II lygio Multivisata: chaotiška infliacija ir poinfliaciniai burbulai

Jei manėte, kad I lygio multivisata yra didelė ir sunkiai suvokiama, pabandykite įsivaizduoti begalinį skirtingų multivisatų rinkinį, kai kurios galbūt su skirtingu matavimu ir skirtingomis fizinėmis konstantomis. Tai numato šiuo metu populiari chaotiška infliacijos teorija, kurią mes vadinsime II lygio multivisata. Šios kitos sritys yra daugiau nei be galo toli ta prasme, kad jūs niekada ten nepatektumėte, net jei keliautumėte šviesos greičiu amžinai. Priežastis yra ta, kad tarpas tarp mūsų I lygio multivisatos ir jos kaimynų vis dar patiria infliaciją, kuri ir toliau ją plečia ir sukuria daugiau tūrio, nei jūs galite keliauti per ją. Priešingai, galite nukeliauti į bet kurią atstumą nutolusią I lygio visatą, jei būsite kantrūs ir kosminis plėtimasis sulėtės. (Astronominiai įrodymai rodo, kad kosminis plėtimasis šiuo metu spartėja. Jei šis pagreitis tęsis, net I lygio lygiagrečios visatos liks amžinai atskirtos, o tarpas tarp jų tęsis greičiau, nei gali keliauti šviesa. Tačiau vis dar sprendžiama, populiariuose modeliuose numatoma, kad visata galiausiai nustos spartėti ir galbūt net susitrauks.)

Aštuntajame dešimtmetyje Didžiojo sprogimo modelis pasirodė esąs labai sėkmingas paaiškinimas apie didžiąją dalį mūsų visatos istorijos. Jis paaiškino, kaip pirmykštis ugnies kamuolys plėtėsi ir vėso, susintetino helį ir kitus lengvus elementus per pirmąsias kelias minutes, tapo skaidrus po 400 000 metų, išleisdamas kosminį mikrobangų fono spinduliavimą, ir palaipsniui tapo grubesnis dėl gravitacinio telkimosi, sukurdamas galaktikas, žvaigždes ir planetas. Tačiau nerimą keliančios klausimai liko apie tai, kas nutiko pačioje pradžioje. Ar kažkas atsirado iš nieko? Kur yra visos super sunkiosios dalelės, žinomos kaip magnetiniai monopoliai, kurie, pasak dalelių fizikos, turėtų būti sukurti anksti (tzv. „monopolio problema“)? Kodėl erdvė tokia didelė, tokia sena ir tokia plokščia, kai bendrosios pradinės sąlygos numato, kad kreivumas augs laikui bėgant ir tankis artės prie nulio arba begalybės po maždaug 10−42 sekundžių (tzv. „plokštumo problema“)? Koks sąmokslas lėmė, kad CMB temperatūra būtų beveik identiška erdvės regionuose, kurie niekada nebuvo priežastiniame kontakte (tzv. „horizonto problema“)? Koks mechanizmas sukūrė 10−5 lygio sėklų fluktuacijas, iš kurių išaugo visa struktūra?

Procesas, žinomas kaip infliacija, gali išspręsti visas šias problemas vienu ypu (žr. Guth & Steinhardt 1984 ir Linde 1994 apžvalgas), todėl tapo populiariausia teorija apie tai, kas nutiko labai anksti. Infliacija yra greitas erdvės ištempimas, praskiedžiantis monopolius ir kitas nuolaužas, paverčiantis erdvę plokščia ir vienoda kaip besiplečiančio baliono paviršius ir ištempia kvantinius vakuumo fluktuacijas į makroskopiškai didelius tankio fluktuacijas, kurie gali pasėti galaktikų formavimąsi. Nuo pat jos pradžios infliacija išlaikė papildomus testus: CMB stebėjimai parodė, kad erdvė yra ypač plokščia, ir išmatavo, kad sėklų fluktuacijos turi apytiksliai mastelio invariantinį spektrą be didelio gravitacinės bangos komponento, visa tai puikiai atitinka infliacinius numatymus.

