III taseme multiversum: kvantfüüsika paljud maailmad

Võib olla kolmas tüüp paralleelseid maailmu, mis ei ole kaugel, vaid teatud mõttes siinsamas. Kui füüsika fundamentaalsed võrrandid on matemaatikute jaoks ühtsed, nagu nad seni paistavad olevat, siis universum hargneb pidevalt paralleelseteks universumiteks nagu joonisfilmis: kui kvantsündmusel näib olevat juhuslik tulemus, siis kõik tulemused tegelikult juhtuvad, üks igas harus. See on III taseme multiversum. Kuigi rohkem arutatud ja vastuolulisem kui I ja II tase, näeme, et üllataval kombel ei lisa see tase uusi universumitüüpe.

20. sajandi alguses muutis kvantmehaanika teooria füüsika revolutsiooniliselt, selgitades aatomimaailma, mille rakendused ulatuvad keemiast tuumareaktsioonide, laserite ja pooljuhtideni. Vaatamata ilmselgetele edusammudele selle rakendamisel, järgnes tuline debatt selle tõlgenduse üle — debatt, mis kestab siiani. Kvantteooria kohaselt ei ole universumi seisund antud klassikalistes terminites, nagu kõigi osakeste positsioonid ja kiirused, vaid matemaatilise objekti, lainefunktsiooni abil. Niinimetatud Schrödingeri võrrandi kohaselt areneb see seisund aja jooksul deterministlikult viisil, mida nimetatakse ühtseks, mis vastab pöörlemisele Hilberti ruumis, abstraktses lõpmatumõõtmelises ruumis, kus lainefunktsioon elab. Probleemne osa on see, et on olemas täiesti legitiimsed lainefunktsioonid, mis vastavad klassikaliselt ebaintuitiivsetele olukordadele, nagu sina oled korraga kahes erinevas kohas. Veel hullem, Schrödingeri võrrand võib süütud klassikalised seisundid sellisteks skisofreenilisteks seisunditeks arendada. Barokse näitena kirjeldas Schrödinger kuulsat mõtteeksperimenti, kus vastik seadeldis tapab kassi, kui radioaktiivne aatom laguneb. Kuna radioaktiivne aatom siseneb lõpuks lagunenud ja lagunemata oleku superpositsiooni, tekitab see kassi, kes on nii surnud kui ka elus superpositsioonis.

1920. aastatel selgitati seda veidrust ära, postuleerides, et lainefunktsioon “kollapeerus” mingiks kindlaks klassikaliseks tulemuseks alati, kui tehti vaatlus, kusjuures tõenäosused andis lainefunktsioon. Einstein oli õnnetu sellise loomupärase juhuslikkuse üle looduses, mis rikkus ühtsuse, nõudes, et “Jumal ei mängi täringut”, ja teised kaebasid, et puudub võrrand, mis täpsustaks, millal see kollaps toimus. Oma 1957. aasta doktoritöös näitas Princetoni üliõpilane Hugh Everett III, et see vastuoluline kollapsi postulaat oli tarbetu. Kvantteooria ennustas, et üks klassikaline reaalsus jaguneb järk-järgult paljude superpositsioonideks. Ta näitas, et vaatlejad kogevad seda jagunemist subjektiivselt vaid kerge juhuslikkusena ja tõepoolest täpselt samade tõenäosustega, mis tulenevad vanast kollapsi postulaadist (de Witt 2003). See klassikaliste maailmade superpositsioon on III taseme multiversum.

