Shutterstock
Kosmos

Wszystko zdarza się sto razy

Być może nie żyjemy w pojedynczym Wszechświecie, ale w ogromnym zbiorze wszechświatów, zwanym wieloświatem. Koncepcja ta może być zgodna z liczącą 60 lat interpretacją fizyki w najdrobniejszych skalach.

Wielu kosmologów uważa, że to, co nazywamy Wszechświatem, może być tylko drobna częścią znacznie większej struktury – wieloświata. Zgodnie z ta koncepcja istnieje wiele wszechświatów, a zasady, które uznaliśmy kiedyś za podstawowe prawa fizyki, są w każdym z nich różne. Dla przykładu, rodzaje i własności cząstek elementarnych w każdym wszechświecie mogą być odmienne.

Koncepcja wieloświata wynika z hipotezy, że bardzo młody Wszechświat rozszerzał się eksponencjalnie. W tym okresie, zwanym „inflacja”, w niektórych obszarach przestrzeni gwałtowna ekspansja ustała wcześniej niż gdzie indziej; w ten sposób powstały „wszechświaty bąbelkowe” – zupełne jak bąbelki we wrzącej wodzie. Nasz Wszechświat byłby jednym z tych bąbelków, a oprócz niego byłoby nieskończenie wiele innych. Koncepcja, że cały nasz Wszechświat jest tylko częścią znacznie większej struktury, nie jest sama w sobie aż tak dziwaczna, jakby się mogło wydawać. Dotychczas naukowcy wielokrotnie stwierdzali, że świat, który widzimy swoimi oczami, różni się znacznie od prawdziwego. Jednakże idea wieloświata, z nieograniczona liczba wszechświatów bąbelkowych, stanowi poważny problem teoretyczny: wydaje się, że hipoteza inflacji nie ma zdolności predykcyjnych – a taki jest podstawowy wymóg każdej użytecznej teorii. Według jednego z twórców teorii inflacji, Alana Gutha z Massachusetts Institute of Technology, „we wszechświecie, w którym zachodzi wieczna inflacja, wszystko, co może się zdarzyć, rzeczywiście się zdarzy – a faktycznie zdarzy się nieskończoną liczbę razy”.

Dla wszechświata pojedynczego, w którym zjawiska zachodzą skończona liczbę razy, naukowcy mogą obliczyć względne prawdopodobieństwo pewnego zdarzenia względem jakiegoś innego, porównując, ile razy wystąpi jedno i drugie. Jednakże dla wieloświata, w którym wszystko zdarza się nieskończoną liczbę razy, takie obliczenia nie są możliwe i nie można stwierdzić, że coś jest bardziej prawdopodobne od czegoś innego. Można przewidzieć dowolny fakt i w którymś z wszechświatów na pewno się on wydarzy, ale nie mówi to nic o tym, co się będzie dziać w naszym własnym Wszechświecie.

Fizycy od dawna martwią się brakiem mocy przewidywania. Niektórzy badacze, łącznie ze mną, stwierdzili ostatnio, że, paradoksalnie, teoria kwantowa – która, w odróżnieniu od koncepcji wieloświata, zajmuje się najmniejszymi istniejącymi cząstkami – może wskazać drogę do rozwiązania problemu. Konkretnie, kosmologiczny obraz wiecznej inflacji wieloświata może być równoważny matematycznie jednej z interpretacji mechaniki kwantowej – tak zwanej „interpretacji wielu światów” – która usiłuje wyjaśnić fakt, że cząstka wydaje się pojawiać w wielu miejscach równocześnie. Jak zobaczymy, taki związek obu hipotez nie tylko rozwiązuje problem przewidywalności, ale może tez ujawnić zdumiewające zasady rządzące czasem i przestrzenia.

