I lygio multivisata: begaliniai regionai ir jūsų kosminis dvynys

Grįžkime prie jūsų tolimo dvynio. Jei erdvė yra begalinė, o materijos pasiskirstymas pakankamai vienodas dideliais masteliais, tuomet net ir mažiausiai tikėtini įvykiai turi kažkur įvykti. Visų pirma, yra be galo daug kitų apgyvendintų planetų, įskaitant ne tik vieną, bet ir be galo daug žmonių, turinčių tą pačią išvaizdą, vardą ir prisiminimus kaip jūs. Iš tiesų, yra be galo daug kitų regionų, kurių dydis prilygsta mūsų stebimai visatai, kurioje vyksta kiekviena įmanoma kosminė istorija. Tai yra I lygmens multivisata.

Nors pasekmės gali atrodyti beprotiškos ir prieštaraujančios intuicijai, šis erdvės atžvilgiu begalinis kosmologinis modelis iš tikrųjų yra pats paprasčiausias ir populiariausias šiandieninėje rinkoje. Jis yra kosmologinio suderinamumo modelio dalis, kuris atitinka visus dabartinius stebėjimo įrodymus ir yra naudojamas kaip pagrindas daugeliui skaičiavimų ir modeliavimų, pateikiamų kosmologijos konferencijose. Priešingai, alternatyvoms, tokioms kaip fraktalinė visata, uždara visata ir daugkartinio junglumo visata, rimtai prieštaravo stebėjimai. Vis dėlto I lygmens multivisatos idėja buvo prieštaringa (iš tiesų, teiginys šia tema buvo viena iš erezijų, dėl kurių Vatikanas sudegino Giordano Bruno 1600 m.†), todėl apžvelkime dviejų prielaidų būklę (begalinė erdvė ir „pakankamai vienodas“ pasiskirstymas).

Koks didelis yra erdvė? Stebėjimų požiūriu, apatinė riba smarkiai išaugo, be jokių požymių apie viršutinę ribą. Mes visi pripažįstame daiktų, kurių negalime matyti, bet galėtume pamatyti, jei pajudėtume ar palauktume, egzistavimą, pavyzdžiui, laivus už horizonto. Objektai už kosminio horizonto turi panašų statusą, nes stebima visata kasmet padidėja vienais šviesmečiais, kai šviesa iš toliau turi laiko mus pasiekti‡. Kadangi mokykloje visi mokomi apie paprastą Euklido erdvę, todėl gali būti sunku įsivaizduoti, kaip erdvė negalėtų būti begalinė – kas gi būtų už ženklo, sakančio „ERDVĖS PABAIGA ČIA – SAUGOKITĖS TARPO“? Tačiau Einšteino gravitacijos teorija leidžia erdvei būti baigtinei, nes ji yra kitaip susieta nei Euklido erdvė, tarkime, su keturmate sferos arba spurgos topologija, kad keliaujant toli viena kryptimi galima būtų grįžti iš priešingos krypties. Kosminis mikrobangų fonas leidžia jautriai patikrinti tokius baigtinius modelius, tačiau iki šiol nerasta jokios paramos jiems – plokšti begaliniai modeliai puikiai tinka duomenims, o tiek erdvinis išlenkimas, tiek daugkartinio junglumo topologijos buvo griežtai apribotos. Be to, erdviškai begalinė visata yra bendra infliacijos kosmologijos teorijos prognozė (Garriga & Vilenkin 2001b). Žemiau išvardyti įspūdingi infliacijos laimėjimai todėl suteikia papildomos paramos idėjai, kad erdvė vis dėlto yra paprasta ir begalinė, kaip mes išmokome mokykloje.

