Παράλληλα Σύμπαντα

Του Max Tegmark, από το περιοδικό Scientific American, Ιούνιος 2003

Δεν είναι επιστημονική φαντασία, Η ύπαρξη άλλων Συμπάντων είναι μια άμεση συνέπεια των κοσμολογικών παρατηρήσεων

Υπάρχει ένα αντίγραφό σας που διαβάζει αυτό το άρθρο; ένα πρόσωπο που δεν είσαστε εσείς αλλά ζει σ' ένα πλανήτη που λέγεται Γη, με ομιχλώδη βουνά, γόνιμα χωράφια, πολυάνθρωπες πόλεις σ' ένα ηλιακό σύστημα με 8 άλλους πλανήτες; Η ζωή αυτού του προσώπου είναι ως τώρα ίδια με τη δική σας από κάθε άποψη. Αλλά ίσως αυτός ή αυτή, τώρα αποφασίζει να παρατήσει αυτό το άρθρο ενώ εσείς συνεχίζετε να διαβάζετε.

Η ιδέα για ένα δικό σας αντίγραφο μοιάζει παράξενη και απίθανη αλλά φαίνεται ότι θα πρέπει να συμφιλιωθούμε μαζί της γιατί υποστηρίζεται από αστρονομικά δεδομένα. Το απλούστερο και πιο διαδεδομένο κοσμολογικό μοντέλο σήμερα, προβλέπει ότι έχετε ένα δίδυμο σ' ένα γαλαξία σε απόσταση περί τα (10 στην 1028 ) μέτρα από εδώ. Η απόσταση είναι τόσο μεγάλη ώστε δεν ανήκει καν στην περιοχή που παρατηρούν οι αστρονόμοι, αλλά αυτό δεν κάνει τον δίδυμο εαυτό σας λιγότερο πραγματικό. Για το πως εκτιμάται η απόσταση αυτή θα μιλήσουμε στο δεύτερο μέρος του άρθρου. Σε πολύ πιο μακρινές αποστάσεις από αυτήν υπάρχουν ολόκληρα Σύμπαντα, αντίγραφα του δικού μας. Η εκτίμηση αυτή προκύπτει από στοιχειώδεις πιθανότητες και δεν προϋποθέτει καν τις προτεινόμενες ιδέες της σύγχρονης φυσικής. Μόνο την άποψη ότι ο χώρος είναι άπειρος ή τουλάχιστον αρκούντως τεράστιος σε μέγεθος και ομοιόμορφα γεμάτος με ύλη. Αυτά λέγονται παράλληλα Σύμπαντα επιπέδου Ι. Δείτε σχετικά την σημείωση στο τέλος του 1ου μέρους.
Κάτι τέτοιο φαίνεται να επιβεβαιώνεται από τις παρατηρήσεις. Σε άπειρο χώρο, ακόμα και τα πιο απίθανα γεγονότα πρέπει να συμβαίνουν κάπου. Υπάρχουν άπειροι άλλοι κατοικήσιμοι πλανήτες, οι οποίοι περιλαμβάνουν όχι ένα αλλά άπειρους με κατοίκους που έχουν όμοια εμφάνιση με τη δική μας, όνομα και μνήμες όπως εσείς που έχουν ακολουθήσει όλες τις επιλογές που ακολουθήσατε και εσείς στη ζωή σας.

Πιθανόν δεν θα δείτε ποτέ τους άλλους εαυτούς σας. Η πιο μεγάλη απόσταση που μπορείτε να δείτε είναι η απόσταση που μπόρεσε να ταξιδέψει το φως κατά τα 14 δισεκατομμύρια χρόνια αφότου συνέβη το Big Bang. Το πιο μακρινό ορατό αντικείμενο είναι τώρα περίπου στα 4 X 1026 μέτρα μακριά μας, μια απόσταση που ορίζει το παρατηρήσιμο Σύμπαν μας. Το μέγεθος αυτό λέγεται και όγκος Hubble, ή ορίζοντας παρατήρησης ή και απλά το Σύμπαν μας. Όμοια το Σύμπαν των δίδυμων εαυτών σας είναι σφαίρες του ίδιου μεγέθους με κέντρα τους δικούς τους πλανήτες. Πρόκειται για τα πιο άμεσα παραδείγματα παράλληλων Συμπάντων. Κάθε Σύμπαν είναι απλά ένα μικρό μέρος ενός μεγαλύτερου Πολυσύμπαντος.