Infliacija yra bendras reiškinys, kuris atsiranda plačioje elementariųjų dalelių teorijų klasėje. Populiariame modelyje, žinomame kaip chaotiška infliacija, infliacija baigiasi kai kuriuose erdvės regionuose, leidžiančiuose gyvybei, kokią mes žinome, o kvantiniai fluktuacijos sukelia kitus erdvės regionus infliuoti dar greičiau. Iš esmės vienas infliuojantis burbulas išsprogdina kitus infliacinius burbulus, kurie savo ruožtu sukuria kitus nesibaigiančioje grandininėje reakcijoje. Burbulai, kuriuose infliacija baigėsi, yra II lygio multivisatos elementai. Kiekvienas toks burbulas yra begalinio dydžio (stebėtinai buvo įrodyta, kad infliacija gali sukurti begalinę I lygio multivisatą net riboto erdvinio tūrio burbule, dėl efekto, kai erdvėlaikio erdvinės kryptys kreivėja link (begalinės) laiko krypties (Bucher & Spergel 1999).), tačiau yra be galo daug burbulų, nes grandininė reakcija niekada nesibaigia. Iš tiesų, jei šis eksponentinis burbulų skaičiaus augimas vyko amžinai, bus nesuskaičiuojamas begalybė tokių lygiagrečių visatų (tokia pati begalybė, kaip ta, kuri priskiriama realiųjų skaičių rinkiniui, sakykime, kuris yra didesnis už (suskaičiuojamą begalinį) sveikųjų skaičių rinkinį). Tokiu atveju taip pat nėra laiko pradžios ir nėra absoliutaus Didžiojo sprogimo: yra, buvo ir visada bus begalinis skaičius infliuojančių burbulų ir poinfliacinių regionų, tokių kaip tas, kuriame mes gyvename, sudarančių fraktalinį modelį.

Vyraujantis požiūris yra tas, kad fizika, kurią mes stebime šiandien, yra tik žemos energijos riba daug simetriškesnės teorijos, kuri pasireiškia esant ypač aukštai temperatūrai. Ši pagrindinė fundamentali teorija gali būti 11 matmenų, supersimetrinė ir apimanti didelę keturių pagrindinių gamtos jėgų suvienijimą. Dažnas tokių teorijų bruožas yra tas, kad lauko (-ų), skatinančio infliaciją, potenciali energija turi kelis skirtingus minimumus (kartais vadinamus „vakuuminėmis būsenomis“), atitinkančius skirtingus būdus, kaip sulaužyti šią simetriją, ir dėl to - skirtingą žemos energijos fiziką. Pavyzdžiui, visi, išskyrus tris erdvinius matmenis, gali būti susukti („kompaktizuoti“), todėl susidaro veiksmingai trimatė erdvė, tokia kaip mūsų, arba mažiau gali susisukti, paliekant 7 matmenų erdvę. Kvantiniai fluktuacijos, skatinančios chaotišką infliaciją, gali sukelti skirtingą simetrijos pažeidimą skirtinguose burbuluose, todėl skirtingi II lygio multivisatos nariai turės skirtingą matavimą. Daugelis dalelių fizikoje stebimų simetrijų taip pat atsiranda dėl konkretaus būdo, kuriuo simetrija yra pažeista, todėl gali būti II lygio lygiagrečių visatų, kuriose yra, tarkime, dvi, o ne trys kvarkų kartos.

Be tokių diskrečių savybių, kaip matavimas ir fundamentaliosios dalelės, mūsų visatai būdingas bedimensių skaičių rinkinys, žinomas kaip fizinės konstantos. Pavyzdžiui, elektrono/protono masės santykis mp /me ≈ 1836 ir kosmologinė konstanta, kuri, atrodo, yra apie 10−123 vadinamuosiuose Planko vienetuose. Yra modelių, kur taip pat tokie nuolatiniai parametrai gali skirtis nuo vieno poinfliacinio burbulo iki kito. (Nors pagrindinės fizikos lygtys yra vienodos visoje II lygio multivisatoje, apytikslės efektyvios lygtys, reguliuojančios žemos energijos pasaulį, kurį mes stebime, skirsis. Pavyzdžiui, perėjimas nuo trimačio į keturmatę (nekompaktizuotą) erdvę pakeičia stebimą gravitacinės jėgos lygtį nuo atvirkštinio kvadrato dėsnio į atvirkštinio kubo dėsnį. Panašiai skirtingai pažeidus pagrindines dalelių fizikos simetrijas, pasikeis elementariųjų dalelių išdėstymas ir efektyviosios lygtys, kurios jas apibūdina. Tačiau mes pasiliksime terminus „skirtingos lygtys“ ir „skirtingi fizikos dėsniai“ IV lygio multivisatai, kur keičiasi fundamentalios, o ne efektyvios lygtys.)

Todėl tikėtina, kad II lygio multivisata yra įvairesnė nei I lygio multivisata, joje yra sričių, kuriose skiriasi ne tik pradinės sąlygos, bet galbūt ir matavimas, elementariosios dalelės ir fizinės konstantos.

Prieš pereinant toliau, trumpai pakomentuokime kelias glaudžiai susijusias multivisatos sąvokas. Visų pirma, jei gali egzistuoti viena II lygio multivisata, amžinai savaime besidauginanti fraktaliniu modeliu, tuomet gali būti be galo daug kitų II lygio multivisatų, kurios yra visiškai atjungtos. Tačiau šis variantas, atrodo, yra nepatikrinamas, nes jis nei pridėtų jokių kokybiškai skirtingų pasaulių, nei pakeistų jų savybių tikimybių pasiskirstymą. Visos įmanomos pradinės sąlygos ir simetrijos pažeidimai jau yra įgyvendinti kiekvienoje iš jų.

