II Līmeņa Multiverse: Haotiska Inflācija un Pēc-Inflācijas Burbuļi

Ja jums šķita, ka I līmeņa multiverss ir liels un grūti pieņemams, mēģiniet iedomāties bezgalīgu atšķirīgu multiversu kopumu, daži varbūt ar atšķirīgu dimensionalitāti un atšķirīgām fizikālām konstantēm. To paredz pašreiz populārā haotiskā inflācijas teorija, un mēs to sauksim par II līmeņa multiversu. Šie citi domēni ir vairāk nekā bezgalīgi tālu tādā nozīmē, ka jūs nekad tur nenokļūtu, pat ja jūs ceļotu ar gaismas ātrumu mūžīgi. Iemesls ir tāds, ka telpa starp mūsu I līmeņa multiversu un tā kaimiņiem joprojām piedzīvo inflāciju, kas turpina to izstiept un radīt lielāku apjomu ātrāk, nekā jūs varat cauri tam ceļot. Turpretim jūs varētu ceļot uz patvaļīgi tālu I līmeņa Visumu, ja jūs būtu pacietīgs un kosmiskā izplešanās palēninātos. (Astronomiskie pierādījumi liecina, ka kosmiskā izplešanās pašlaik paātrinās. Ja šī paātrināšanās turpinās, tad pat I līmeņa paralēlie Visumi paliks mūžīgi atsevišķi, ar starpposma telpu, kas izplešas ātrāk, nekā gaisma var ceļot cauri tai. Tomēr galavārds vēl nav pateikts, un populāri modeļi paredz, ka Visums galu galā pārtrauks paātrināties un varbūt pat atkārtoti sabruks.)

Līdz 1970. gadiem Lielā Sprādziena modelis bija pierādījis ļoti veiksmīgu mūsu Visuma vēstures lielākās daļas skaidrojumu. Tas bija paskaidrojis, kā pirmatnējā ugunsbumba izpletās un atdzisa, sintezēja hēliju un citus vieglus elementus pirmo dažu minūšu laikā, kļuva caurspīdīga pēc 400 000 gadiem, atbrīvojot kosmisko mikroviļņu fona starojumu, un pakāpeniski kļuva kunkaināka gravitācijas klasterizācijas dēļ, radot galaktikas, zvaigznes un planētas. Tomēr joprojām palika satraucoši jautājumi par to, kas notika pašā sākumā. Vai kaut kas parādījās no nekā? Kur ir visas smagās daļiņas, kas pazīstamas kā magnētiskie monopoli, kuriem, pēc daļiņu fizikas prognozēm, vajadzētu būt radītiem jau sākotnēji (“monopolu problēma”)? Kāpēc telpa ir tik liela, tik veca un tik plakana, kad vispārīgi sākotnējie apstākļi paredz izliekuma palielināšanos laika gaitā un blīvuma tuvināšanos nullei vai bezgalībai pēc aptuveni 10−42 sekundēm (“plakanuma problēma”)? Kāda sazvērestība izraisīja CMB temperatūras gandrīz identiskumu telpas apgabalos, kas nekad nav bijuši cēloņsakarīgā kontaktā (“horizonta problēma”)? Kāds mehānisms radīja 10−5 līmeņa sēklu svārstības, no kurām izauga visa struktūra?

Process, kas pazīstams kā inflācija, var atrisināt visas šīs problēmas vienā piegājienā (skatīt Guth & Steinhardt 1984 un Linde 1994 apskatus), un tāpēc ir kļuvis par populārāko teoriju par to, kas notika ļoti agrā stadijā. Inflācija ir strauja telpas izplešanās, atšķaidot monopolus un citus atkritumus, padarot telpu plakanu un vienmērīgu, piemēram, izplešanās balona virsma, un izplešot kvantu vakuuma svārstības makroskopiski lielās blīvuma svārstībās, kas var radīt galaktiku veidošanos. Kopš tās pirmsākumiem inflācija ir izturējusi papildu testus: CMB novērojumi ir atklājuši, ka telpa ir ārkārtīgi plakana un ir izmērījuši, ka sēklu svārstībām ir aptuveni mēroga invariants spektrs bez būtiskas gravitācijas viļņu sastāvdaļas, kas viss pilnībā atbilst inflācijas prognozēm.