Everetti töö oli jätnud kaks olulist küsimust vastuseta: esiteks, kui maailm tegelikult sisaldab veidraid makrosuperpositsioone, siis miks me neid ei taju? Vastus saabus 1970. aastal, kui Dieter Zeh näitas, et Schrödingeri võrrand ise tekitab teatud tüüpi tsensuuriefekti (Zeh 1970). See efekt sai tuntuks kui dekoherents ja seda töötasid järgnevatel aastakümnetel välja Wojciech Zurek, Zeh ja teised väga detailselt. Leiti, et koherentsed kvantsuperpositsioonid säilivad ainult seni, kuni neid hoitakse ülejäänud maailma eest saladuses. Üksainus kokkupõrge nuhkiva footoni või õhumolekuliga on piisav, et tagada, et meie sõbrad joonisel 5 ei saa kunagi teadlikuks oma vasteid paralleelses süžeeliinis. Teine vastuseta küsimus Everetti pildis oli peenem, kuid sama oluline: milline füüsiline mehhanism valib välja ligikaudu klassikalised olekud (kus iga objekt on ainult ühes kohas jne) eriliseks hämmastavalt suures Hilberti ruumis? Dekoherents vastas ka sellele küsimusele, näidates, et klassikalised olekud on lihtsalt need, mis on kõige vastupidavamad dekoherentsile. Kokkuvõttes identifitseerib dekoherents nii III taseme paralleeluniversumid Hilberti ruumis kui ka piiritleb neid üksteisest. Dekoherents on nüüd üsna vaieldamatu ja seda on eksperimentaalselt mõõdetud väga erinevates olukordades. Kuna dekoherents jäljendab praktiliselt lainefunktsiooni kollapsit, on see kõrvaldanud suure osa mitteühtse kvantmehaanika algsest motivatsioonist ja muutnud Everetti niinimetatud paljude maailmade tõlgenduse üha populaarsemaks. Nende kvantküsimuste kohta vaadake Tegmark & Wheeler (2001) populaarset ülevaadet ja Giulini et al. (1996) tehnilist ülevaadet.

Kui lainefunktsiooni aja jooksul muutumine on ühtne, siis on III taseme multiversum olemas, seega on füüsikud palju vaeva näinud selle kriitilise eelduse testimisega. Seni ei ole ühtsusest kõrvalekaldeid leitud. Viimastel aastakümnetel on märkimisväärsed katsed kinnitanud ühtsuse üha suuremate süsteemide puhul, sealhulgas suure C60 “Buckey Ball” aatomi ja kilomeetri suuruste optiliste kiudude süsteemide puhul. Teoreetiliselt on peamine argument ühtsuse vastu hõlmanud võimaliku teabe hävitamist mustade aukude aurustumise ajal, mis viitab sellele, et kvantgravitatsioonilised efektid on mitteühtsed ja kollabeerivad lainefunktsiooni. Hiljutine stringiteooria läbimurre, mida tuntakse kui AdS/CFT vastavust, on aga vihjanud, et isegi kvantgravitatsioon on ühtne, olles matemaatiliselt samaväärne madalamamõõtmelise kvantväljateooriaga ilma gravitatsioonita (Maldacena 2003).

Paralleeluniversumite arutamisel peame eristama kahte erinevat vaatenurka füüsikalisele teooriale: välisvaade ehk matemaatiku vaatenurk, kes uurib selle matemaatilisi fundamentaalseid võrrandeid, ja sisevaade ehk konna vaatenurk vaatleja jaoks, kes elab võrranditega kirjeldatud maailmas*** . Linnu vaatenurgast on III taseme multiversum lihtne: on ainult üks lainefunktsioon ja see areneb aja jooksul sujuvalt ja deterministlikult ilma igasuguse jagunemise või parallelismita. Abstraktne kvantmaailm, mida see arenev lainefunktsioon kirjeldab, sisaldab endas tohutut hulka paralleelseid klassikalisi süžeeliine, mis pidevalt jagunevad ja ühinevad, samuti mitmeid kvantnähtusi, millel puudub klassikaline kirjeldus. Konna vaatenurgast tajub aga iga vaatleja ainult väikest osa sellest täielikust reaalsusest: ta näeb ainult oma Hubble’i ruumala (I tase) ja dekoherents takistab tal tajumast oma III taseme paralleelseid koopiaid. Kui talle esitatakse küsimus, ta teeb kiire otsuse ja vastab, siis tema aju neuronitasemel esinevad kvantefektid viivad mitmete tulemusteni ja linnu vaatenurgast hargneb tema üks minevik mitmeks tulevikuks. Nende konnade vaatenurgast ei ole aga iga tema koopia teadlik teistest koopiatest ja ta tajub seda kvantide hargnemist vaid kerge juhuslikkusena. Pärast seda on praktiliselt mitu tema koopiat, kellel on täpselt samad mälestused kuni hetkeni, mil ta küsimusele vastab.