Idėja, kurią pasiūlė Tolmanas ir Wheeleris ir neseniai išplėtojo Steinhardtas & Turokas (2002), yra ta, kad (I lygio) multivisata yra ciklinė, pereinanti per begalinę Didžiųjų sprogimų seriją. Jei ji egzistuoja, tokių įsikūnijimų ansamblis taip pat sudarytų multivisatą, ginčytinai panašų į II lygio įvairovę.

Idėja, kurią pasiūlė Smolinas (1997), apima ansamblį, panašų į II lygio įvairovę, tačiau mutuojantį ir išsprogdinantį naujas visatas per juodąsias skyles, o ne infliacijos metu. Tai numato natūralios atrankos formą, palankią visatoms su maksimalia juodosios skylės gamyba.

Braneworld scenarijuose kitas trimatis pasaulis galėtų būti tiesiogiai lygiagretus mūsų, tiesiog pasislinkęs aukštesniame matmenyje. Tačiau neaišku, ar toks pasaulis („brane“) nusipelno būti vadinamas lygiagrečia visata, atskira nuo mūsų, nes mes galime sąveikauti su juo gravitaciškai taip pat, kaip mes darome su tamsiąja medžiaga.

Fizikai nemėgsta nepaaiškintų sutapimų. Iš tiesų, jie interpretuoja juos kaip įrodymą, kad modeliai yra atmesti. I skyriaus C dalyje mes matėme, kaip atviros visatos modelis buvo atmestas 99,9% pasikliovimu, nes tai reiškia, kad stebimas CMB fluktuacijų modelis yra itin mažai tikėtinas, vienas iš tūkstančio sutapimų, įvykstantis tik 0,1% visų Hubble tūrių.

Tarkime, jūs apsigyvenate viešbutyje, jums paskiriamas kambarys 1967 ir, nustebęs, pastebite, kad tai yra metai, kai gimėte. Po akimirkos apmąstymų jūs padarote išvadą, kad tai visai nestebina, atsižvelgiant į tai, kad viešbutyje yra daug kambarių ir kad jūs net neturėtumėte šių minčių, jei jums būtų paskirtas kitas. Tuomet jūs suprantate, kad net jei nieko nežinotumėte apie viešbučius, galėtumėte daryti išvadą apie kitų viešbučio kambarių egzistavimą, nes jei visoje visatoje būtų tik vienas kambario numeris, jums liktų nepaaiškintas sutapimas.

Kaip labiau tinkamą pavyzdį, apsvarstykite M - Saulės masę. M veikia Saulės šviesumą, ir naudojant pagrindinę fiziką galima apskaičiuoti, kad gyvybė, kokią mes žinome Žemėje, įmanoma tik tuo atveju, jei M yra siaurame diapazone 1,6 × 1030 kg − 2,4 × 1030 kg — kitu atveju Žemės klimatas būtų šaltesnis nei Marse arba karštesnis nei Veneroje. Išmatuota vertė yra M ∼ 2,0 × 1030 kg. Šis akivaizdus tinkamų ir stebimų M verčių sutapimas gali pasirodyti neraminantis, atsižvelgiant į tai, kad skaičiavimai rodo, kad žvaigždės daug platesniame masės diapazone M ∼ 1029 kg − 1032 kg gali egzistuoti. Tačiau, kaip ir viešbučio pavyzdyje, mes galime paaiškinti šį akivaizdų sutapimą, jei yra ansamblis ir atrankos efektas: jei iš tikrųjų yra daug saulės sistemų su centrinių žvaigždžių dydžiais ir planetų orbitomis, tuomet mes akivaizdžiai tikimės, kad gyvensime vienoje iš tinkamų gyventi.

Apskritai, akivaizdus tinkamų ir stebimų tam tikro fizinio parametro verčių sutapimas gali būti laikomas įrodymu apie didesnio ansamblio egzistavimą, iš kurio tai, ką mes stebime, yra tik vienas narys tarp daugelio (Carter 1973). Nors kitų viešbučio kambarių ir saulės sistemų egzistavimas yra neginčijamas ir stebėjimais patvirtintas, lygiagrečių visatų egzistavimas nėra, nes jų negalima stebėti. Tačiau, jei stebimas tikslus derinimas, galima ginčytis dėl jų egzistavimo naudojant tą pačią logiką, kaip ir aukščiau. Iš tiesų, yra daugybė tikslaus derinimo pavyzdžių, rodančių lygiagrečias visatas su kitomis fizinėmis konstantomis, nors tikslaus derinimo laipsnis vis dar yra aktyviai diskutuojamas ir turėtų būti patikslintas papildomais skaičiavimais — žr. Rees (2002) ir Davies (1982) populiariems pasakojimams ir Barrow & Tipler (1986) techninėms detalėms.