Με αυτόν όμως τον ορισμό του Σύμπαντος θα περίμενε κανείς η έννοια του Πολυσύμπαντος ν' ανήκει στη σφαίρα της μεταφυσικής. Η διάκριση μεταξύ φυσικής και μεταφυσικής είναι στο αν μια θεωρία είναι ελέγξιμη πειραματικά, άσχετα αν ακούγεται παράδοξη ή περιέχει μη παρατηρήσιμες ποσότητες. Τα σύνορα της φυσικής έχουν βαθμιαία διευρυνθεί ώστε να περιλαμβάνουν όλο και πιο αφηρημένες έννοιες όπως η σφαιρική Γη, τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία, η επιβράδυνση του χρόνου στις υψηλές ταχύτητες, η κβαντική υπέρθεση, ο καμπύλος χώρος και οι μαύρες τρύπες. Κατά τα τελευταία χρόνια και η ιδέα του Πολυσύμπαντος μπήκε σ' αυτή τη λίστα. Στηρίζεται σε καλά ελεγμένες θεωρίες όπως η Σχετικότητα και η Κβαντομηχανική, και ικανοποιεί όλα τα βασικά κριτήρια μιας εμπειρικής επιστήμης. Κάνει προβλέψεις και μπορεί να τροποποιηθεί. Οι επιστήμονες έχουν συζητήσει 4 διαφορετικούς τύπους παράλληλων Συμπάντων. Η ερώτηση κλειδί δεν είναι αν το Πολυσύμπαν υπάρχει αλλά πόσα επίπεδα έχει.



ΠΟΛΥΣΥΜΠΑΝ ΕΠΙΠΕΔΟΥ Ι
Ο απλούστερος τύπος παράλληλου Σύμπαντος είναι απλά μια περιοχή του χώρου, η οποία βρίσκεται πολύ μακριά μας για να την έχουμε δει μέχρι τώρα. Το πιο μακρινό σημείο που μπορούμε να δούμε σήμερα βρίσκεται σε απόσταση 4X1026 μέτρα ή 42 δισεκατομμύρια έτη φωτός.

Είναι η απόσταση που πρόλαβε να ταξιδέψει το φως από τη στιγμή που άρχισε το Big Bang. Η απόσταση αυτή είναι μεγαλύτερη από 14 δισεκατομμύρια έτη φωτός, διότι η κοσμική διαστολή έχει μεγαλώσει τις αποστάσεις. Κάθε ένα από τα παράλληλα Σύμπαντα επιπέδου Ι είναι βασικά όμοιο με το δικό μας. Όλες οι διαφορές πηγάζουν από διαφοροποιήσεις στις αρχικές συνθήκες της ύλης.

Επίπεδο I: Πέρα από τον κοσμικό μας ορίζοντα
Τα παράλληλα Σύμπαντα των άλλων εαυτών σας αποτελούν το επίπεδο Ι του Πολυσύμπαντος. Πρόκειται για τον λιγότερο αμφιλεγόμενο τύπο. Όλοι μας δεχόμαστε την ύπαρξη πραγμάτων που δεν μπορούμε να δούμε αλλά θα βλέπαμε αν κινούμαστε σε ένα διαφορετικό πλεονεκτικό σημείο ή απλά περιμέναμε, όπως οι άνθρωποι που περιμένουν τα πλοία να εμφανιστούν στον ορίζοντα. Αντικείμενα πέρα από τον κοσμικό ορίζοντα βρίσκονται σε μια παρόμοια κατάσταση. Το παρατηρήσιμο Σύμπαν μεγαλώνει κατά ένα έτος φωτός κάθε χρόνο, καθώς το φως από όλο και μακρινότερα αντικείμενα έχει τον χρόνο να φθάσε ως εμάς. Πιθανόν θα πεθάνετε αρκετά πριν ο άλλος εαυτός σας γίνει ορατός, αλλά κατ' αρχήν και αν η κοσμική διαστολή συνεργαστεί, οι απόγονοί σας θα μπορούσαν να τον παρατηρήσουν με ένα αρκετά ισχυρό τηλεσκόπιο.

