Multiwszechświat Poziom I: Nieskończone Regiony i Twój Kosmiczny Bliźniak

Powróćmy do twojego odległego bliźniaka. Jeśli przestrzeń jest nieskończona, a rozkład materii jest wystarczająco jednolity w dużych skalach, to nawet najbardziej nieprawdopodobne zdarzenia muszą gdzieś mieć miejsce. W szczególności, istnieje nieskończenie wiele innych zamieszkałych planet, w tym nie tylko jedna, ale nieskończenie wiele z ludźmi o takim samym wyglądzie, imieniu i wspomnieniach jak ty. Rzeczywiście, istnieje nieskończenie wiele innych regionów wielkości naszego obserwowalnego wszechświata, gdzie każda możliwa kosmiczna historia jest odgrywana. To jest multiwersum Poziomu I.

Chociaż implikacje mogą wydawać się szalone i sprzeczne z intuicją, ten przestrzennie nieskończony model kosmologiczny jest w rzeczywistości najprostszym i najpopularniejszym obecnie. Jest częścią kosmologicznego modelu zgodności, który zgadza się z wszystkimi obecnymi dowodami obserwacyjnymi i jest używany jako podstawa do większości obliczeń i symulacji prezentowanych na konferencjach kosmologicznych. W przeciwieństwie do tego, alternatywy, takie jak wszechświat fraktalny, wszechświat zamknięty i wszechświat wielokrotnie połączony, zostały poważnie zakwestionowane przez obserwacje. Jednak idea multiwersum Poziomu I była kontrowersyjna (rzeczywiście, twierdzenie w tym duchu było jedną z herezji, za które Watykan spalił Giordana Bruno na stosie w 1600 roku), więc przejrzyjmy status dwóch założeń (nieskończona przestrzeń i “wystarczająco jednolity” rozkład).

Jak duża jest przestrzeń? Obserwacyjnie, dolna granica dramatycznie wzrosła bez wskazania górnej granicy. Wszyscy akceptujemy istnienie rzeczy, których nie możemy zobaczyć, ale moglibyśmy zobaczyć, gdybyśmy się poruszyli lub poczekali, jak statki za horyzontem. Obiekty poza kosmicznym horyzontem mają podobny status, ponieważ obserwowalny wszechświat rośnie o rok świetlny każdego roku, gdy światło z dalszych odległości ma czas do nas dotrzeć. Ponieważ wszyscy uczymy się o prostej przestrzeni euklidesowej w szkole, może być zatem trudno wyobrazić sobie, jak przestrzeń nie mogłaby być nieskończona — co leżałoby poza znakiem z napisem “PRZESTRZEŃ SIĘ TU KOŃCZY — UWAGA NA PRZERWĘ”? Jednak teoria grawitacji Einsteina pozwala na skończoność przestrzeni poprzez odmienne połączenie niż przestrzeń euklidesowa, powiedzmy z topologią czterowymiarowej sfery lub pączka, tak że podróżowanie daleko w jednym kierunku mogłoby sprowadzić cię z powrotem z przeciwnego kierunku. Kosmiczne mikrofalowe tło umożliwia czułe testy takich skończonych modeli, ale jak dotąd nie przyniosło dla nich żadnego wsparcia — płaskie nieskończone modele dobrze pasują do danych i nałożono silne ograniczenia zarówno na krzywiznę przestrzenną, jak i na wielokrotnie połączone topologie. Ponadto, przestrzennie nieskończony wszechświat jest ogólnym przewidywaniem kosmologicznej teorii inflacji (Garriga & Vilenkin 2001b). Uderzające sukcesy inflacji wymienione poniżej stanowią zatem dalsze poparcie dla idei, że przestrzeń jest ostatecznie prosta i nieskończona, tak jak uczyliśmy się w szkole.

