Рівень I Мультисвіту: Нескінченні Регіони та Ваш Космічний Двійник

Повернімося до вашого далекого двійника. Якщо простір є нескінченним, а розподіл матерії достатньо однорідний у великих масштабах, то навіть найбільш неймовірні події повинні десь відбуватися. Зокрема, існує нескінченно багато інших населених планет, включаючи не лише одну, а нескінченно багато людей з такою ж зовнішністю, ім’ям і спогадами, як у вас. Дійсно, існує нескінченно багато інших регіонів розміром з наш спостережуваний всесвіт, де розігрується кожна можлива космічна історія. Це мультивсесвіт Рівня I.

Хоча наслідки можуть здатися божевільними та контрінтуїтивними, ця просторово нескінченна космологічна модель насправді є найпростішою та найпопулярнішою на сьогоднішній день. Вона є частиною космологічної узгодженої моделі, яка узгоджується з усіма поточними спостережними даними та використовується як основа для більшості розрахунків і симуляцій, представлених на космологічних конференціях. На відміну від цього, альтернативи, такі як фрактальний всесвіт, закритий всесвіт і багаторазово зв’язаний всесвіт, були серйозно поставлені під сумнів спостереженнями. Проте ідея мультивсесвіту Рівня I була суперечливою (дійсно, твердження в цьому дусі було однією з єресей, за які Ватикан спалив Джордано Бруно на вогнищі в 1600 році†), тому давайте розглянемо статус двох припущень (нескінченний простір і «достатньо однорідний» розподіл).

Наскільки великий простір? Спостережно, нижня межа значно зросла без жодних ознак верхньої межі. Ми всі приймаємо існування речей, які ми не можемо бачити, але могли б побачити, якби ми перемістилися або почекали, як кораблі за горизонтом. Об’єкти за космічним горизонтом мають подібний статус, оскільки спостережуваний всесвіт зростає на світловий рік щороку, оскільки світло з більшої відстані встигає досягти нас‡. Оскільки нас усіх навчають про простий евклідів простір у школі, тому може бути важко уявити, як простір не може бути нескінченним — бо що було б за знаком, який говорить «ПРОСТІР ЗАКІНЧУЄТЬСЯ ТУТ — БЕРЕЖІТЬСЯ ПРОВАЛЛЯ»? Проте теорія гравітації Ейнштейна дозволяє простору бути скінченним, будучи по-іншому зв’язаним, ніж евклідів простір, скажімо, з топологією чотиривимірної сфери або пончика, так що подорож далеко в одному напрямку може повернути вас з протилежного напрямку. Космічне мікрохвильове випромінювання дозволяє проводити чутливі тести таких скінченних моделей, але поки що не дало жодної підтримки їм — плоскі нескінченні моделі добре узгоджуються з даними, і встановлено сильні обмеження як на просторову кривизну, так і на багаторазово зв’язані топології. Крім того, просторово нескінченний всесвіт є загальним передбаченням космологічної теорії інфляції (Garriga & Vilenkin 2001b). Вражаючі успіхи інфляції, перелічені нижче, тому надають додаткову підтримку ідеї про те, що простір все-таки простий і нескінченний, як нас навчали в школі

Наскільки однорідний розподіл матерії у великих масштабах? У моделі «острівного всесвіту», де простір нескінченний, але вся матерія обмежена скінченною областю, майже всі члени мультивсесвіту Рівня I були б мертвими, складаючись лише з порожнього простору. Такі моделі були популярними історично, спочатку з островом, яким була Земля, і небесними об’єктами, видимими неозброєним оком, а на початку 20-го століття з островом, яким була відома частина Чумацького Шляху. Іншою неоднорідною альтернативою є фрактальний всесвіт, де розподіл матерії є самоподібним, і всі когерентні структури в космічному розподілі галактик є лише невеликою частиною ще більших когерентних структур. Моделі острівного та фрактального всесвітів були зруйновані останніми спостереженнями, як зазначено в Tegmark (2002). Карти тривимірного розподілу галактик показали, що вражаюча великомасштабна структура, що спостерігається (групи галактик, скупчення, надскупчення тощо), поступається місцем тьмяній однорідності у великих масштабах, без когерентних структур, більших за близько 1024 м. Більш кількісно, уявіть собі розміщення сфери радіусом R у різних випадкових місцях, вимірюючи, скільки маси M укладено кожного разу, і обчислюючи варіації між вимірюваннями, кількісно визначені їх стандартним відхиленням ∆M. Відносні коливання ∆M/M, як було виміряно, мають порядок одиниці в масштабі R ∼ 3 × 1023 м і зменшуються в більших масштабах. Sloan Digital Sky Survey виявив ∆M/M як мінімум 1% у масштабі R ∼ 1025 м, а вимірювання космічного мікрохвильового випромінювання встановили, що тенденція до однорідності продовжується аж до краю нашого спостережуваного всесвіту (R ∼ 1027 м), де ∆M/M ∼ 10−5. За винятком теорій змови, де всесвіт розроблений, щоб обдурити нас, спостереження, таким чином, говорять голосно та чітко: простір, як ми його знаємо, продовжується далеко за край нашого спостережуваного всесвіту, кишачи галактиками, зірками та планетами.