Wiele światów kwantowych

Na koncepcje odpowiedniości dwóch hipotez wpadłem po przeanalizowaniu zasad interpretacji wielu światów. Pomysł ten powstał w celu wyjaśnienia pewnych najdziwniejszych aspektów fizyki kwantowej. W świecie kwantowym – który wymyka się naszej intuicji – zasada przyczyny i skutku działa odmiennie niż w świecie makroskopowym, a wynik każdego procesu ma zawsze charakter probabilistyczny. W doświadczeniu makroskopowym możemy przewidzieć, dokąd doleci piłka, jeśli tylko znamy punkt, z którego ja wyrzucono, prędkość początkową i kilka innych czynników. Gdyby jednak piłka była cząstka kwantowa, moglibyśmy tylko stwierdzić, jaka jest szansa, że dotrze ona w jedno miejsce, a jaka, że w inne. Tej sytuacji nie zmieniłaby lepsza znajomość cech piłki, ruchów powietrza i innych szczegółów – jest to wewnętrzna cecha świata kwantowego. Dokładnie ta sama piłka, rzucana w dokładnie takich samych warunkach, czasami trafi w punkt A, a czasami w punkt B. Może się to wydawać dziwne, ale prawa mechaniki kwantowej zostały potwierdzone przez niezliczone doświadczenia i są prawdziwym opisem działania natury w skali subatomowych cząstek i sił.

W ultragłębokim polu Hubble’a widać galaktyki odległe nawet o 13 mld lat świetlnych. Obiekty znajdujące sią znacznie dalej są dla nas nieosiągalne, ponieważ wraz z ekspandujacą przestrzenią uciekają od nas z predkoscią wiekszą niz prędkość światła. Tak zwany horyzont kosmologiczny ma wielkie znaczenie dla modelu wieloświata.NASA, ESA, S. BECKWITHA STScI I THE HUBBLE DEEP FIELD TEAM/Scientific AmericanW ultragłębokim polu Hubble’a widać galaktyki odległe nawet o 13 mld lat świetlnych. Obiekty znajdujące sią znacznie dalej są dla nas nieosiągalne, ponieważ wraz z ekspandujacą przestrzenią uciekają od nas z predkoscią wiekszą niz prędkość światła. Tak zwany horyzont kosmologiczny ma wielkie znaczenie dla modelu wieloświata.

W świecie kwantowym piłka, po wykonanym rzucie, ale jeszcze zanim stwierdzimy, gdzie wylądowała, znajduje się w tak zwanej superpozycji stanów wyjściowych A i B. Oznacza to, że nie jest ani w punkcie A, ani w punkcie B, ale w probabilistycznej mgle obu punktów (a także wielu innych). Kiedy jednak na nią spojrzymy i będziemy wiedzieć, że jest w jakimś miejscu – na przykład w punkcie A – to każdy, kto interesuje się piłka, również stwierdzi, że jest ona w punkcie A. Innymi słowy, zanim przeprowadzimy pomiar układu kwantowego, wynik doświadczenia jest niepewny, ale później wszystkie kolejne pomiary będą dawać ten sam wynik co pierwszy.

W konwencjonalnym podejściu do mechaniki kwantowej, zwanym interpretacja kopenhaska, uważa się, że pomiar zmienił stan układu z superpozycji stanów w stan A. Jednakże interpretacja kopenhaska, mimo że dzięki niej można przewidzieć wyniki doświadczeń laboratoryjnych, prowadzi do trudności koncepcyjnych. Czym tak naprawdę jest „pomiar” i dlaczego jest on w stanie zmienić stan układu z superpozycji różnych możliwości w pojedynczą pewność? Czy zmiana zachodzi, gdy na układ patrzy pies albo mucha? A co się dzieje, kiedy cząsteczka powietrza oddziałuje z układem, co zapewne dzieje się cały czas, choć nie traktujemy tego jako pomiar mogący wpłynąć na wynik? Czy też ludzie, świadomie badający stan układu, maja jakieś szczególne znaczenie?