*** Tõepoolest, standardne vaimne pilt sellest, mis on füüsiline maailm, vastab kolmandale vahepealsele vaatenurgale, mida võiks nimetada konsensusvaateks. Sinu subjektiivselt tajutud konna vaatenurgast pöördub maailm pea peale, kui sa seisad pea peal, ja kaob, kui sa silmad sulged, kuid sa tõlgendad alateadlikult oma sensoorseid sisendeid nii, nagu oleks olemas väline reaalsus, mis on sõltumatu sinu orientatsioonist, sinu asukohast ja sinu meeleseisundist. On tähelepanuväärne, et kuigi see kolmas vaade hõlmab nii tsensuuri (nagu unenägude tagasilükkamine), interpolatsiooni (nagu silmapilgutuste vahel) kui ka ekstrapoleerimist (ütleme, omistades olemasolu nähtamatutele linnadele), näivad sõltumatud vaatlejad siiski seda konsensusvaadet jagavat. Kuigi sisevaade näeb kassile välja mustvalge, linnule, kes näeb nelja põhivärvi, vikerkaareline ja veelgi erinev mesilasele, kes näeb polariseeritud valgust, nahkhiirele, kes kasutab sonarit, pimedale inimesele, kellel on teravam puudutus ja kuulmine, või uusimale ülehinnatud robot-tolmuimejale, on kõik nõus, kas uks on avatud. Peamine praegune väljakutse füüsikas on selle poolklassikalise konsensusvaate tuletamine fundamentaalsetest võrranditest, mis täpsustavad linnu vaatenurka. Minu arvates tähendab see seda, et kuigi inimteadvuse üksikasjaliku olemuse mõistmine on iseenesest oluline väljakutse, ei ole see vajalik füüsika fundamentaalse teooria jaoks.

Nii kummaline kui see ka ei kõla, illustreerib joonis 5, et täpselt sama olukord esineb isegi I taseme multiversumis, ainus erinevus on selles, kus tema koopiad asuvad (mujal vanas heas kolmemõõtmelises ruumis, mitte mujal lõpmatumõõtmelises Hilberti ruumis, teistes kvantides harudes). Selles mõttes ei ole III tase sugugi võõram kui I tase. Tõepoolest, kui füüsika on ühtne, siis inflatsiooni ajal esinenud kvantfluktuatsioonid ei tekitanud juhusliku protsessi kaudu unikaalseid algtingimusi, vaid pigem tekitasid kõikvõimalike algtingimuste kvantsuperpositsiooni üheaegselt, mille järel dekoherents põhjustas nende fluktuatsioonide käitumise sisuliselt klassikaliselt eraldi kvantiharudes. Nende kvantfluktuatsioonide ergodiline olemus (I B jaotis) tähendab seega, et tulemuste jaotus antud Hubble’i ruumalas III tasemel (erinevate kvantiharude vahel, nagu joonisel 3) on identne jaotusega, mille saate, kui proovite erinevaid Hubble’i ruumalasid ühe kvantiharu sees (I tase). Kui füüsikalised konstandid, ruumi-aja mõõtmed jne võivad varieeruda nagu II tasemel, siis varieeruvad need ka paralleelsete kvantiharude vahel III tasemel. Selle põhjuseks on see, et kui füüsika on ühtne, siis spontaanne sümmeetria rikkumise protsess ei tekita unikaalset (kuigi juhuslikku) tulemust, vaid pigem kõigi tulemuste superpositsiooni, mis kiiresti dekoheriseerub praktiliselt eraldi III taseme harudeks. Lühidalt öeldes ei lisa III taseme multiversum, kui see eksisteerib, midagi uut lisaks I ja II tasemele — lihtsalt rohkem eristamatuid koopiaid samadest universumitest, samu vanu süžeeliine, mis mängivad teistes kvantiharudes ikka ja jälle. Järelikult ei teeks Ockhamit õnnelikumaks ka veel nägemata mitteühtse efekti postuleerimine, et vabaneda III taseme multiversumist, pidades silmas Ockhami habemenuga.

