Mokslo ir technologijų pasaulis

Multivisatų hierarchija: 1 lygis 

Jei didysis sprogimas prasidėjo nuo infliacinio augimo periodo, turėjo susidaryti daugybė, panašių į mūsų, visatų – bet su skirtingu medžiagos išsidėstymu

Problemą kartu su kolegomis išsprendė kosmologas Alenas Gutas (Alan Guth) iš Masačiusetso technologijos instituto ir Endris Linde (Andrei Linde) iš Stenfordo universiteto Kalifornijoje. Pagal jų hipotezę, per visatos atsiradimo pirmas 10⁻³⁵ sekundės dalis pati erdvė išsiplėtė maždaug 10³⁰ kartų. Šis stulbinantis išsiplėtimas, vadinamoji infliacija, paaiškina vienodą KMF spinduliavimo temperatūrą ir išsprendžia kitą galvosūkį: kodėl erdvė atrodo plokščia, kaip trimatė begalinio stalo viršaus versija. Infliacija tapo labai sėkminga teorija, tiksliai numačiusia nedidelį KMF bangavimo netolygumą, kuris yra kvantinių perturbacijų, pasėjusių galaktikas ir žvaigždes, aidas.

Guto ir Linde pastangos paaiškinti mūsų visatą tiesiogiai nuvedė ir prie multivisatos, nes infliacija patogiai nesustojo toliausiuose regionuose iš kurių dabar mus pasiekia šviesa. Gutas sako, kad priklausomai nuo to, kaip vyko infliacija, visata gali būti 10¹⁰ kartų, 10²⁰ kartų ar net begalybę kartų didesnė už matomąją visatą. Infliacija reiškia plėtimąsi didesniu, nei šviesos greičiu, o tai savo ruožtu reiškia, kad už matomosios visatos ribų yra kitos visatos dalys, atskirtos nuo mūsiškės. Jokia sąveika negali keliauti tarp šių regionų, tad sukuriama begalybė kitų pasaulių.

Kaip jie atrodo? Maksas Tegmarkas (Max Tegmark), irgi kosmologas iš MIT, mano, kad nors infliacija nurodo esant daugybę visatų, visose yra tokios pačios dalelės, jėgos ir fizikos dėsniai, kaip ir mūsų kosmoso lopinėlyje. Bet nors elementarios dalelės sudaro žvaigždes ir galaktikas vienodai, kaimyninėje visatoje žvaigždžių ir galaktikų raštas bus kitoks, o kaimynų kaimynystėje vaizdas irgi skirsis. Tačiau Tegmarkas parodė, kad netgi jei tokia visata, kaip mūsiškė būtų užpildyta elementariosiomis dalelėmis, jos gali turėti tik baigtinį skaičių pozicijų variantų. Tai didžiulis skaičius, 2¹⁰¹¹⁸, bet kadangi nėra erdvės ribotumo ženklų, kiekvienam dalelių išsidėstymo variantui atsiras vietos.

Tai reiškia, kad jei keliautume pakankamai toli, surastume visatą, kurioje būtų identiška jūsų kopija. Tegmarkas paskaičiavo, kad artimiausia kopija gyvena už 10¹⁰²⁹ metrų. Keliaujant toliau, už 10¹⁰¹¹⁸ metrų atrastume mūsų visatos dvynę (arxiv.org/abs/0905.1283v1). Kadangi begalinėje visatoje yra begalybė variacijų, kažkur jūs ką tik laimėjote olimpinio 100 metrų bėgimo aukso medalį. Sveikiname!

Nors galaktikų gausa neišsemiama, jose nėra nieko egzotiško. Tegmarkas priskiria visatas, kylančias iš paprastos infliacijos ar kitaip, begalinio erdvės plėtimosi, pirmam iš keturių hierarchijos lygių, kurie darosi vis keistesni.

Paimkime antrą multivisatos lygį. Greitai po infliacijos atradimo Linde suprato, kad tai gali būti tęstinis arba amžinas procesas. Kai didžiulė tuščios erdvės energija sukuria besiplečiančią visatą, aplink ją esanti erdvė, vis dar kupina energijos, plečiasi dar sparčiau. Ta erdvė gali sukurti daugiau visatų, kurios savo ruožtu plečiasi ir taip toliau ir taip toliau. „Praktiškai visi aptarti infliacijos modeliai numato begalinę infliaciją,“ sako Aleksanderis Vilenkinas (Alexander Vilenkin) iš Taftso unversiteto Bostone, pirmasis pasiūlęs šią idėją devintame dešimtmetyje. Gutas vadina tai amžinais nemokamais pietumis.