W 1957 roku Hugh Everett, który podówczas był doktorantem na Princeton University, opracował interpretacje wielu światów, która elegancko rozwiązuje ten problem, choć początkowo była wyśmiewana, a i obecnie jest mniej popularna niż interpretacja kopenhaska. Kluczowym pomysłem Everetta było przyjęcie, że stan układu kwantowego odzwierciedla stan całego Wszechświata, dlatego w kompletnym opisie pomiaru musimy uwzględnić obserwatora. Innymi słowy, nie możemy rozważać w izolacji piłki, dłoni, która ja rzuca, i wiatru – musimy także uwzględnić osobę, która sprawdza miejsce lądowania, a także wszystkie obiekty w Kosmosie w danej chwili. W tej koncepcji stan kwantowy po przeprowadzeniu pomiaru nadal jest superpozycja – ale nie superpozycja dwóch miejsc lądowania, ale dwóch całych światów! W pierwszym świecie obserwator stwierdza, że układ jest w stanie A, i dlatego wszyscy w tym właśnie świecie uzyskają wynik A. Kiedy jednak dokonywano pomiaru, inny wszechświat wyłonił się z pierwszego, a w nim obserwatorzy stwierdzają, że piłka wylądowała w punkcie B. Efekt ten tłumaczy, dlaczego obserwator – niech to będzie człowiek – myśli, że wykonany przez niego pomiar zmienia stan układu; natomiast faktycznie, kiedy przeprowadza pomiar (oddziałuje z układem), dzieli się na dwie osoby, które żyją w dwóch różnych równoległych wszechświatach odpowiadających dwóm różnym wynikom: A i B.

Zgodnie z taką interpretacją, ludzie przeprowadzający pomiary nie maja szczególnego znaczenia. Stan całego świata bezustannie rozszczepia się na wiele możliwych światów równoległych, które koegzystują jako superpozycja. Ludzki obserwator, będący częścią natury, nie może wydostać się z tego cyklu – wciąż rozszczepia się na wielu obserwatorów w wielu możliwych światach równoległych, a wszystkie z nich są jednakowo „realne”. Oczywista i ważna implikacja takiej interpretacji jest to, że wszystkie obiekty natury, małe i duże, podlegają prawom mechaniki kwantowej.

Co wspólnego ma taka interpretacja mechaniki kwantowej z omówionym wcześniej wieloświatem, który ma istnieć w ciągłej rzeczywistej przestrzeni, a nie w równoległych realiach? W 2011 roku argumentowałem, że wieloświat z wieczną inflacją i interpretacja mechaniki kwantowej w stylu Everetta są, w pewnym sensie, tą samą koncepcją. W takim podejściu nieskończenie rozległa przestrzeń związana z wieczną inflacją jest czymś w rodzaju „iluzji” – wszechświaty bąbelkowe nie istnieją w pojedynczej rzeczywistej przestrzeni, ale są różnymi gałęziami probabilistycznego drzewa. Mniej więcej w tym samym czasie podobną ideę wysunęli Raphael Bousso z University of California w Berkeley i Leonard Susskind ze Stanford University. Jeśli jest ona prawdziwa, interpretacja wielu światów będzie oznaczać, że prawa mechaniki kwantowej nie obowiązują wyłącznie w mikroświecie, ale odgrywają też podstawową rolę w kształtowaniu ogólnej struktury wieloświata nawet w największych skalach.

Dylemat czarnych dziur

Aby lepiej wytłumaczyć, jak interpretacja wielu światów może opisywać inflacyjny wieloświat, muszę zrobić krótką dygresję na temat czarnych dziur. Czarne dziury to ekstremalne zakrzywienia czasoprzestrzeni, w których potężna grawitacja nie pozwala uciec wpadającym do nich obiektom. Są one idealnym poligonem testowym fizyki zajmującej się silnymi efektami kwantowymi i grawitacyjnymi. Eksperyment myślowy z czarnymi dziurami pokazuje, gdzie zawodzi tradycyjny sposób myślenia o wieloświecie, a przewidywania stają się niemożliwe.

Wyobraźmy sobie, że do czarnej dziury wrzucamy książkę i obserwujemy z daleka, co się dzieje. Z teorii wynika, że chociaż sama książka nigdy nie wydostanie się z czarnej dziury, to zawarta w niej informacja nie zostanie stracona. Co prawda, czarna dziura zniszczy książkę, ale potem wyparuje, emitując słabe promieniowanie (zwane promieniowaniem Hawkinga, przewidziane przez fizyka Stephena Hawkinga z University of Cambridge). Zewnętrzni obserwatorzy będą mogli odtworzyć wszystkie informacje zawarte w książce, analizując wyemitowane promieniowanie. Nawet zanim czarna dziura kompletnie wyparuje, informacje z książki będą powoli wyciekać w postaci promieniowania Hawkinga.