Kirglik debatt Everetti paralleeluniversumite üle, mis on kestnud aastakümneid, näib seetõttu lõppevat suurejoonelise antiklimaksiga, kus avastatakse vähem vastuoluline multiversum, mis on sama suur. See meenutab kuulsat Shapley-Curtise debatti 1920. aastatel selle üle, kas galaktikaid (paralleeluniversumid selle aja standardite järgi) oli tõesti palju või ainult üks, torm veeklaasis nüüd, kui uurimistöö on liikunud teistesse galaktikaparvedesse, superparvedesse ja isegi Hubble’i ruumaladesse. Tagantjärele tunduvad nii Shapley-Curtise kui ka Everetti vaidlused positiivselt veidrad, peegeldades meie instinktiivset vastumeelsust oma silmaringi laiendada.

Üldine vastuväide on, et korduv hargnemine suurendaks universumite arvu aja jooksul eksponentsiaalselt. Universumite arv N võib aga hästi jääda konstantseks. “Universumite” arvu N all peame silmas arvu, mis on konna vaatenurgast eristamatu (linnu vaatenurgast on neid muidugi ainult üks) antud hetkel, st makroskoopiliselt erinevate Hubble’i ruumalade arvu. Kuigi neid on ilmselgelt tohutult palju (kujutage ette planeetide juhuslikesse uutesse kohtadesse viimist, kujutage ette, et olete abiellunud kellegi teisega jne), on arv N selgelt lõplik — isegi kui me pedantselt eristame Hubble’i ruumalasid kvanttasemel, et olla ülemäära konservatiivsed, on neid “v ainult” 115 umbes 1010 temperatuuriga alla 108 K, nagu eespool üksikasjalikult kirjeldatud. Lainefunktsiooni sujuv ühtne areng linnu vaatenurgast vastab nende N klassikalise universumi hetkepildi vahel lõputule libisemisele vaatleja konna vaatenurgast. Nüüd oled sa universumis A, selles, kus sa seda lauset loed. Nüüd oled sa universumis B, selles, kus sa seda teist lauset loed. Teisisõnu, universumis B on vaatleja, kes on identne universumis A oleva vaatlejaga, välja arvatud täiendav mälestuste hetk. Joonisel 5 leiab meie vaatleja end kõigepealt universumist, mida kirjeldab vasakpoolne paneel, kuid nüüd on olemas kaks erinevat universumit, mis sujuvalt sellega ühenduvad nagu B A-ga ja mõlemas neist ei ole ta teisest teadlik. Kujutage ette, et joonistate eraldi punkti, mis vastab igale võimalikule universumile, ja joonistate nooled, mis näitavad, millised neist konna vaatenurgast ühenduvad. Punkt võib viia unikaalselt ühe teise punkti või mitme punktini, nagu ülalpool. Samuti võivad mitmed punktid viia ühe ja sama punktini, kuna teatud olukorrad oleksid võinud tekkida mitmel erineval viisil. Seega hõlmab III taseme multiversum mitte ainult hargnevaid harusid, vaid ka ühinevaid harusid.