Jak jednolity jest rozkład materii w dużych skalach? W modelu “wszechświata wyspowego”, gdzie przestrzeń jest nieskończona, ale cała materia jest ograniczona do skończonego regionu, prawie wszyscy członkowie multiwersum Poziomu I byliby martwi, składając się tylko z pustej przestrzeni. Takie modele były popularne historycznie, pierwotnie z wyspą będącą Ziemią i obiektami niebieskimi widocznymi gołym okiem, a na początku XX wieku z wyspą będącą znaną częścią Drogi Mlecznej. Inną niejednorodną alternatywą jest wszechświat fraktalny, gdzie rozkład materii jest samoskalowalny, a wszystkie spójne struktury w rozkładzie galaktyk kosmicznych są jedynie małą częścią jeszcze większych spójnych struktur. Modele wszechświata wyspowego i fraktalnego zostały obalone przez niedawne obserwacje, jak opisano w Tegmark (2002). Mapy trójwymiarowego rozkładu galaktyk pokazały, że spektakularna struktura wielkoskalowa obserwowana (grupy galaktyk, gromady, supergromady itp.) ustępuje miejsca nudnej jednolitości w dużych skalach, bez spójnych struktur większych niż około 1024 m. Bardziej ilościowo, wyobraź sobie umieszczenie sfery o promieniu R w różnych losowych miejscach, zmierzenie, ile masy M jest za każdym razem zamknięte, i obliczenie zmienności między pomiarami, jak określono ilościowo przez ich odchylenie standardowe ∆M . Względne fluktuacje ∆M/M zmierzono jako rzędu jedności w skali R ∼ 3 × 1023m i spadają w większych skalach. Sloan Digital Sky Survey znalazł ∆M/M tak małe jak 1% w skali R ∼ 1025 m, a pomiary kosmicznego mikrofalowego tła ustaliły, że trend w kierunku jednolitości trwa aż do krawędzi naszego obserwowalnego wszechświata (R ∼ 1027 m), gdzie ∆M/M ∼ 10−5 . Pomijając teorie spiskowe, gdzie wszechświat jest zaprojektowany, aby nas oszukać, obserwacje przemawiają głośno i wyraźnie: przestrzeń, jaką znamy, rozciąga się daleko poza krawędź naszego obserwowalnego wszechświata, rojąc się od galaktyk, gwiazd i planet.

Opis fizyki świata jest tradycyjnie podzielony na dwie części: warunki początkowe i prawa fizyki określające, jak ewoluują warunki początkowe. Obserwatorzy żyjący w równoległych wszechświatach na Poziomie I obserwują dokładnie te same prawa fizyki, co my, ale z różnymi warunkami początkowymi niż te w naszej objętości Hubble'a. Obecnie preferowana teoria głosi, że warunki początkowe (gęstości i ruchy różnych rodzajów materii wcześnie) zostały stworzone przez fluktuacje kwantowe podczas epoki inflacji (patrz sekcja 3). Ten mechanizm kwantowy generuje warunki początkowe, które są dla wszystkich praktycznych celów losowe, wytwarzając fluktuacje gęstości opisane przez to, co matematycy nazywają ergodycznym polem losowym.§ Ergodyczne oznacza, że jeśli wyobrazisz sobie generowanie zespołu wszechświatów, każdy z własnymi losowymi warunkami początkowymi, to rozkład prawdopodobieństwa wyników w danej objętości jest identyczny z rozkładem, który otrzymujesz, próbując różne objętości w jednym wszechświecie. Innymi słowy, oznacza to, że wszystko, co w zasadzie mogło się tutaj wydarzyć, w rzeczywistości wydarzyło się gdzie indziej.