Jeżeli jednak spojrzymy na tę samą sytuację z punktu widzenia kogoś, kto wpada do czarnej dziury razem z książką, stanie się rzecz dziwna. W tym przypadku książka przeleci przez brzeg czarnej dziury i pozostanie w jej wnętrzu. A zatem, dla obserwatora wewnętrznego informacje z książki będą zamknięte w czarnej dziurze na zawsze. Z drugiej strony, właśnie stwierdziliśmy, że z punktu widzenia obserwatora zewnętrznego informacje znajdą się na zewnątrz. Co jest prawdą? Można by podejrzewać, że informacje zostaną po prostu powielone – jedna kopia pozostanie wewnątrz, a druga znajdzie się na zewnątrz. Takie rozwiązanie jest jednak niemożliwe. W mechanice kwantowej obowiązuje tak zwane twierdzenie o zakazie klonowania, zgodnie z którym nie można wykonać wiernej kopii informacji. Wydaje się więc, że dwie różne sytuacje widziane przez dwóch obserwatorów nie mogą być jednocześnie prawdziwe.

Fizycy Gerard ‘t Hooft z Universiteit Utrecht w Holandii, Susskind oraz ich koledzy zaproponowali następujące rozwiązanie: obie obserwacje mogą być poprawne, ale nie w tej samej chwili. Jeśli jesteś odległym obserwatorem, to informacje są na zewnątrz. Nie możesz opisać wnętrza czarnej dziury, bowiem nie jesteś w stanie go zobaczyć; co więcej, aby nie nastąpiło klonowanie informacji, musisz uznać, że wewnętrzna czasoprzestrzeń nie istnieje. Z kolei, jeśli jesteś obserwatorem wpadającym do czarnej dziury, dostępne dla ciebie jest tylko wnętrze, w którym znajduje się książka i zawarte w niej informacje. Taki ogląd sytuacji jest możliwy jednak tylko wtedy, gdy zignorujemy emitowane przez czarną dziurę promieniowanie Hawkinga. Taka koncepcja jest dopuszczalna, ponieważ przekroczyłeś granicę czarnej dziury i jesteś uwięziony w jej wnętrzu, a zatem odcięty od promieniowania wysyłanego na zewnątrz. Oba punkty widzenia są ze sobą spójne; brak spójności pojawia się tylko wtedy, gdy w sposób sztuczny będziemy usiłowali „zszyć” oba obszary, czego nie da się zrobić fizycznie (bowiem nie możesz być jednocześnie obserwatorem zewnętrznym i wpadającym do czarnej dziury).

Horyzonty kosmologiczne

Może się wydawać, że powyższa łamigłówka z czarnymi dziurami nie ma żadnego związku z problemem, w jaki sposób powiązać wieloświat z interpretacją wielu światów. Okazuje się jednak, że granica czarnej dziury jest pod wieloma względami podobna do tak zwanego horyzontu kosmologicznego – granicy obszaru czasoprzestrzeni, z którego możemy otrzymywać sygnały. Horyzont taki istnieje, bowiem przestrzeń rozszerza się eksponencjalnie, a obiekty spoza tej granicy oddalają się z prędkością większą niż prędkość światła, dlatego żadna wiadomość od nich nie może do nas dotrzeć. Sytuacja przypomina zatem czarną dziurę z punktu widzenia odległego obserwatora. Podobnie jak w przypadku czarnej dziury prawa mechaniki kwantowej powodują, że dla obserwatora znajdującego się wewnątrz horyzontu nie istnieje czasoprzestrzeń po drugiej stronie granicy – w tym przypadku zewnętrze horyzontu kosmologicznego. Gdybyśmy uwzględnili tę czasoprzestrzeń, a także informacje, które później uzyskamy z horyzontu (na zasadzie podobnej, jak działa promieniowanie Hawkinga w przypadku czarnej dziury), to mielibyśmy nadmiar informacji. Wynika z tego, że każdy opis kwantowego stanu Wszechświata powinien odnosić się tylko do obszaru ograniczonego przez horyzont. W szczególności oznacza to, że w każdym spójnym opisie Kosmosu nieskończona przestrzeń nie może istnieć.