Amžinai besiplečiančiame visatų švediškame stale yra begalybė ne tik pirmo lygio visatų, bet ir daug kitokių. Kiekviena visata pasuka savo keliu, tad savybės, kadaise laikytos universaliomis, pavyzdžiui, elementariųjų dalelių masės ir fundamentaliųjų jėgų stiprumas, skiriasi. Burbulinės visatos iš amžinojo plėtimosi turi visas variacijas, leidžiamas fizikos dėsnių, ir yra, anot Linde, „vienintelė vieta, kur prieinami visi įmanomi valgiai“.

Tos visatos yra Tegmarko multivisatų hierarchijos antrojo lygio dalis. Jame yra apie 10⁵⁰⁰ visatų rūšių, numatomų stygų teorijos, pirmaujančios pretendentės į „visko teoriją“, kuri galėtų paaiškinti visas gamtos daleles ir jėgas.

Dabartiniame dalelių fizikos Standartiniame modelyje yra parametrai, kurių reikšmes fizikai gali išmatuoti, bet negali paaiškinti, pavyzdžiui, elektrono masę. Stygų teorijos šalininkai tikėjosi, kad jų teorija paaiškins, kodėl tų parametrų reikšmės yra būtent tokios ir kodėl mūsų visata yra būtent tokia, kokia yra.

Jiems teko skaudžiai nusivilti. Užuot sukūrusi vieną tobulą snaigę – daleles, jėgas ir sąveikas, sudarančias mūsų visatos pagrindą – stygų teorija sukėlė visatų laviną, bauginančią plėtrą, kurią Leonardas Saskindas (Leonard Susskind), Stenfordo universiteto fizikos teoretikas, pavadino stygų teorijos peizažu.

Tas visatas atskiria jų erdvėlaikio prigimtis. Stygų teorijoje gamtos dalelės ir jėgos randasi iš plonyčių stygų virpėjimo dešimtyje matmenų. Mes jaučiame tik keturis matmenis, nes kiti yra „sukompaktinti“, sumegzti į mažas neišnarpliojamas struktūras, kurios yra per mažos, kad jas pajustume. Kiekvienoje visatoje pasireiškiantys fizikos dėsniai priklauso nuo suspaustųjų matmenų skaičiaus ir jų struktūros. Tyrėjai atrado daugybę įmanomų formų, sąveikaujančių su stygų teorijos laukais ir apibūdinančių daugybę visatų su nepažįstamais fizikos dėsniais ir radikaliai skirtingomis jėgomis ir dalelėmis.

Amžina infliacija suteikė įtikimą kiekvieno stygų teorijos peizažo taško užpildymo begalybe tikrų visatų mechanizmą. „Iš pradžių stygų teorijos kūrėjams nepatiko multivisatos idėja, jie norėjo turėti tik vieną sprendinį, vietoje to gavo 10⁵⁰⁰,“ sako Linde. „Reikia išsiaiškinti, kaip gyventi visatoje, siūlančioje tokią gausybę pasirinkimų.“

Išsiaiškinimas, kodėl mūsų visata yra tokia, kokia yra, kai egzistuoja nesuskaičiuojama gausybė alternatyvų, lieka vienu iš didžiausių kosmologijos iššūkių. Mūsų visata atrodo nepaaiškinamai tiksliai suderinta gyvybei būtinų sąlygų atsiradimui. Jei gravitacija būtų šiek tiek stipresnė, didysis sprogimas būtų tik mažas pokštelėjimas. Silpnesnė gravitacija nepajėgtų sukurti galaktikų ir žvaigždžių. Jei elektrono krūvis skirtųsi keliais procentais, žvaigždės nebūtų sukūrusios sunkiųjų elementų, sudarančių planetas, panašias į Žemę. Jei stiprioji sąveika skirtųsi puse procento, neegzistuotų anglis, tuo pačiu ir mums pažįstama gyvybė. Tiksliųjų suderinimų sąrašą vainikuoja mūsų visatos mažoji kosmologinė konstanta – kruopelė tamsiosios energijos, sukeliančios spartėjantį visatos plėtimąsi.

Dešimto dešimtmečio pabaigoje padarytas atradimas, kad visatos plėtimasis spartėja, šokiravo daugelį kosmologų. Kvantinė teorija numato maždaug 10¹²⁰ kartų didesnį tamsiosios energijos lygį, nei buvo aptiktas. Kadangi tai susprogdintų visatą į skutelius, daugelis tyrėjų nusprendė, kad kažkokia neatrasta simetrija turėtų neutralizuoti šį didžiulį skirtumą, ir kosmologinė konstanta būtų lygi nuliui. Niekas nenuspėjo, kad ji nėra nulis, išskyrus vieną žmogų.