Kiek vienodas yra materijos pasiskirstymas dideliais masteliais? „Salos visatos“ modelyje, kuriame erdvė yra begalinė, bet visa materija yra apribota baigtiniu regionu, beveik visi I lygmens multivisatos nariai būtų mirę, susidedantys tik iš tuščios erdvės. Tokie modeliai istoriškai buvo populiarūs, iš pradžių sala buvo Žemė ir dangaus objektai, matomi plika akimi, o XX amžiaus pradžioje sala buvo žinoma Paukščių Tako galaktikos dalis. Kita nevienoda alternatyva yra fraktalinė visata, kurioje materijos pasiskirstymas yra panašus į save, o visos nuoseklios struktūros kosminiame galaktikų pasiskirstyme yra tik maža dar didesnių nuoseklių struktūrų dalis. Salos ir fraktalų visatos modelius sugriovė naujausi stebėjimai, apžvelgti Tegmark (2002). Trimačiai galaktikų pasiskirstymo žemėlapiai parodė, kad įspūdinga stebima didelio masto struktūra (galaktikų grupės, spiečiai, superspiečiai ir kt.) užleidžia vietą nuobodžiam vienodumui dideliais masteliais, be jokių nuoseklių struktūrų, didesnių nei apie 1024 m. Kiek kiekybiškiau, įsivaizduokite, kad įvairiose atsitiktinėse vietose dedate R spindulio sferą, kiekvieną kartą matuojate, kiek masės M yra apgaubta, ir apskaičiuojate matavimų skirtumą, kiekybiškai įvertintą jų standartiniu nuokrypiu ∆M. Santykiniai svyravimai ∆M/M buvo išmatuoti kaip eilės vienetai masteliu R ∼ 3 × 1023 m ir mažėjantys didesniais masteliais. Sloan Digital Sky Survey nustatė ∆M/M kaip mažą kaip 1 % masteliu R ∼ 1025 m, o kosminio mikrobangų fono matavimai nustatė, kad vienodumo tendencija tęsiasi iki pat mūsų stebimos visatos krašto (R ∼ 1027 m), kur ∆M/M ∼ 10−5. Nepaisant sąmokslo teorijų, pagal kurias visata sukurta mus apgauti, stebėjimai kalba garsiai ir aiškiai: erdvė, kokią mes ją žinome, tęsiasi toli už mūsų stebimos visatos krašto, knibždėdama galaktikų, žvaigždžių ir planetų.

Pasaulio fizikos aprašymas tradiciškai skirstomas į dvi dalis: pradinės sąlygos ir fizikos dėsniai, nurodantys, kaip vystosi pradinės sąlygos. Stebėtojai, gyvenantys paralelinėse visatose I lygmeniu, stebi tuos pačius fizikos dėsnius kaip ir mes, bet su skirtingomis pradinėmis sąlygomis nei mūsų Hablo tūryje. Šiuo metu palankiausia teorija yra ta, kad pradines sąlygas (įvairių rūšių materijos tankius ir judesius anksti) sukūrė kvantiniai svyravimai infliacijos epochoje (žr. 3 skyrių). Šis kvantinis mechanizmas sukuria pradines sąlygas, kurios praktiškai yra atsitiktinės, sukuriant tankio svyravimus, aprašytus tuo, ką matematikai vadina ergodiniu atsitiktiniu lauku.§ Ergodiškas reiškia, kad jei įsivaizduojate, kad kuriate visatų ansamblį, kurių kiekviena turi savo atsitiktines pradines sąlygas, tada rezultatų tikimybės pasiskirstymas tam tikrame tūryje yra identiškas pasiskirstymui, kurį gaunate imdami skirtingus tūrius vienoje visatoje. Kitaip tariant, tai reiškia, kad viskas, kas iš principo galėjo čia įvykti, iš tikrųjų įvyko kažkur kitur.

