A z perspektywy ptaka ten superwszechświat nie mógłby być prostszy. Skargi na niezrozumiałość mają charakter estetyczny, a nie naukowy i są uzasadnione tylko w światopoglądzie arystotelesowskim. Kiedy zadajemy pytanie o naturę rzeczywistości, czy nie powinniśmy oczekiwać odpowiedzi, która może wydawać się dziwna?

Wspólną cechą wszystkich czterech poziomów superwszechświata jest to, że najprostsza i być może najbardziej elegancka teoria domyślnie obejmuje wszechświaty równoległe. Aby odrzucić ich istnienie, trzeba skomplikować teorię, dodając procesy niepotwierdzone eksperymentem i wymyślone w tym celu postulaty - o skończoności przestrzeni, załamaniu się funkcji falowej i asymetrii ontologicznej. Nasz wybór sprowadza się do tego, co jest uważane za bardziej marnotrawne i nieeleganckie - wiele słów lub wiele wszechświatów. Być może z czasem przyzwyczaimy się do dziwactw naszego kosmosu i zafascynuje nas jego dziwność.

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 wysp” 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.