Połączenie dwóch koncepcji.Jen Christiansen/Scientific AmericanPołączenie dwóch koncepcji.

Jeżeli stan kwantowy odzwierciedla jedynie obszar wewnątrz horyzontu, co się dzieje z wieloświatem, o którym myśleliśmy, że znajduje się w nieskończonej przestrzeni podlegającej wiecznej inflacji? Odpowiedzią jest probabilistyczny charakter powstawania wszechświatów bąbelkowych – działający tak samo jak wszystkie inne procesy kwantowe. Podobnie jak w pomiarze kwantowym możemy otrzymać wiele różnych wyników o różnym prawdopodobieństwie wystąpienia, dzięki inflacji może powstać wiele różnych wszechświatów – tez o różnym prawdopodobieństwie powstania. Innymi słowy, stan kwantowy reprezentujący przestrzeń z wieczna inflacja jest superpozycja światów – lub gałęzi – będących różnymi wszechświatami, przy czym każda z tych gałęzi zawiera tylko obszar wewnątrz swego własnego horyzontu.

Ponieważ każdy z tych wszechświatów jest skończony, unikamy problemu przewidywalności, który pojawia się, gdy mamy do czynienia z nieskończenie wielka przestrzenia otaczająca wszystkie możliwe wszechświaty. W takim podejściu wszechświaty nie istnieją równocześnie w rzeczywistej przestrzeni – one tylko współegzystują w „przestrzeni prawdopodobieństw”, czyli są możliwymi wynikami obserwacji przeprowadzonych przez ludzi żyjących w każdym ze światów. W ten sposób każdy wszechświat – każdy możliwy wynik – zachowuje konkretna wartość prawdopodobieństwa swego powstania.

W tym obrazie zunifikowane zostały wieloświat z wieczna inflacja i wiele światów Everetta. Kosmiczna historia wygląda zatem następująco: wieloświat rozpoczyna swoje istnienie w jakimś stanie początkowym i ewoluuje, tworząc superpozycje wielu wszechświatów bąbelkowych. Wraz z upływem czasu stany reprezentujące każdy z tych bąbelków rozszczepiają się na jeszcze więcej superpozycji stanów, które odpowiadają różnym możliwym wynikom „doświadczeń” przeprowadzanych w tych wszechświatach (doświadczenia nie musza mieć charakteru naukowego – mogą one być jakimkolwiek procesem fizycznym). Stan reprezentujący cały wieloświat będzie zawierać ogromna liczbę gałęzi, z których każdej odpowiada możliwy świat, jaki mógłby wyłonić się ze stanu początkowego. Prawdopodobieństwa kwantowe określają zatem efekty procesów zarówno kosmologicznych, jak i mikroskopowych. Wieloświat i kwantowa interpretacja wielu światów to faktycznie to samo: odnoszą się one do tego samego zjawiska – superpozycji – zachodzącego w bardzo różnych skalach.

Zgodnie z nowym obrazem, nasz świat jest tylko jednym ze wszystkich możliwych światów, których istnienie dopuszczają fundamentalne zasady fizyki kwantowej i które współegzystują równocześnie w przestrzeni prawdopodobieństw.

Rzeczywistość poza Wszechświatem

Aby dowiedzieć się, czy koncepcja jest poprawna, należałoby sprawdzić ja doświadczalnie. Ale czy jest to możliwe? Okazuje się, że odkrycie pewnego konkretnego zjawiska może wesprzeć nowe podejście. Istnienie wieloświata mogłoby wywołać niewielkie ujemne zakrzywienie przestrzeni naszego Wszechświata. Innymi słowy, obiekty poruszałyby się w przestrzeni nie po liniach prostych, jak w płaskim Kosmosie, ale po krzywych – nawet gdyby nie było grawitacji. Zakrzywienie wystąpi, bowiem chociaż wszechświaty bąbelkowe są z perspektywy całego wieloświata skończone, obserwatorzy wewnątrz bąbla postrzegają swój wszechświat jako nieskończony, co powoduje, że przestrzeń wydaje się mieć ujemna krzywiznę. (Przykładem ujemnej krzywizny jest powierzchnia siodła, podczas gdy powierzchnia sfery ma krzywiznę dodatnia). Gdybyśmy znajdowali się wewnątrz jednego z takich bąbli, przestrzeń wydawałaby się nam zakrzywiona.