Фізичний опис світу традиційно поділяється на дві частини: початкові умови та закони фізики, що визначають, як розвиваються початкові умови. Спостерігачі, що живуть у паралельних всесвітах на Рівні I, спостерігають ті ж самі закони фізики, що й ми, але з іншими початковими умовами, ніж у нашому об’ємі Габбла. Наразі найпопулярнішою теорією є те, що початкові умови (густини та рухи різних типів матерії на початку) були створені квантовими флуктуаціями під час епохи інфляції (див. розділ 3). Цей квантовий механізм генерує початкові умови, які для всіх практичних цілей є випадковими, створюючи коливання густини, описані тим, що математики називають ергодичним випадковим полем.§ Ергодичний означає, що якщо ви уявите собі створення ансамблю всесвітів, кожен зі своїми випадковими початковими умовами, то розподіл ймовірностей результатів у даному об’ємі ідентичний розподілу, який ви отримуєте, вибірково перевіряючи різні об’єми в одному всесвіті. Іншими словами, це означає, що все, що в принципі могло статися тут, насправді сталося десь в іншому місці.

Інфляція насправді генерує всі можливі початкові умови з ненульовою ймовірністю, найбільш імовірні з яких є майже однорідними з коливаннями на рівні 10−5, які посилюються гравітаційною кластеризацією, утворюючи галактики, зірки, планети та інші структури. Це означає, що майже всі уявні конфігурації матерії зустрічаються в деякому об’ємі Габбла далеко, а також те, що ми повинні очікувати, що наш власний об’єм Габбла буде досить типовим — принаймні типовим серед тих, що містять спостерігачів. Груба оцінка показує, що найближча ідентична копія 29 91 вас знаходиться на відстані близько ∼ 1010 м. На відстані близько ∼ 1010 м має бути сфера радіусом 100 світлових років, ідентична тій, що знаходиться тут, тому всі відчуття, які ми маємо протягом наступного століття, будуть ідентичними відчуттям наших 115 колег там. На відстані близько ∼ 1010 м має бути цілий об’єм Габбла, ідентичний нашому.∗∗ Це піднімає цікавий філософський момент, який повернеться і буде переслідувати нас у Розділі V B: якщо дійсно є багато копій «вас» з ідентичним минулим життям і спогадами, ви не зможете обчислити своє власне майбутнє, навіть якщо у вас є повне знання про весь стан космосу! Причина в тому, що ви не можете визначити, яка з цих копій є «ви» (всі вони відчувають, що це вони). Проте їхнє життя зазвичай починає відрізнятися з часом, тому найкраще, що ви можете зробити, це передбачити ймовірності того, що ви відчуєте відтепер. Це вбиває традиційне поняття детермінізму.

Чи є теорія мультивсесвіту метафізикою, а не фізикою? Як підкреслив Карл Поппер, відмінність між ними полягає в тому, чи є теорія емпірично перевірюваною та спростовуваною. Наявність неспостережуваних сутностей, очевидно, не робить теорію неперевірюваною. Наприклад, теорія, яка стверджує, що існує 666 паралельних всесвітів, у яких немає кисню, робить перевірюване передбачення, що ми не повинні спостерігати тут кисень, і тому спростовується спостереженнями.

Як більш серйозний приклад, фреймворк мультивсесвіту Рівня I зазвичай використовується для спростування теорій у сучасній космології, хоча це рідко викладається явно. Наприклад, спостереження космічного мікрохвильового випромінювання (CMB) нещодавно показали, що простір майже не має кривизни. Гарячі та холодні плями на картах CMB мають характерний розмір, який залежить від кривизни простору, і спостережувані плями виглядають занадто великими, щоб узгоджуватися з раніше популярною моделлю «відкритого всесвіту». Однак середній розмір плями випадково трохи змінюється від одного об’єму Габбла до іншого, тому важливо бути статистично суворим. Коли космологи кажуть, що модель відкритого всесвіту спростована з достовірністю 99,9%, вони насправді мають на увазі, що якщо модель відкритого всесвіту була правдивою, то менше ніж один з кожної тисячі об’ємів Габбла показав би плями CMB такого ж великого розміру, як ті, що ми спостерігаємо — тому вся модель з усіма її нескінченно багатьма об’ємами Габбла спростована, навіть якщо ми, звичайно, лише нанесли на карту CMB у нашому власному конкретному об’ємі Габбла.

Урок, який слід винести з цього прикладу, полягає в тому, що теорії мультивсесвіту можна перевірити та спростувати, але лише якщо вони передбачають, яким є ансамбль паралельних всесвітів, і вказують розподіл ймовірностей (або, в більш загальному сенсі, те, що математики називають мірою) над ним. Як ми побачимо в Розділі V B, ця проблема міри може бути досить серйозною і все ще не вирішена для деяких теорій мультивсесвіту.