I līmeņa Multiverse: Bezgalīgi reģioni un tavs kosmiskais dvīnis

Atgriezīsimies pie jūsu tālā dvīņa. Ja telpa ir bezgalīga un matērijas sadalījums ir pietiekami vienmērīgs lielos mērogos, tad pat vismazāk ticamiem notikumiem kaut kur jānotiek. Jo īpaši ir bezgalīgi daudz citu apdzīvotu planētu, ieskaitot ne tikai vienu, bet bezgalīgi daudz ar cilvēkiem ar tādu pašu izskatu, vārdu un atmiņām kā jums. Patiešām, ir bezgalīgi daudz citu reģionu, kas ir mūsu novērojamā Visuma lielumā, kur tiek atskaņota katra iespējamā kosmiskā vēsture. Šis ir I līmeņa multiverss.

Lai gan sekas var šķist trakas un pretrunīgas intuīcijai, šis telpiski bezgalīgais kosmoloģiskais modelis patiesībā ir vienkāršākais un populārākais šodien tirgū. Tā ir daļa no kosmoloģiskā saskaņas modeļa, kas atbilst visiem pašreizējiem novērojumu pierādījumiem un tiek izmantots kā pamats lielākajai daļai aprēķinu un simulāciju, kas tiek prezentētas kosmoloģijas konferencēs. Turpretim alternatīvas, piemēram, fraktāļu Visums, slēgts Visums un daudzkārt savienots Visums, ir nopietni apstrīdētas ar novērojumiem. Tomēr I līmeņa multiversa ideja ir bijusi pretrunīga (patiesībā apgalvojums par šo līniju bija viena no ķecerībām, par kurām Vatikāns 1600. gadā sadedzināja Džordano Bruno†), tāpēc pārskatīsim divu pieņēmumu statusu (bezgalīga telpa un “p Pietiekami vienmērīgs” sadalījums).

Cik liela ir telpa? Novērojumu ziņā apakšējā robeža ir dramatiski pieaugusi bez norādēm par augšējo robežu. Mēs visi pieņemam to lietu esamību, ko mēs nevaram redzēt, bet varētu redzēt, ja mēs pārvietotos vai gaidītu, piemēram, kuģus aiz horizonta. Objektiem aiz kosmiskā horizonta ir līdzīgs statuss, jo novērojamais Visums katru gadu pieaug par gaismas gadu, jo gaismai no tālāk esošām vietām ir laiks mūs sasniegt‡. Tā kā mums visiem skolā māca par vienkāršu Eiklīda telpu, tāpēc var būt grūti iedomāties, kā telpa nevarētu būt bezgalīga—jo kas atrastos aiz zīmes, kurā teikts “TELPA BEIDZAS ŠEIT—UZMANIES NO ATSTARPES”? Tomēr Einšteina gravitācijas teorija ļauj telpai būt galīgai, jo tā ir savienota atšķirīgi nekā Eiklīda telpa, teiksim, ar četru dimensiju sfēras vai virtuļa topoloģiju, lai tālu ceļojot vienā virzienā, jūs varētu atgriezties no pretējā virziena. Kosmiskais mikroviļņu fons ļauj veikt jutīgus šādu galīgu modeļu testus, bet līdz šim nav sniedzis nekādu atbalstu tiem—plakanie bezgalīgie modeļi labi atbilst datiem, un ir noteikti spēcīgi ierobežojumi gan telpiskajam izliekumam, gan daudzkārt savienotām topoloģijām. Turklāt telpiski bezgalīgs Visums ir vispārējs inflācijas kosmoloģiskās teorijas paredzējums (Garriga & Vilenkin 2001b). Tāpēc zemāk uzskaitītie iespaidīgie inflācijas panākumi sniedz papildu atbalstu idejai, ka telpa tomēr ir vienkārša un bezgalīga, tāpat kā mēs to apguvām skolā