Ergodilisus tähendab, et III taseme multiversumi kvantseisund on invariantne ruumiliste translatsioonide suhtes, mis on ühtne operatsioon nagu aja translatsioon. Kui see on invariantne ka aja translatsiooni suhtes (seda saab korraldada, konstrueerides lõpmatute kvantseisundite superpositsiooni, mis on kõik ühe ja sama seisundi erinevad aja translatsioonid, nii et Suur Pauk juhtub erinevatel aegadel erinevates kvantiharudes), siis jääks universumite arv automaatselt täpselt konstantseks. Kõik võimalikud universumi hetkepildid eksisteeriksid igal hetkel ja aja möödumine oleks lihtsalt vaataja silmades — idee, mida uuriti ulmekirjanduslikus romaanis “Permutation City” (Egan 1995) ja arendasid edasi Deutsch (1997), Barbour (2001) ja teised.

Debatt selle üle, kuidas klassikaline mehaanika kvantmehaanikast välja tuleb, jätkub ja dekoherentsi avastus on näidanud, et selles on palju rohkem kui lihtsalt Plancki konstandi h̄ nullini kahandamine. Nagu joonis 7 illustreerib, on see vaid väike osa suuremast puslest. Tõepoolest, lõputu debatt kvantmehaanika tõlgenduse üle — ja isegi laiem küsimus paralleeluniversumitest — on teatud mõttes jäämäe tipp. Ulmekirjanduslikus paroodias “Pöidlaküüdi teejuht galaktikas” avastatakse, et vastus on “42” ja raske on leida tõelist küsimust. Küsimused paralleeluniversumite kohta võivad tunduda sama sügavad kui päringud reaalsuse kohta. Ometi on olemas veel sügavam küsimus: on kaks elujõulist, kuid diametraalselt vastupidist paradigmat füüsilise reaalsuse ja matemaatika staatuse kohta, dihhotoomia, mis ulatub vaieldamatult tagasi Platoni ja Aristoteleseni, ja küsimus on, kumb neist on õige.

• ARISTOTELESE PARADIGMA: Subjektiivselt tajutud konna vaatenurk on füüsiliselt reaalne ja linnu vaatenurk ja kogu selle matemaatiline keel on vaid kasulik lähendus.
• PLATONI PARADIGMA: Linnu vaatenurk (matemaatiline struktuur) on füüsiliselt reaalne ja konna vaatenurk ja kogu inimkeel, mida me selle kirjeldamiseks kasutame, on vaid kasulik lähendus meie subjektiivsete taju kirjeldamiseks.

Mis on elementaarsem — konna vaatenurk või linnu vaatenurk? Mis on elementaarsem — inimkeel või matemaatiline keel? Sinu vastus määrab, mida sa paralleeluniversumitest arvad. Kui sa eelistad Platoni paradigmat, peaksid sa leidma multiversumid loomulikena, sest meie tunne, et ütleme, et III taseme multiversum on “veider”, peegeldab lihtsalt seda, et konna ja linnu vaatenurgad on äärmiselt erinevad. Me murrame sümmeetria, nimetades viimast veidraks, sest meid kõiki õpetati lapsepõlves Aristotelese paradigmaga, kaua enne seda, kui me isegi matemaatikast kuulsime — Platoni vaade on omandatud maitse!

Teisel (Platoni) juhul on kogu füüsika lõppkokkuvõttes matemaatika probleem, sest lõpmatult intelligentne matemaatik, kellele on antud kosmose fundamentaalsed võrrandid, võiks põhimõtteliselt arvutada konna vaatenurga, st arvutada, milliseid eneseteadlikke vaatlejaid universum sisaldaks, mida nad tajuksid ja millise keele nad leiutaksid, et oma taju üksteisele kirjeldada. Teisisõnu on olemas “kõikteooria” (TOE) puu tipus joonisel 7, mille aksioomid on puhtalt matemaatilised, sest ingliskeelsed interpretatsioonipostulaadid oleksid tuletatavad ja seega üleliigsed. Aristotelese paradigmas ei saa seevastu kunagi olla TOE-d, sest keegi lihtsalt selgitab teatud verbaalseid väiteid teiste verbaalsete väidetega — seda tuntakse lõpmatu taandumise probleemina (Nozick 1981).