Dešimtmečiu anksčiau Nobelio premijos laureatas fizikos srityje Styvenas Vainbergas (Steven Weinberg) iš Teksaso universiteto Ostine, numatė mažą teigiamą kosmologinę konstantą. Tai kilo dėl antropinio principo, kurio taikymas vis dar karštai diskutuojamas. Vainbergas (Weinberg) svarstė, jog tam, kad visata sukurtų galaktikas – tuo pačiu žvaidždes, planetas ir stebėtojus – tamsiosios energijos kiekis turėjo būti tam tikrose ribose, kad būtume čia ir galėtume jį išmatuoti. Tokiomis savybėmis pasižymi tik dalis multivisatos visatų. Šis tikimybinis būdas leido Vainbergui nuostabiai tiksliai numatyti kosmologinės konstantos dydį.

„Kosmologinės konstantos atradimas buvo vienas iš netikėčiausių praėjusio šimtmečio atradimų, ir jį numatė multivisatos teorija,“ sako Vilenkinas. „Tad tai yra netiesioginis įrodymas, kad gyvename multivisatoje.“

Nuo tada kiti tyrėjai naudojo antropinį priežastingumą tamsiosios energijos kiekio, tamsiosios materijos santykiui su įprastine materija ir elementarių dalelių, pavyzdžiui, neutrinų ir kvarkų masių nustatymui. Antropinio principo naudojimas, regis, gali paaiškinti tą paslaptingąjį tikslų suderinimą. Išties, jis gali būti vieninteliu būdu tai atlikti. „Jei dėsniai ir fizikos konstantos kitur yra kitokios“, svarsto Martinas Rysas (Martin Rees), astronomas iš Kembridžo universiteto, „neina to išvengti.“

Deja, tokio principo taikyme, siekiant išsiaiškinti mūsų visatos vietą multivisatoje, yra kabliukas: įprastos tikimybių taisyklės gali netikti, tad ir įvertinti visatų, panašių į mūsiškę, skaičių neįmanoma. „Yra be galo daug vietų, kur laimite loteriją ir be galo daug, kur ne. Tad kuo remiantis galite sakyti, kad laimėjimas loterijoje nėra tikėtinas?“ sako Buso. „Tai traukia kilimą iš po kojų, siekiant įrodyti teorijos teisingumą ar klaidingumą.“

Šią „matavimo problemą“ galbūt jau išsprendė Buso ir jo studentas I-Sheng Yang, iš Kolumbijos universiteto. Jie atsikratė rūpestį keliančių begalybių, išvesdami visatos parametrus iš vietinių „priežastinių lopinėlių“ – visko, su kuo stebėtojas gali sąveikauti. Jų suskaičiuotos tikimybės atitiko tas, kurias, remdamiesi kitu principu, pirmiausia suskaičiavo Vilenkin ir Chome Gariga (Jaume Garriga) iš Barselonos universiteto Ispanijoje, pirmą kartą suteikdami multivisatos spėjimams tai, kas galėtų būti tvirtas pagrindas (New Scientist, 6 March 2010, p 28).

Teoretikams daug pasiekus kosmologinių multivisatų pažinime, lieka kiti du Tegmarko hierarchijos lygmenys. Trečiojo lygio šaknys glūdi kvantų teorijoje. Fizikai pripažįsta, kad kvantinė mechanika veikia puikiai. Ji, pavyzdžiui, gali būti naudojama, matuojant elektrono magnetinio momento reikšmę vienos dalies iš milijardo tikslumu. Tačiau jie dar nesutaria, ką tai reiškia. Kvantinėje realybėje dalelės neegzistuoja, kaip diskretūs objektai, į kuriuos galima besti pirštu, o kaip „tikimybės bangos“. Tai evoliucija bangų, leidžiančių kvantų fizikams numatyti, kaip elektronai gaubia atomą, kaip sąveikauja kvarkai ir gliuonai ir netgi, kaip tokie dideli objektai, kaip bakminsterio fulereno molekulės sąveikauja su šviesa. (New Scientist, 8 May 2010, p 36).

Svarbiausia, kas nutinka objekto tikimybės bangai – jo bangos funkcijai – kai kas nors ją išmatuoja. Nilsas Boras (Niels Bohr), kvantų mechanikos kūrėjas, tvirtino, kad banginės funkcijos stebėjimas priverčia ją išnykti ir dalelę atsirasti tikslioje vietoje ir laike. Tai, pasak jo, paaiškina, kodėl mes iš begalybės galimybių, įkūnytų bangos funkcijoje, matome tik vieną baigtį.