Z dotychczasowych pomiarów wynika, że Wszechświat jest płaski, ale w ciągu najbliższych 20 lat prowadzone będą eksperymenty, które zbadają ugięcie promieni świetlnych w przestrzeni; powinny one poprawić znajomość krzywizny o około dwa rzędy wielkości. Jeśli okaże się ona ujemna choćby w małym stopniu, koncepcja wieloświata zostanie wzmocniona, ponieważ w pojedynczym wszechświecie taka krzywizna jest mało prawdopodobna (choć nie niemożliwa). Dodatkowo, takie odkrycie wspierałoby prezentowana tutaj kwantowe wersje wieloświata, gdyż w sposób naturalny wynika z niej krzywizna wystarczająco duża, aby można ja było zmierzyć. W tradycyjnych modelach wieloświata ujemna krzywizna jest o wiele rzędów wielkości mniejsza.

Co ciekawe, gdyby zmierzono dodatnia wartość krzywizny, trzeba byłoby odrzucić dyskutowany tutaj model wieloświata, ponieważ z teorii inflacyjnej wynika, że wszechświaty bąbelkowe mogą mieć tylko ujemna krzywiznę. Z kolei, jeśli się nam poszczęści, wykryjemy na niebie bardzo silne dowody istnienia wieloświata, takie jak ślady po „zderzeniach” wszechświatów bąbelkowych, które w wersji kwantowej wieloświata interpretujemy jako sygnał wysłany do nas przez horyzont kosmologiczny. Naukowcy nie maja jednak najmniejszej pewności, że kiedykolwiek taki sygnał odbierzemy.

Ja, a także inni fizycy, badamy również dalsze teoretyczne konsekwencje idei istnienia kwantowego wieloświata. Możemy zadawać fundamentalne pytania, takie jak: w jaki sposób wyznaczymy stan kwantowy całego wieloświata? Albo: czym jest czas i jak powstał? W modelu kwantowego wieloświata nie znajdujemy natychmiastowych odpowiedzi na te pytania, ale stanowi on wygodne ramy dla ich poszukiwania. Dla przykładu, stwierdziłem ostatnio, że ograniczenia narzucone przez warunek matematyczny, iż teoria musi zawierać rygorystycznie zdefiniowane prawdopodobieństwa, mogą pozwolić na określenie jednoznacznego stanu kwantowego całego wieloświata. Na podstawie tych ograniczeń można także wysnuć wniosek, że całkowity stan kwantowy nie ulega zmianie, chociaż obserwator, będący częścią stanu wieloświata, widzi ciągłe powstawanie nowych bąbli. Oznacza to, że nasze postrzeganie Wszechświata zmienia się w czasie, a sama koncepcja czasu może być iluzja. Zgodnie z tym podejściem, czas jest „wielkością wtórną”, która jest odzwierciedleniem bardziej podstawowych cech natury i istnieje tylko w lokalnych gałęziach wieloświata.

Wiele z opisanych tu idei jest wysoce spekulatywnych, ale możliwość rozważania tak ważnych i głębokich kwestii z wykorzystaniem rozwijającej się teorii jest dla fizyków fascynująca. Kto wie, do czego doprowadza nas te badania. Wydaje się jednak jasne, że żyjemy w ekscytujących czasach, w których rozważania naukowe wykraczają poza coś, co do niedawna uważaliśmy za cały świat fizyczny – nasz Wszechświat – i sięgają w potencjalnie nieograniczona rzeczywistość poza nim.

Artykuł ukazał się w „Świecie Nauki” 07/2017, str. 22.
Oryginalny tytuł: „Kwantowy wieloświat”.

Reklama

Reklama

Ta strona do poprawnego działania wymaga włączenia mechanizmu "ciasteczek" w przeglądarce.

Powrót na stronę główną