Cik vienmērīgs ir matērijas sadalījums lielos mērogos? “islas Visuma” modelī, kur telpa ir bezgalīga, bet visa matērija ir ierobežota ar galīgu reģionu, gandrīz visi I līmeņa multiversa dalībnieki būtu miruši, un tie sastāvētu tikai no tukšas telpas. Šādi modeļi vēsturiski ir bijuši populāri, sākotnēji sala bija Zeme un debesu objekti, kas redzami ar neapbruņotu aci, un 20. gadsimta sākumā sala bija zināmā Piena Ceļa Galaktikas daļa. Vēl viena nevienmērīga alternatīva ir fraktāļu Visums, kur matērijas sadalījums ir pašlīdzīgs un visas koherences struktūras kosmiskajā galaktikas sadalījumā ir tikai neliela daļa no vēl lielākām koherences struktūrām. Gan salas, gan fraktāļu Visuma modeļus ir nojaukuši nesenie novērojumi, kā pārskatīts Tegmark (2002). Trīsdimensiju galaktikas sadalījuma kartes ir parādījušas, ka iespaidīgā novērotā liela mēroga struktūra (galaktiku grupas, kopas, superkopas utt.) atbrīvojas no blāvas vienmērības lielos mērogos, bez koherences struktūrām, kas ir lielākas par aptuveni 1024 m. Kvitatīvāk, iedomājieties, ka novietojat sfēru ar rādiusu R dažādās nejaušās vietās, mērot, cik daudz masas M katru reizi ir iekļauts, un aprēķinot variācijas starp mērījumiem, kas kvantificētas ar to standarta novirzi ∆M. Relatīvās svārstības ∆M/M ir izmērītas, lai tās būtu aptuveni vienības kārtībā mērogā R ∼ 3 × 1023 m, un samazinās lielākos mērogos. Slūna digitālā debesu aptauja ir atklājusi ∆M/M tik mazu kā 1% mērogā R ∼ 1025 m, un kosmiskā mikroviļņu fona mērījumi ir pierādījuši, ka tendence uz vienmērību turpinās līdz pat mūsu novērojamā Visuma malai (R ∼ 1027 m), kur ∆M/M ∼ 10−5. Ja vien nav sazvērestības teoriju, kur Visums ir paredzēts, lai mūs muļķotu, novērojumi tādējādi runā skaļi un skaidri: telpa, kādu mēs to zinām, turpinās tālu aiz mūsu novērojamā Visuma robežas, kurā rosās galaktikas, zvaigznes un planētas.

Pasaules fizikas apraksts tradicionāli tiek sadalīts divās daļās: sākotnējos apstākļos un fizikas likumos, kas nosaka, kā sākotnējie apstākļi attīstās. Novērotāji, kas dzīvo paralēlos Visumos I līmenī, novēro tieši tādus pašus fizikas likumus kā mēs, bet ar atšķirīgiem sākotnējiem apstākļiem nekā mūsu Habla tilpumā. Pašreizējā iecienītākā teorija ir tāda, ka sākotnējos apstākļus (dažādu matērijas veidu blīvumu un kustības agrīnā stadijā) radīja kvantu svārstības inflācijas laikmetā (skatīt 3. sadaļu). Šis kvantu mehānisms rada sākotnējos apstākļus, kas visiem praktiskiem nolūkiem ir nejauši, radot blīvuma svārstības, ko matemātiķi sauc par ergodisku nejaušu lauku.§ Ergodisks nozīmē, ka, ja jūs iedomājaties Visumu ansambļa ģenerēšanu, katram ar saviem nejaušajiem sākotnējiem apstākļiem, tad iznākumu varbūtības sadalījums dotajā tilpumā ir identisks sadalījumam, ko iegūstat, paraugot dažādus tilpumus vienā Visumā. Citiem vārdiem sakot, tas nozīmē, ka viss, kas principā varēja notikt šeit, patiesībā notika kaut kur citur.