Inflācija ir vispārēja parādība, kas notiek plašā elementārdaļiņu teoriju klasē. Populārajā modelī, kas pazīstams kā haotiska inflācija, inflācija beidzas dažos telpas apgabalos, ļaujot pastāvēt dzīvībai, kā mēs to zinām, savukārt kvantu svārstības izraisa citu telpas apgabalu vēl straujāku inflāciju. Būtībā viens inflācijas burbulis izdiedz citus inflācijas burbuļus, kas savukārt rada citus nebeidzamā ķēdes reakcijā. Burbuļi, kur inflācija ir beigusies, ir II līmeņa multiversa elementi. Katrs šāds burbulis ir bezgalīgs pēc izmēra (Pārsteidzoši, ir pierādīts, ka inflācija var radīt bezgalīgu I līmeņa multiversu pat ierobežotā telpiskā apjoma burbulī, pateicoties efektam, kad laiktelpas telpiskie virzieni izliecas pret (bezgalīgo) laika virzienu (Bucher & Spergel 1999).), tomēr ir bezgalīgi daudz burbuļu, jo ķēdes reakcija nekad nebeidzas. Patiešām, ja šī eksponenciālā burbuļu skaita pieaugums ir turpinājies mūžīgi, būs neskaitāma šādu paralēlo Visumu bezgalība (tāda pati bezgalība kā tā, kas piešķirta reālo skaitļu kopai, teiksim, kas ir lielāka par (saskaitāmi bezgalīgo) veselo skaitļu kopu). Šajā gadījumā nav arī laika sākuma un absolūta Lielā Sprādziena: ir, bija un vienmēr būs bezgalīgs skaits inflācijas burbuļu un pēc-inflācijas apgabalu, piemēram, tas, kurā mēs dzīvojam, veidojot fraktālu modeli.

Pašreizējais uzskats ir tāds, ka fizika, ko mēs novērojam šodien, ir tikai zemas enerģijas robeža daudz simetriskākai teorijai, kas izpaužas ārkārtīgi augstā temperatūrā. Šī pamatā esošā fundamentālā teorija var būt 11 dimensiju, supersimetriska un ietvert četru pamatspēku apvienošanu. Kopīga iezīme šādās teorijās ir tāda, ka inflāciju veicinošā(o) lauka(u) potenciālajai enerģijai ir vairāki dažādi minimumi (dažreiz tos sauc par “vakuuma stāvokļiem”), kas atbilst dažādiem veidiem, kā salauzt šo simetriju un, kā rezultātā, dažādai zemas enerģijas fizikai. Piemēram, visas, izņemot trīs telpiskās dimensijas, varētu būt saritinātas (“kompaktificētas”), kā rezultātā efektīvi trīsdimensionāla telpa, piemēram, mūsējā, vai arī mazāk varētu saritināties, atstājot 7 dimensiju telpu. Kvantu svārstības, kas veicina haotisko inflāciju, varētu izraisīt dažādu simetriju laušanu dažādos burbuļos, kā rezultātā dažādiem II līmeņa multiversa dalībniekiem būtu atšķirīga dimensionalitāte. Daudzas simetrijas, kas novērotas daļiņu fizikā, arī izriet no īpašā veida, kādā simetrija tiek lauzta, tāpēc varētu būt II līmeņa paralēlie Visumi, kur, teiksim, ir divas, nevis trīs kvarku paaudzes.

Papildus tādām diskrētām īpašībām kā dimensionalitāte un fundamentālās daļiņas, mūsu Visumu raksturo bezdimensionālu skaitļu kopums, kas pazīstams kā fizikālās konstantes. Piemēri ietver elektrona/protona masas attiecību mp /me ≈ 1836 un kosmoloģisko konstanti, kas, šķiet, ir aptuveni 10−123 tā sauktajās Planka vienībās. Ir modeļi, kur arī šādi nepārtraukti parametri var atšķirties no viena pēc-inflācijas burbuļa līdz otram. (Lai gan fundamentālie fizikas vienādojumi ir vienādi visā II līmeņa multiversā, aptuvenie efektīvie vienādojumi, kas nosaka zemas enerģijas pasauli, ko mēs novērojam, atšķirsies. Piemēram, pārejot no trīsdimensionālas uz četru dimensionālu (nekompaktificētu) telpu, novērotais gravitācijas spēka vienādojums mainās no apgriezti kvadrātu likuma uz apgriezti kubu likumu. Tāpat atšķirīga daļiņu fizikas pamatā esošo simetriju laušana mainīs elementārdaļiņu sastāvu un efektīvos vienādojumus, kas tos apraksta. Tomēr mēs rezervēsim terminus “atšķirīgi vienādojumi” un “atšķirīgi fizikas likumi” IV līmeņa multiversam, kur mainās fundamentālie, nevis efektīvie vienādojumi.)

Tāpēc II līmeņa multiverss, iespējams, ir daudzveidīgāks nekā I līmeņa multiverss, ietverot domēnus, kur atšķiras ne tikai sākotnējie apstākļi, bet, iespējams, arī dimensionalitāte, elementārdaļiņas un fizikālās konstantes.