Infliacija iš tikrųjų sukuria visas įmanomas pradines sąlygas su nelygia nuliui tikimybe, o labiausiai tikėtinos yra beveik vienodos su svyravimais 10−5 lygiu, kurie sustiprinami gravitaciniu grupavimu, kad susidarytų galaktikos, žvaigždės, planetos ir kitos struktūros. Tai reiškia, kad gana daug visų įsivaizduojamų materijos konfigūracijų atsiranda kažkuriame Hablo tūryje toli, ir taip pat, kad turėtume tikėtis, jog mūsų Hablo tūris yra gana tipinis – bent jau tipinis tarp tų, kuriuose yra stebėtojų. Apytikslis įvertinimas rodo, kad artimiausia identiška jūsų kopija 29 91 yra maždaug ∼ 1010 m atstumu. Maždaug ∼ 1010 m atstumu turėtų būti 100 šviesmečių spindulio sfera, identiška čia esančiai, todėl visi suvokimai, kuriuos turėsime per ateinantį šimtmetį, bus identiški mūsų 115 kolegų ten. Maždaug ∼ 1010 m atstumu turėtų būti visas Hablo tūris, identiškas mūsų.∗∗ Tai kelia įdomų filosofinį klausimą, kuris sugrįš ir persekios mus V B skyriuje: jei iš tikrųjų yra daug jūsų kopijų su identiškais praeities gyvenimais ir prisiminimais, jūs negalėtumėte apskaičiuoti savo ateities, net jei turėtumėte išsamių žinių apie visą kosmoso būseną! Priežastis ta, kad jūs negalite nustatyti, kuri iš šių kopijų esate „jūs“ (jie visi jaučia, kad jie yra). Vis dėlto jų gyvenimas paprastai galiausiai pradės skirtis, todėl geriausia, ką galite padaryti, tai numatyti tikimybes, ką patirsite nuo šiol. Tai sunaikina tradicinę determinizmo sąvoką.

Ar multivisatos teorija yra metafizika, o ne fizika? Kaip pabrėžė Karlas Popperis, skirtumas tarp jų dviejų yra tas, ar teorija yra empiriškai patikrinama ir paneigiama. Turinys nepastebimų objektų savaime nereiškia, kad teorija yra nepatikrinama. Pavyzdžiui, teorija, teigianti, kad yra 666 paralelinės visatos, kuriose nėra deguonies, pateikia patikrinamą prognozę, kad čia neturėtume stebėti deguonies, todėl ją paneigia stebėjimas.

Kaip rimtesnis pavyzdys, I lygmens multivisatos sistema nuolat naudojama šiuolaikinėje kosmologijoje teorijoms atmesti, nors tai retai būna išreikšta aiškiai. Pavyzdžiui, kosminio mikrobangų fono (CMB) stebėjimai neseniai parodė, kad erdvė beveik neturi išlenkimo. Karštos ir šaltos dėmės CMB žemėlapiuose turi būdingą dydį, kuris priklauso nuo erdvės išlenkimo, o stebimos dėmės atrodo per didelės, kad atitiktų anksčiau populiarų „atviros visatos“ modelį. Tačiau vidutinis dėmės dydis atsitiktinai šiek tiek skiriasi nuo vieno Hablo tūrio iki kito, todėl svarbu būti statistiškai griežtiems. Kai kosmologai sako, kad atviros visatos modelis atmestas 99,9 % patikimumu, jie iš tikrųjų turi omenyje, kad jei atviros visatos modelis būtų teisingas, tuomet mažiau nei vienas iš tūkstančio Hablo tūrių parodytų CMB dėmes, kurios būtų tokios didelės, kaip tos, kurias stebime – todėl visas modelis su visais jo be galo daug Hablo tūrių yra atmestas, net jei mes, žinoma, nubraižėme CMB tik mūsų pačių Hablo tūryje.

Iš šio pavyzdžio reikia išmokti, kad multivisatos teorijas galima patikrinti ir paneigti, bet tik tuo atveju, jei jos numato, kas yra paralelių visatų ansamblis, ir nurodo tikimybės pasiskirstymą (arba, bendriau tariant, tai, ką matematikai vadina matu) virš jo. Kaip pamatysime V B skyriuje, ši mato problema gali būti gana rimta ir vis dar neišspręsta kai kurioms multivisatos teorijoms.