Inflācija faktiski rada visus iespējamos sākotnējos apstākļus ar nenulles varbūtību, visvairāk ticamie ir gandrīz vienmērīgi ar svārstībām 10−5 līmenī, ko pastiprina gravitācijas klasterizācija, veidojot galaktikas, zvaigznes, planētas un citas struktūras. Tas nozīmē gan to, ka gandrīz visas iedomājamās matērijas konfigurācijas notiek kādā Habla tilpumā tālu prom, gan arī to, ka mums vajadzētu sagaidīt, ka mūsu Habla tilpums ir diezgan tipisks—vismaz tipisks to vidū, kas satur novērotājus. Aptuvens aprēķins liecina, ka tuvākā identiskā jūsu kopija 29 91 ir aptuveni ∼ 1010 m attālumā. Aptuveni ∼ 1010 m attālumā jābūt sfērai ar rādiusu 100 gaismas gadu, kas ir identiska tai, kas centrēta šeit, tāpēc visi uztveres, kas mums ir nākamajā gadsimtā, būs identiski tiem 115 kolēģiem tur. Aptuveni ∼ 1010 m attālumā jābūt veselam Habla tilpumam, kas ir identisks mūsu.∗∗ Tas rada interesantu filozofisku jautājumu, kas atgriezīsies un vajās mūs V B sadaļā: ja patiešām ir daudz “ju” kopiju ar identiskām pagātnes dzīvēm un atmiņām, jūs nevarētu aprēķināt savu nākotni pat tad, ja jums būtu pilnīgas zināšanas par visu kosmosa stāvokli! Iemesls ir tāds, ka jūs nevarat noteikt, kura no šīm kopijām ir “jūs” (viņi visi jūtas, ka ir). Tomēr viņu dzīves parasti sāks atšķirties galu galā, tāpēc labākais, ko varat darīt, ir prognozēt varbūtības par to, ko jūs piedzīvosiet no šī brīža. Tas iznīcina tradicionālo determinisma jēdzienu.

Vai multiversa teorija ir metafizika, nevis fizika? Kā uzsvēra Karls Popers, atšķirība starp abām ir tā, vai teorija ir empīriski pārbaudāma un falsificējama. Nenovērojamu būtņu iekļaušana acīmredzami pati par sevi nepadara teoriju ne pārbaudāmu. Piemēram, teorija, kas apgalvo, ka ir 666 paralēlie Visumi, kuros visos nav skābekļa, sniedz pārbaudāmu paredzējumu, ka mums šeit nevajadzētu novērot skābekli, un tāpēc to atspēko novērojumi.

Kā nopietnāku piemēru, I līmeņa multiversa ietvars tiek regulāri izmantots, lai izslēgtu teorijas mūsdienu kosmoloģijā, lai gan tas reti tiek izskaidrots skaidri. Piemēram, kosmiskā mikroviļņu fona (CMB) novērojumi nesen ir parādījuši, ka telpai gandrīz nav izliekuma. Karstajiem un aukstajiem punktiem CMB kartēs ir raksturīgs izmērs, kas ir atkarīgs no telpas izliekuma, un novērotie punkti šķiet pārāk lieli, lai tie atbilstu iepriekš populārajam “atvērtā Visuma” modelim. Tomēr vidējais punktu izmērs nejauši nedaudz mainās no viena Habla tilpuma uz otru, tāpēc ir svarīgi būt statistiski stingriem. Kad kosmologi saka, ka atvērtais Visuma modelis ir izslēgts ar 99,9% pārliecību, viņi patiesībā domā, ka, ja atvērtais Visuma modelis būtu patiess, tad mazāk nekā viens no katriem tūkstošiem Habla tilpumu parādītu tik lielus CMB punktus, kādus mēs novērojam—tāpēc viss modelis ar visiem tā bezgalīgi daudzajiem Habla tilpumiem ir izslēgts, pat ja mēs, protams, esam kartējuši CMB tikai savā Habla tilpumā.

Šī piemēra mācība ir tāda, ka multiversa teorijas var pārbaudīt un falsificēt, bet tikai tad, ja tās paredz, kas ir paralēlo Visumu ansamblis, un nosaka varbūtības sadalījumu (vai vispārīgāk to, ko matemātiķi sauc par mēru) pār to. Kā mēs redzēsim V B sadaļā, šī mēra problēma var būt diezgan nopietna, un tā joprojām nav atrisināta dažām multiversa teorijām.