Pirms pārejam tālāk, īsi komentēsim dažus cieši saistītus multiversa jēdzienus. Pirmkārt, ja var pastāvēt viens II līmeņa multiverss, kas mūžīgi atjaunojas fraktālā veidā, tad varētu būt bezgalīgi daudz citu II līmeņa multiversu, kas ir pilnībā atvienoti. Tomēr šis variants šķiet nepārbaudāms, jo tas nepievienotu nevienu kvalitatīvi atšķirīgu pasauli un nemainītu varbūtības sadalījumu to īpašībām. Visi iespējamie sākotnējie apstākļi un simetrijas laušanas jau ir realizētas katrā.

Ideja, ko ierosināja Tolmans un Vīlers un ko nesen izstrādāja Steinards un Turoks (2002), ir tāda, ka (I līmeņa) multiverss ir ciklisks, iziet cauri bezgalīgai Lielo Sprādzienu sērijai. Ja tas pastāv, šādu iemiesojumu ansamblis arī veidotu multiversu, iespējams, ar līdzīgu daudzveidību kā II līmenim.

Ideja, ko ierosināja Smolins (1997), ietver ansambli, kas pēc daudzveidības ir līdzīgs II līmenim, bet mutējas un izdiedz jaunus Visumus caur melnajiem caurumiem, nevis inflācijas laikā. Tas paredz dabisku atlases formu, kas dod priekšroku Visumiem ar maksimālu melno caurumu ražošanu.

Braneworld scenārijos cita 3 dimensiju pasaule varētu būt burtiski paralēla mūsējai, tikai nobīdīta augstākā dimensijā. Tomēr nav skaidrs, vai šāda pasaule (“brāne”) ir pelnījusi tikt saukta par paralēlu Visumu, kas atšķiras no mūsējā, jo mēs varam mijiedarboties ar to gravitācijas ceļā, tāpat kā mēs to darām ar tumšo matēriju.

Fiziķiem nepatīk nepaskaidrotas sakritības. Patiešām, viņi tās interpretē kā pierādījumu tam, ka modeļi ir izslēgti. I C sadaļā mēs redzējām, kā atvērtā Visuma modelis tika izslēgts ar 99,9% pārliecību, jo tas nozīmē, ka novērotais CMB svārstību modelis ir ārkārtīgi maz ticams, vienreiz tūkstoš sakritība, kas notiek tikai 0,1% no visiem Habla apjomiem.

Pieņemsim, ka jūs iečekojaties viesnīcā, jums piešķir numuru 1967 un, pārsteigts, atzīmējat, ka šis ir gads, kad jūs piedzimāt. Pēc brīža pārdomām jūs secināt, ka tas galu galā nav tik pārsteidzoši, ņemot vērā, ka viesnīcā ir daudz numuru un ka jums nebūtu šādu domu, ja jums būtu piešķirts cits numurs. Jūs tad saprotat, ka pat tad, ja jūs neko nezinātu par viesnīcām, jūs varētu secināt par citu viesnīcas numuru esamību, jo, ja visā Visumā būtu tikai viens numura numurs, jums būtu nepaskaidrota sakritība.

Kā atbilstošāku piemēru apsveriet M, Saules masu. M ietekmē Saules spilgtumu, un, izmantojot pamata fiziku, var aprēķināt, ka dzīvība, kā mēs to zinām uz Zemes, ir iespējama tikai tad, ja M ir šaurā diapazonā 1,6 × 1030 kg − 2,4 × 1030 kg — citādi Zemes klimats būtu aukstāks nekā uz Marsa vai karstāks nekā uz Venēras. Izmērītā vērtība ir M ∼ 2,0 × 1030 kg. Šī acīmredzamā apdzīvojamā un novērotā M vērtību sakritība var šķist satraucoša, ņemot vērā, ka aprēķini rāda, ka zvaigznes daudz plašākā masas diapazonā M ∼ 1029 kg − 1032 kg var pastāvēt. Tomēr, tāpat kā viesnīcas piemērā, mēs varam izskaidrot šo acīmredzamo sakritību, ja ir ansamblis un atlases efekts: ja faktiski ir daudz Saules sistēmu ar dažādiem centrālās zvaigznes izmēriem un planētu orbītām, tad mēs acīmredzami sagaidām, ka atradīsimies vienā no apdzīvojamām.

Vispārīgāk, acīmredzamo apdzīvojamo un novēroto kāda fizikālā parametra vērtību sakritību var uzskatīt par pierādījumu lielāka ansambļa esamībai, no kura tas, ko mēs novērojam, ir tikai viens dalībnieks starp daudziem (Carter 1973). Lai gan citu viesnīcas numuru un Saules sistēmu pastāvēšana ir neapstrīdama un novērojumu ceļā apstiprināta, paralēlo Visumu pastāvēšana nav, jo tos nevar novērot. Tomēr, ja tiek novērota smalka noregulēšana, var argumentēt par to pastāvēšanu, izmantojot tieši to pašu loģiku kā iepriekš. Patiešām, ir daudzi smalkas noregulēšanas piemēri, kas liecina par paralēliem Visumiem ar citām fizikālām konstantēm, lai gan smalkas noregulēšanas pakāpe joprojām ir aktīvi apspriesta un būtu jāprecizē ar papildu aprēķiniem — skatīt Rees (2002) un Davies (1982) populārus aprakstus un Barrow & Tipler (1986) par tehniskiem sīkumiem.

