Mokslo ir technologijų pasaulis

„Šaltoji dėmė“ gali būti įrodymas, kad mūsų visata yra tik viena iš daugelio kitų muilo burbulų visatų.

1964 m. fizikai Arno Penzias ir Robertas Wilsonas dirbo „Bell Labs“ Holmdelyje (Naujasis Džersis), kurdami itin jautrius mikrobangų imtuvus radijo astronomijos stebėjimams.

Nesvarbu, ką jiedu bedarė, jie niekaip negalėjo izoliuoti imtuvų nuo foninio radijo triukšmo, kuris, mįslingai atrodė, sklido iš visų pusių. Penziasas susisiekė su Prinstono universiteto fiziku Robertu Dicke, kuris pasiūlė, kad radijo triukšmas gali būti kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė (CMB), kuri yra pirminė mikrobangų spinduliuotė, užpildanti visatą.

Ir tai yra CMB atradimo istorija. Už atradimą Penziasas ir Wilsonas 1978 m. gavo Nobelio fizikos premiją ir ne veltui. Jų darbas mus įvedė į naują kosmologijos amžių, leidžiantį mokslininkams tyrinėti ir suprasti mūsų visatą kaip niekad anksčiau.

Tačiau šis atradimas taip pat padarė vieną nuostabiausių atradimų per pastarąją istoriją: unikalūs CMB bruožai gali būti pirmasis tiesioginis įrodymas apie multivisatas – begalę pasaulių ir svetimų civilizacijų, egzistuojančių už mums žinomos visatos ribų.

Tačiau norint tinkamai suprasti šį nepaprastą teiginį, pirmiausia reikia grįžti į erdvės ir laiko pradžią.

Visatos istorija

Pagal plačiai pripažintą mūsų visatos atsiradimo teoriją, pirmuosius kelis šimtus tūkstančių metų po Didžiojo sprogimo mūsų visata buvo užpildyta itin karšta plazma, susidedančia iš branduolių, elektronų ir fotonų, kurie skleidė šviesą.

Maždaug 380 000 metų po Didžiojo sprogimo, besiplečiant mūsų visatai, ji atvėso žemiau 3000 K temperatūros, o tai leido elektronams susijungti su branduoliais, kad susidarytų neutralūs atomai, o laisvųjų elektronų absorbcija leido šviesai apšviesti tamsą.

Penziaso ir Wilsono aptikta kosminė mikrobangų foninė spinduliuotė (anksčiau minėta CMB) padėjo išvystyti Didžiojo sprogimo kosmologijos teoriją.

Praėjus dar keliems milijardams metų, besitęsiantis plėtimasis mūsų visatą atvėsino iki maždaug 2,7 K temperatūros, tačiau ta temperatūra nėra vienoda. Temperatūros skirtumai kyla dėl to, kad materija nevienodai pasiskirsto visatoje. Manoma, kad tai lemia nedideli kvantinio tankio svyravimai, įvykę iškart po Didžiojo sprogimo.

Viena vieta, ypač matoma iš pietinio pusrutulio Eridano žvaigždyne, yra ypač šalta, maždaug 0,00015 laipsnių šaltesnė nei jo apylinkės. Iš pradžių mokslininkai manė, kad „šaltąja dėme“ („Cold Spot“) praminta zona, yra supervoidas – sritis, kurioje yra daug mažiau galaktikų nei įprastai.

Galiausiai, 2017 m. Jungtinės Karalystės Durhamo universiteto ekstragalaktinės astronomijos centro mokslininkai paskelbė tyrimus, kurie, jų teigimu, rodo, kad vis dėlto „šaltoji dėmė“ nėra supervoidas.

O kas tai? Tai gali būti svetimų visatų įrodymas.

Durhamo profesorius Tomas Shanksas pasiūlė „egzotiškesnį“ „šaltosios dėmės“ paaiškinimą. Savo darbe Shanksas teigė, kad „šaltąją dėmę“ „sukėlė mūsų visatos ir kitos burbulinės visatos susidūrimas ... „Šaltąją dėmę“ galima laikyti pirmuoju įrodymu apie multivisatą – milijardai kitų visatų gali egzistuoti kaip mūsų pačių visata".