Pavyzdžiui, jei elektromagnetinė jėga būtų susilpnėjusi vos 4%, tuomet Saulė iš karto sprogtų (diprotonas turėtų susietąją būseną, kuri padidintų Saulės šviesumą faktoriumi 1018). Jei ji būtų stipresnė, būtų mažiau stabilių atomų. Iš tiesų, dauguma, jei ne visi parametrai, veikiantys žemos energijos fiziką, atrodo tiksliai suderinti tam tikru lygiu ta prasme, kad pakeitus juos nedideliais kiekiais gaunama kokybiškai skirtinga visata.

Jei silpna sąveika būtų gerokai silpnesnė, aplinkui nebūtų vandenilio, nes jis būtų paverstas heliu netrukus po Didžiojo sprogimo. Jei ji būtų daug stipresnė arba daug silpnesnė, neutrinai iš supernovos sprogimo nesugebėtų nupūsti išorinių žvaigždės dalių, ir abejotina, ar gyvybę palaikantys sunkūs elementai kada nors galėtų palikti žvaigždes, kuriose jie buvo pagaminti. Jei protonai būtų 0,2% sunkesni, jie suskaidytų į neutronus, negalinčius išlaikyti elektronų, todėl aplinkui nebūtų stabilių atomų. Jei protono ir elektrono masės santykis būtų daug mažesnis, negalėtų būti stabilių žvaigždžių, o jei jis būtų daug didesnis, negalėtų būti tvarkingų struktūrų, tokių kaip kristalai ir DNR molekulės.

Diskusijos apie tikslų derinimą dažnai įkaista, kai kažkas pamini „A žodį“, antropolizmas. Autorius mano, kad diskusijos apie vadinamąjį antropolinį principą sukėlė daugiau karščio nei šviesos, su daugybe skirtingų apibrėžimų ir interpretacijų, ką tai reiškia. Autorius nežino, kad kas nors nesutiktų su tuo, kas galėtų būti vadinama MAP, minimalistiniu antropoliniu principu: • MAP: Bandant fundamentalas teorijas su stebėjimo duomenimis, atrankos efektų ignoravimas gali duoti neteisingas išvadas.

Tai akivaizdu iš mūsų pavyzdžių aukščiau: jei nepaisytume atrankos efektų, būtume nustebę, kad skriejame aplink žvaigždę, tokią sunkią kaip Saulė, nes lengvesnės ir blankesnės yra daug gausiau paplitusios. Taip pat MAP sako, kad chaotiškas infliacijos modelis nėra atmestas tuo, kad mes gyvename nykstamai mažoje erdvės dalyje, kur infliacija baigėsi, nes infliuojanti dalis mums yra netinkama gyventi. Laimei, atrankos efektai negali išgelbėti visų modelių, kaip prieš šimtmetį nurodė Boltzmannas. Jei visata būtų klasikinėje šiluminėje pusiausvyroje (šilumos mirtis), šiluminiai fluktuacijos vis dar galėtų priversti atomus atsitiktinai susiburti, kad trumpam sukurtų save suvokiantį stebėtoją, tokį kaip jūs, kartą per mėlyną mėnulį, todėl faktas, kad jūs egzistuojate dabar, neatmeta šilumos mirties kosmologinio modelio. Tačiau statistiškai turėtumėte tikėtis, kad likęs pasaulis bus didelės entropijos netvarkoje, o ne tvarkingoje mažos entropijos būsenoje, kurią stebite, o tai atmeta šį modelį.

Standartinis dalelių fizikos modelis turi 28 laisvus parametrus, o kosmologija gali įvesti papildomus nepriklausomus parametrus. Jei mes iš tikrųjų gyvename II lygio multivisatoje, tuomet tiems parametrams, kurie skiriasi tarp lygiagrečių visatų, mes niekada negalėsime numatyti mūsų išmatuotų verčių iš pirmųjų principų. Mes galime tik apskaičiuoti tikimybių pasiskirstymą tam, ko turėtume tikėtis, atsižvelgdami į atrankos efektus. Turėtume tikėtis, kad viskas, kas gali skirtis visame ansamblyje, bus kuo bendresnė, atsižvelgiant į mūsų egzistavimą. Kaip išsamiai aprašyta V skyriuje, šis klausimas, kas yra „bendras“ ir, konkrečiau, kaip apskaičiuoti tikimybes fizikoje, tampa gėdingai dygliuota problema.