Inflacja w rzeczywistości generuje wszystkie możliwe warunki początkowe z niezerowym prawdopodobieństwem, przy czym najbardziej prawdopodobne są prawie jednolite z fluktuacjami na poziomie 10−5, które są wzmacniane przez grupowanie grawitacyjne, tworząc galaktyki, gwiazdy, planety i inne struktury. Oznacza to zarówno, że prawie wszystkie wyobrażalne konfiguracje materii występują w jakiejś objętości Hubble'a daleko, jak i że powinniśmy oczekiwać, że nasza własna objętość Hubble'a będzie dość typowa — przynajmniej typowa wśród tych, które zawierają obserwatorów. Szacunkowe oszacowanie sugeruje, że najbliższa identyczna kopia 29 91 ciebie znajduje się w odległości około ∼ 1010 m. W odległości około ∼ 1010 m powinna znajdować się sfera o promieniu 100 lat świetlnych identyczna z tą wycentrowaną tutaj, więc wszystkie percepcje, które mamy w ciągu następnego stulecia, będą identyczne z percepcjami naszych 115 odpowiedników tam. W odległości około ∼ 1010 m powinna znajdować się cała objętość Hubble'a identyczna z naszą.∗∗ Podnosi to interesujący punkt filozoficzny, który powróci i będzie nas prześladował w Sekcji V B: jeśli rzeczywiście istnieje wiele kopii “ty” z identycznym życiem i wspomnieniami, nie byłbyś w stanie obliczyć własnej przyszłości, nawet gdybyś miał pełną wiedzę o całym stanie kosmosu! Powodem jest to, że nie ma sposobu, abyś określił, która z tych kopii jest “ty” (wszystkie czują, że nimi są). Jednak ich życie zazwyczaj zacznie się ostatecznie różnić, więc najlepsze, co możesz zrobić, to przewidzieć prawdopodobieństwa tego, czego doświadczysz od teraz. To zabija tradycyjne pojęcie determinizmu.

Czy teoria multiwersum jest metafizyką, a nie fizyką? Jak podkreślił Karl Popper, różnica między tymi dwoma polega na tym, czy teoria jest empirycznie testowalna i falsyfikowalna. Zawieranie nieobserwowalnych bytów wyraźnie samo w sobie nie czyni teorii nietestowalną. Na przykład, teoria stwierdzająca, że istnieje 666 równoległych wszechświatów, z których wszystkie są pozbawione tlenu, daje testowalne przewidywanie, że nie powinniśmy obserwować tutaj tlenu, a zatem jest wykluczona przez obserwację.

Jako poważniejszy przykład, ramy multiwersum Poziomu I są rutynowo używane do wykluczania teorii we współczesnej kosmologii, chociaż rzadko jest to wyrażane wprost. Na przykład, obserwacje kosmicznego mikrofalowego tła (CMB) wykazały ostatnio, że przestrzeń prawie nie ma krzywizny. Gorące i zimne plamy na mapach CMB mają charakterystyczny rozmiar, który zależy od krzywizny przestrzeni, a obserwowane plamy wydają się zbyt duże, aby były zgodne z popularnym wcześniej modelem “otwartego wszechświata”. Jednak średni rozmiar plamy losowo zmienia się nieznacznie z jednej objętości Hubble'a do drugiej, więc ważne jest, aby być statystycznie rygorystycznym. Kiedy kosmologowie mówią, że model otwartego wszechświata jest wykluczony z 99,9% pewnością, tak naprawdę mają na myśli, że gdyby model otwartego wszechświata był prawdziwy, to mniej niż jedna na tysiąc objętości Hubble'a pokazywałaby plamy CMB tak duże, jak te, które obserwujemy — dlatego cały model ze wszystkimi jego nieskończenie wieloma objętościami Hubble'a jest wykluczony, mimo że oczywiście odwzorowaliśmy CMB tylko w naszej własnej objętości Hubble'a.

Lekcją, którą należy wyciągnąć z tego przykładu, jest to, że teorie multiwersum można testować i sfalsyfikować, ale tylko wtedy, gdy przewidują, czym jest zespół równoległych wszechświatów i określają rozkład prawdopodobieństwa (lub bardziej ogólnie to, co matematycy nazywają miarą) nad nim. Jak zobaczymy w Sekcji V B, ten problem miary może być dość poważny i nadal jest nierozwiązany dla niektórych teorii multiwersum.