Anksčiau fizikai, tarp jų Anthony Aguirre'as, Mattas Johnsonas ir Mattas Klebanas, atkreipė dėmesį, kad susidūrus mūsų burbulo visatai ir kitam burbului multivisatoje, iš tikrųjų susidarys kosminės foninės spinduliuotės atspaudas. Be to, jie pažymėjo, kad ji atrodys kaip apvali dėmė, turinti didesnį arba mažesnį radiacijos intensyvumo lygį.

Atrodo, kad Shankso teorija galėtų būt teisinga, tačiau ar ši savybė tikrai gali būti begalybės multivisatų įrodymas?

Multivisatos dėsniai

Šiandien yra trys pagrindinės teorijos, paaiškinančios, kaip gali veikti multivisata: Kopenhagos interpretacija, „daugybė pasaulių“ arba „bangų funkcijos atšakų“ interpretacija ir stygų teorijos „lygiagrečios branos“.

Šį kartą stygų teoriją paliksime šone ir sutelksime dėmesį į kitus du paaiškinimus.

Visų galimų būsenų, kuriose objektas gali egzistuoti, suma vadinama nuoseklia objekto superpozicija (coherent superposition), ir ją sudaro tai, kas vadinama objekto „bangos funkcija“.

Kvantinei mechanikai reikalinga sklandi, visiškai deterministinė bangų funkcija – matematinė išraiška, kuri perduoda informaciją apie dalelę daugybės galimybių forma dėl jos vietos ir charakteristikų. Tam taip pat reikia kažko, kas realizuotų vieną iš tų galimybių ir pašalintų visas kitas.

Apie tai, kaip tai vyksta, nuomonės skiriasi, tačiau dažniausiai pasitaikančioje teorijoje, vadinamoje Kopenhagos interpretacija, tai įvyksta stebint bangos funkciją arba bangos funkcijai susiduriant su kokia nors „klasikinio“ pasaulio dalimi. Tai sukelia tikimybės arba bangos funkcijos „subyrėjimą“ ir priverčia dalelę pereiti į vieną konkrečią būseną.

Kopenhagos interpretaciją 1920 m. parengė fizikai Nielsas Bohras ir Walteris Heisenbergas, kurie teigė, kad dalelė neturi materialios egzistencijos, kol ji nėra matuojama (stebima).

1935 m. Austrijos ir Airijos fizikas Erwinas Schrödingeris su savo garsiuoju minties eksperimentu, žinomu kaip „Schrödingerio katė“, suformulavo Kopenhagos interpretacijos problemą.

Šio teorinio eksperimento metu katė dedama į sandarią dėžę kartu su trupučiu radioaktyvios medžiagos ir Geigerio skaitikliu. Jei Geigerio skaitiklis nustato radioaktyvios medžiagos skilimą, tai sukelia nuodingų dujų išsiskyrimą, kuris užmuša katę.

Kol dėžutė yra užplombuota, katė yra superpozicijoje: gyva, ir mirusi tuo pačiu metu. Tik atidarius dėžę, katė yra priversta pereiti į vieną ar kitą būseną. Schrödingeris pabrėžė, kad tai buvo juokinga ir, kad kvantinė superpozicija negalėjo veikti su dideliais daiktais, tokiais kaip katės, nes neįmanoma, kad organizmas būtų vienu metu gyvas ir miręs. Taigi jis samprotavo, kad Kopenhagos interpretacija turi būti iš esmės klaidinga.

Tęsinys kitame puslapyje:

Buvo pasiūlyta keletas Kopenhagos interpretacijos alternatyvų. Pavyzdžiui, „paslėptų kintamųjų“ požiūris, kurį, be kita ko, plėtojo Albertas Einšteinas ir Davidas Bohmas, siūlo, kad bangos funkcija būtų traktuojama kaip laikina teorija, kol fizikai galų gale ras ką nors geresnio. Vėliau, Heisenbergas pasiūlė, kad problema susijusi su pačia mūsų tikrovės samprata. Jis pasiūlė, kad bangos funkcija atspindi „tarpinį“ tikrovės lygį.

Paprasčiausias požiūris gali būti „daugelio pasaulių“ aiškinimas (MWI), kurį 1957 m. pirmą kartą išdėstė Prinstono universiteto magistrantas Hughas Everettas. Everettas mokėsi fizikos pas Johną Archibaldą Wheelerį, kuris numatė, kad visata yra kaip kvantinių subatominių svyravimų sritis, kurią jis pavadino „kvantinėmis putomis“.