Tačiau Boro interpretacija buvo ilgai kritikuota už teiginį, kad niekas netampa realybe, kol kas nors to nepastebi. Šeštajame dešimtmetyje tokie teiginiai pastūmėjo Hju Everetą (Hugh Everett), tada dar Prinstono universiteto studentą, ištirti, kas atsitiktų, jeigu jis atmestų Boro teiginį. Kai Everetas įsivaizdavo pagal kvantų teorijos matematiką didingai besiritančią bangos funkciją, jis padarė stulbinančią ir kontraversišką išvadą. Žinoma, kaip „daugelio pasaulių“ interpretacija, ji numato mūsiškei paralelių visatų spiečius, kuriose gali įvykti visos tikimybės.

Ar tie paraleliniai pasauliai realūs? Tokie pat realūs, kaip dinozaurai, tvirtina Deividas Doičas (David Deutsch), kvantų fizikas iš Oksfordo universiteto. „Mes matėme tik fosilijas ir dinozaurai yra vienintelis racionalus jų paaiškinimas,“ sako jis. „Daugelio pasaulių idėja yra vienintelis racionalus stebimų kvantinių reiškinių paaiškinimas. Manau, jis toks pat tikėtinas, kaip dinozaurai.“

Kvantų teorijos paraleliniai pasauliai ir multivisatos, sukurtos amžinojo plėtimosi, regis, negali turėti ką nors bendro. Tačiau teoretikai pradėjo tyrinėti idėją, kad kvantinis ir infliacinis peizažas yra vienas ir tas pats (New Scientist, 4 June, p 8). Buso ir Saskindas teigia, kad jie sukuria vienodą paralelinių visatų rinkinį. „Abu ilgai manėme, kad multivisatos idėja ir daugelio pasaulių idėja yra pertekliniai to paties dalyko apibūdinimai,“ sako Saskindas. Tad anksčiau šiais metais jis ir Buso sukūrė nuoseklų kvantinių taisyklių taikymo būdą multivisatai. Besiplečianti multivisata paprasčiausiai yra visų, kvantų mechanikos leidžiamų, burbulinių visatų kolekcija. „Kvantų mechanikos virtualios realybės tampa tikromis multivisatos realybėmis,“ apibendrina Saskindas.

Tegmarkas taip pat prilygina begalinius mūsų visatos variantus kvantų pasaulių begalybei. „Vienintelis skirtumas tarp pirmo ir trečio lygio visatų yra tai, kur gyvena jūsų antrininkas.”

Paminėtosios multivisatos mūsų visatos rangą pažemina iki akmenuko didžiuliame lauke lygio, tačiau bent jau leidžia jai būti realia. Filosofas Nikas Bostromas (Nick Bostrom) iš Oksfordo universiteto eina toliau, teigdamas, kad mūsų visata gali būti tik pažangios civilizacijos superkompiuteryje vykdoma simuliacija.

Jo argumentas paprastas. Ilgai gyvuojančios civilizacijos turės praktiškai neribotus skaičiavimo pajėgumus. Kai kurios iš jų vykdys „protėvių simuliacijas“, atkuriančias jų protėvius ar kitas būtybes. Taip, kaip milijonai mūsų žaidžia vaizdo žaidimus, pavyzdžiui, „The Sims“, taip ir pažangesnės už žmoniją civilizacijos tikriausiai žaistų įvairias simuliacijas, tad tikėtina, kad esmae vienoje iš jų. Bostromas abejoja, kad rasime mūsų buvimo ar nebuvimo simuliacijoje įrodymų. Jis teigia, kad pažangi civilizacija, pakankamai protinga, kad sukurtų tokią simuliaciją, pirmiausia apsidraustų nuo to, kad simuliacijoje esantys žmonės tai pastebėtų, arba ištrintų įkalčius. Tegmarkas šį ir keletą dar spekuliatyvesnių spėjimų priskiria ketvirtajam multivisatų lygiui.