Piemēram, ja elektromagnētiskais spēks tiktu vājināts tikai par 4%, tad Saule nekavējoties eksplodētu (diprotonam būtu saistīts stāvoklis, kas palielinātu Saules spilgtumu par faktoru 1018). Ja tas būtu spēcīgāks, būtu mazāk stabilu atomu. Patiešām, lielākā daļa, ja ne visi parametri, kas ietekmē zemas enerģijas fiziku, šķiet smalki noregulēti kaut kādā līmenī, tādā nozīmē, ka to nelielas izmaiņas rada kvalitatīvi atšķirīgu Visumu.

Ja vājā mijiedarbība būtu ievērojami vājāka, apkārt nebūtu ūdeņraža, jo tas drīz pēc Lielā Sprādziena būtu pārvērsts hēlijā. Ja tas būtu daudz spēcīgāks vai daudz vājāks, neitrīno no supernovas sprādziena nespētu aizpūst zvaigznes ārējās daļas, un ir apšaubāmi, vai dzīvību atbalstoši smagie elementi kādreiz varētu atstāt zvaigznes, kur tie tika ražoti. Ja protoni būtu par 0,2% smagāki, tie sadalītos neitronos, kas nespēj noturēt elektronus, tāpēc apkārt nebūtu stabilu atomu. Ja protona un elektrona masas attiecība būtu daudz mazāka, nevarētu būt stabilu zvaigžņu, un, ja tā būtu daudz lielāka, nevarētu būt sakārtotu struktūru, piemēram, kristālu un DNS molekulu.

Smalkas noregulēšanas diskusijas bieži kļūst karstas, kad kāds piemin “A vārdu”, antropisku. Autors uzskata, ka diskusijas par tā saukto antropisko principu ir radījušas vairāk karstuma nekā gaismas, ar daudzām dažādām definīcijām un interpretācijām par to, ko tas nozīmē. Autors nezina nevienu, kas nepiekristu tam, ko varētu saukt par MAP, minimālistisko antropisko principu: • MAP: Pārbaudot fundamentālās teorijas ar novērojumu datiem, atlases efektu ignorēšana var sniegt nepareizus secinājumus.

Tas ir acīmredzami no mūsu iepriekš minētajiem piemēriem: ja mēs ignorētu atlases efektus, mēs būtu pārsteigti, ka riņķojam ap tik smagu zvaigzni kā Saule, jo vieglākas un blāvākas zvaigznes ir daudz bagātīgākas. Tāpat MAP saka, ka haotiskās inflācijas modelis nav izslēgts ar faktu, ka mēs atrodamies tajā niecīgajā telpas daļā, kur inflācija ir beigusies, jo inflācijas daļa mums nav apdzīvojama. Par laimi, atlases efekti nevar glābt visus modeļus, kā pirms gadsimta norādīja Bolcmanis. Ja Visums būtu klasiskā termiskā līdzsvarā (termiskā nāve), termiskās svārstības joprojām varētu izraisīt atomu nejaušu salikšanos, lai īslaicīgi izveidotu pašapzinīgu novērotāju, piemēram, jūs reizi zilā mēnesī, tāpēc fakts, ka jūs pastāvat tieši tagad, neizslēdz termiskās nāves kosmoloģisko modeli. Tomēr jums statistiski vajadzētu sagaidīt, ka pārējā pasaule atradīsies augstas entropijas juceklī, nevis sakārtotā zemas entropijas stāvoklī, ko jūs novērojat, kas izslēdz šo modeli.

Daļiņu fizikas standarta modelim ir 28 brīvie parametri, un kosmoloģija var ieviest papildu neatkarīgus parametrus. Ja mēs patiešām dzīvojam II līmeņa multiversā, tad tiem parametriem, kas atšķiras starp paralēliem Visumiem, mēs nekad nevarēsim paredzēt mūsu izmērītās vērtības no pirmās idejas. Mēs varam tikai aprēķināt varbūtības sadalījumus tam, ko mums vajadzētu sagaidīt, ņemot vērā atlases efektus. Mums vajadzētu sagaidīt, ka viss, kas var mainīties visā ansamblī, ir tik vispārīgs, cik tas ir saskaņā ar mūsu pastāvēšanu. Kā sīkāk aprakstīts V sadaļā, jautājums par to, kas ir “vispārīgs” un, konkrētāk, kā aprēķināt varbūtības fizikā, kļūst par mulsinoši ērkšķainu problēmu.