Disertacijoje, pavadintoje „Visuotinės bangos funkcijos teorija“, Everettas teigė, kad universali bangos funkcija yra tikra ir nesugriūna, kaip buvo aiškinama Kopenhagos interpretacijoje. Tokiu atveju kiekvienas įmanomas kvantinio matavimo rezultatas realizuojamas kuriame nors „pasaulyje“ ar visatoje, ir pagal tokią logiką turi būti labai didelis arba begalinis visatų skaičius.

Vis dėlto, Everetto daugybės pasaulių kvantinės fizikos interpretacija sulaukė mažai palaikymo iš platesnės fizikos bendruomenės.

Stephenas Hawkingas ir multivisata

Garsaus britų fiziko Stepheno Hawkingo, mirusio 2018 m. kovo 14 d., paskutinis mokslinis darbas, paskelbtas likus vos 10 dienų iki jo mirties, parašytas kartu su teorinės fizikos profesoriumi KU Leuveno universitete Belgijoje Thomas Hertogu, buvo susijęs su multivisata.

Straipsnyje pavadinimu „Sklandus išėjimas iš amžinos infliacijos?" Hawkingas ir Hertogas pasiūlė, kad spartus erdvės ir laiko išplėtimas po Didžiojo sprogimo galėjo atsitikti pakartotinai, sukurdamas daugybę visatų.

Tai buvo infliacijos teorijos išplėtimas, šiuo metu galiojanti teorija, kad Didysis sprogimas iš tikrųjų nebuvo pradžia. Infliacijos teorija sako, kad iki Didžiojo sprogimo Visata buvo užpildyta energija, kuri buvo pačio kosmoso dalis, ir ta energija privertė kosmosą plėstis eksponentiniu greičiu. Būtent ta energija ir sukėlė Didįjį sprogimą.

Tačiau kadangi infliacija, kaip ir visa kita, yra kvantinio pobūdžio, ji turėjo pasibaigti skirtingais laikais skirtingose ​​vietose, o tarpas tarp vietų toliau didėjo. Tai savo ruožtu reiškia, kad būtų erdvės regionų, kuriuose infliacija baigiasi ir prasideda Didysis sprogimas, tačiau šie regionai niekada negali susidurti vienas su kitu, nes juos skiria besiplečiančios erdvės regionai.

Interviu Hawkingas paaiškino savo susirūpinimą dėl infliacijos teorijos, sakydamas: „Įprasta amžinos infliacijos teorija prognozuoja, kad visame pasaulyje mūsų visata yra tarsi begalinis fraktalas, su skirtingų kišeninių visatų mozaika, kurią skiria besiplečiantis vandenynas. Vietiniai fizikos ir chemijos dėsniai gali skirtis tarp skirtingų kišeninių visatų, kurios kartu sudaro multivisatą. Bet aš niekada nebuvau multivisatos gerbėjas. Jei skirtingų visatų mastai multivisatoje yra dideli arba begaliniai, teorijos negalima patikrinti “.

Vietoj to, jis su kolega prognozuoja, kad visata, bent jau didžiausiomis skalėmis, iš tikrųjų yra lygi ir baigtinė. Jų teorijoje naudojama holografijos sąvoka, apibūdinanti, kaip fizinę tikrovę tam tikrose 3D erdvėse galima matematiškai sumažinti iki 2D projekcijų ant paviršiaus. Naudodamiesi šia koncepcija, jie sugebėjo amžiną infliaciją sumažinti iki belaikės būsenos, apibrėžtos erdviniame paviršiuje pačio laiko pradžioje.

Tada Hertogas ir Hawkingas naudojo savo naują teoriją, norėdami numatyti, kad visatos, atsirandančios dėl amžinos infliacijos, iš tikrųjų yra ribotos ir daug paprastesnės nei begalinės fraktalų struktūros, numatytos esamos amžinos infliacijos teorijos.

Hawkingas paaiškino, kad „mes nesame vienoje, unikalioje visatoje, tačiau mūsų išvados reiškia reikšmingą multivisatos sumažėjimą iki daug mažesnio galimų visatų diapazono“.

Tai daro teoriją ne tik labiau nuspėjamą, bet ir patikrinamą.