Galime nesugebėti patikrinti ar atmesti simuliacijos teoriją, bet kaip dėl kitų multivisatų rūšių? Teoretikai nurodo keletą būdų, kuriais kitos visatos galėjo palikti matomus ženklus. Pavyzdžiui, amžinai besiplečiančios burbulinės visatos gali susidurti. Viena to pasekmių gali būti anihiliacija. „Jei esate burbule ir siena greitėja jūsų pusėn, tai blogos naujienos,“ sako Metju Klybanas (Matthew Kleban), fizikos teoretikas iš Niujorko universiteto. Bet kartais burbulai prasilenkia, palikdami išdavikišką pėdsaką kosminiame mikrobangų fone (KMF). Klybanas su kolegomis paskaičiavo tokio pėdsako detales – simetriška tam tikro dydžio dėmė, išsiskirianti iš aplinkos kitokia temperatūra ir poliarizacija (arxiv.org/abs/1109.3473).

Kai kas panašaus KMF jau buvo stebėta, bet Klybanas pripažįsta, kad susidūrimo įkalčiai dar silpni. Tačiau, sako jis, susidūrimą gali patvirtinti dabar KMF tiriančio „Planck“ palydovo ar kitų misijų duomenys. Toks atradimas sukeltų naują Koperniko revoliuciją. „Tai parodytų, kad esame burbule tarp daugybės kitų burbulų su kitokiais fizikos dėsniais,” tęsia Klybanas. „Tai būtų labai labai svarbus atradimas.“

Kvantų mechanika numato, kad atsirandančios visatos iš pradžių būna kvantiškai susietos (angl. entangled). Šis ankstyvasis susietumas gali turėti ilgai liekančių ženklų. „Vos tik suradus fizikinį mechanizmą, parodantį, kaip gimsta visata, tuojau pat atsiranda daugybė numatymų, kaip ta visata turi atrodyti vėliau,“ pastebi Laura Mersini-Hoton (Laura Mersini-Houghton), kosmologė iš Šiaurės Karolinos universiteto Čapelhile. Tuo remdamasi, ji su kolegomis padarė keturis spėjimus, kurie visi pasitvirtino, sako ji.

Vienas iš šių spėjimų buvo didžiulė tuštuma mūsų visatoje. Duomenys iš NASA palydovo WMAP ir „Sloan Digital Sky Survey“ rodo, kad kažkas panašaus yra Eridano žvaigždyne (New Scientist, 24 November 2007, p 34). Jie numatė ir tai, kad vidutinis KMF intensyvumas turėtų būti apie 20% mažesnis, nei numatytas pagal infliaciją ir, stebėtina, kad viskas mūsų visatoje slenka viena kryptimi. „Tai buvo taip neįprasta, kad niekas nepatikėjo,“ prisimena Mersini-Hoton, „bet tai buvo patvirtinta“ (New Scientist, 24 January 2009, p 50).

Jos grupės kontraversiškiausias spėjimas susijęs su dalelių fizika. Daugelis fizikų tikisi, kad Ženevoje veikiančiame LHC vykstantys dalelių susidūrimai atskleis pirmus naujos gamtos simetrijos, vadinamosios supersimetrijos, ženklus. Laikomai stygų teorijos kertiniu akmeniu, supersimetrijai reikia, kad kiekviena Standartinio modelio dalelė turėtų dar neatrastą masyvų partnerį. Daugelis tyrėjų mano, kad LHC sukuriamos energijos pakanka šių pabaisų sukūrimui.

Tačiau Mersini-Hoton numatė, kad tam reikėtų 10 000 kartų didesnės energijos. Kol kas supersimetrijos ženklų nepasirodė (New Scientist, 19 March, p 10). Nors kai kurie tyrėjai yra suintriguoti, daugelis renkasi laukimo poziciją dėl ambicingo kvantų mechanikos taikymo multivisatai.

Teoretikai pradėjo tirti kitus patikrinamus spėjimus, kylančius iš skirtingų rūšių multivisatų. Tarp jų – tikrinimas ar erdvė yra plokščia ar truputį išlenkta, bei dalelės ir jėgos, kurių nenumato Standartinis modelis ar supersimetrija (New Scientist, 19 July 2008, p 36).

Praėjus trims dešimtmečiams po koncepcijos atsiradimo, daugelis tyrėjų sutinka, kad bent kai kurios multivisatos turi tvirtą teorinį pagrindą, daro spėjimus, kuriuos astronomai ir dalelių fizikai gali patikrinti ir padeda paaiškinti, kodėl mūsų visata yra tokia, kokia yra. Tačiau, sako Buso, multivisatos egzistuoja mokslo fronto priešakinėse linijose. „Niekada užtikrintai nežinai nieko, kai darbuojiesi ant žinojimo ribos,“ sako jis. „Bet jei nemanyčiau, kad tai geriausias spėjimas, nebūčiau tam švaistęs savo laiko.“ Saskindas sutinka, bet priduria: „Esame dar toli gražu nuo klausimų pabaigos. Siurprizų bus.”