Αν μη τι άλλο το Πολυσύμπαν Επιπέδου Ι ακούγεται μάλλον προφανές. Πως θα μπορούσε ο χώρος να μην είναι άπειρος; Υπάρχει κάπου μια πινακίδα που να λέει: "Ο χώρος τελειώνει εδώ-Προσέξτε το χάσμα"; Αν είναι έτσι τότε τι βρίσκεται πέρα από εκεί; Στην πραγματικότητα η θεωρία του Einstein για τη βαρύτητα εξετάζει αυτή την διαίσθηση. Ο χώρος θα μπορούσε να είναι πεπερασμένος αν έχει μια κυρτή καμπύλωση ή μια ασυνήθιστη τοπολογία. Ένα σφαιρικό ή σχήματος λουκουμά Σύμπαν θα είχε ένα πεπερασμένο όγκο αλλά δεν θα είχε άκρα. Η κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου επιτρέπει ευαίσθητα τεστ τέτοιων υποθέσεων. Μέχρι τώρα όμως οι ενδείξεις είναι εναντίον τους. Τα πρότυπα που δέχονται το άπειρο Σύμπαν ταιριάζουν με τα δεδομένα μας και μπαίνουν ισχυροί περιορισμοί στα εναλλακτικά μοντέλα.

Σημείωση: Ο αριθμός (10 στην 10118 ) μέτρα προκύπτει ως εξής. Το Σύμπαν μας εκτιμάμε ότι έχει περίπου 10118 υποατομικά σωματίδια που απαρτίζουν την ύλη, τα πρωτόνια και τα νετρόνια. Το πλήθος όλων των δυνατών καταστάσεων που μπορούμε να σκεφτούμε ότι φτιάχνονται μ' αυτά τα σωματίδια είναι 2 στην 10118 διαφορετικές διατάξεις, που αριθμητικά προσεγγίζονται ως 10 στην 10118 . Το 2 προκύπτει αν ληφθεί υπ' όψιν ότι το καθένα από αυτά τα σωματίδια μπορεί να υπάρχει ή να μην υπάρχει σ' αυτές τις διατάξεις. Ο καθένας από αυτούς τους συνδυασμούς αντιπροσωπεύει και ένα διαφορετικό Σύμπαν που φτιάχνεται με τα σωματίδια αυτά. Αν θέλουμε να συναντήσουμε ένα Σύμπαν πανομοιότυπο με το δικό μας θα πρέπει να βρεθούμε σε μια απόσταση πέρα από όλους αυτούς τους συνδυασμούς όπου θα έχουμε και επανάληψη αυτών των Συμπάντων. Δηλαδή να πάμε σε μια απόσταση της τάξης των (10 στην10118 )φορές την διάμετρο του Σύμπαντος που είναι της τάξης των 4X1026 μέτρα . Το γινόμενο αυτό είναι περίπου ίσο με 10 στην10118 ) μέτρα.
Για το Συγγραφέα:
Ο MAX TEGMARK έχει γράψει μια τετραδιάστατη εκδοχή του Tetris ενώ ήταν στο κολλέγιο. Είναι καθηγητής της φυσικής και αστρονομίας στο Πανεπιστήμιο της Pennsylvania. Ο Tegmark είναι ειδικός στην ανάλυση της κοσμικής ακτινοβολίας υποβάθρου και στη δημιουργία σμηνών των γαλαξιών. Πολλές από τις εργασίες του αφορούν την ιδέα των παράλληλων συμπάντων: βρίσκοντας αποδείξεις για άπειρο χώρο και κοσμολογικό πληθωρισμό, αναπτύσσοντας έρευνες της κβαντικής κατάρρευσης της συμφασικής υπέρθεσης (decoherence), και μελετώντας τη πιθανότητα ότι το πλάτος της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου κυμαίνεται. Επίσης ασχολείται με τη διαστατικότητα του χωρόχρονου και τη δυνατότητα οι βασικοί νόμοι της φυσικής να ποικίλλουν από τόπο σε τόπο.

Σχετικές Αναφορές:
Why Is the CMB Fluctuation Level 10-5? Max Tegmark and Martin Rees in Astrophysical Journal, Vol. 499, No. 2, pages 526-532; June 1, 1998. Available online at arXiv.org/abs/astro-ph/9709058

Is "The Theory of Everything" Merely the Ultimate Ensemble Theory? Max Tegmark in Annals of Physics, Vol. 270, No.1, pages 1-51; November 20, 1998. Available online at arXiv.org/abs/gr-qc/9704009

Many Worlds in One. Jaume Garriga and Alexander Vilenkin in Physical Review, Vol. D64, No. 043511; July 26, 2001. Available online at arXiv.org/abs/gr-qc/0102010

Inflation, Quantum Cosmology and the Anthropic Principle. Andrei Linde in Science and Ultimate Reality: From Quantum to Cosmos. Edited by J. D. Barrow, P.C.W. Davies and C. L. Harper. Cambridge University Press, 2003. Available online at arXiv.org/abs/hep-th/0211048

The author's Web site has more information at www.hep.upenn.edu/~max/multiverse.html

Our Cosmic Habitat. Martin Rees. Princeton University Press, 2001.



Μια άλλη δυνατότητα είναι ότι ο χώρος είναι άπειρος αλλά η ύλη περιορίζεται σε μια περιοχή γύρω μας. Αυτό είναι το ιστορικά δημοφιλές μοντέλο του "Σύμπαντος-νησίδας". Σε μια παραλλαγή αυτού του μοντέλου η ύλη αραιώνει με την απόσταση σε πολύ μεγάλη κλίμακα με τη μορφή fractal. Είτε με τη μια είτε με την άλλη εκδοχή, σχεδόν όλα τα Σύμπαντα στο Πολυσύμπαν επιπέδου Ι, θα είναι άδεια και νεκρά. Οι πρόσφατες όμως παρατηρήσεις της τρισδιάστατης κατανομής των γαλαξιών και της ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου, μας έχει δείξει ότι η διάταξη της ύλης μας παρέχει τρόπους να εξουδετερωθεί η ομοιομορφία του κενού σε πολύ μεγάλες αποστάσεις. χωρίς να χρειάζονται δομές μεγαλύτερες από 1024 μέτρα.


Τα κοσμολογικά δεδομένα υποστηρίζουν την ιδέα ότι ο χώρος συνεχίζεται και πέρα από το ορατό Σύμπαν. Ο δορυφόρος WMAP μέτρησε πρόσφατα τις διακυμάνσεις στην ακτινοβολία μικροκυμάτων υποβάθρου. Οι ισχυρότερες διακυμάνσεις είναι σε εύρος μισής μοίρας, πράγμα που δείχνει - μετά από εφαρμογή των νόμων της γεωμετρίας- ότι ευνοείται η επίπεδη γεωμετρία του Σύμπαντος και ότι ο χώρος είναι πολύ μεγάλος ή ακόμα και άπειρος. Δεδομένα από τον ίδιο δορυφόρο δείχνουν επίσης ότι ο χώρος στις πολύ μεγάλες κλίμακες είναι ομοιόμορφα γεμάτος με ύλη, πράγμα που δείχνει ότι τα άλλα Σύμπαντα θα μοιάζουν βασικά με το δικό μας.

Παρατηρητές που ζουν στα παράλληλα Σύμπαντα επιπέδου Ι, θα έχουν τους ίδιους νόμους της φυσικής όπως εμείς, αλλά με διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Σύμφωνα με τις σύγχρονες θεωρίες, διαδικασίες στο αρχικό Σύμπαν, διασκόρπισαν την ύλη με κάποιο βαθμό τυχαιότητας, και γεννήθηκαν όλες οι δυνατές διατάξεις που είχαν πιθανότητα διάφορη του μηδενός. Οι κοσμολόγοι υποθέτουν ότι το Σύμπαν μας, με μια σχεδόν ομοιόμορφη κατανομή μάζας και κάποιες αρχικές διακυμάνσεις στην πυκνότητα της τάξης του ενός μέρους στα 100.000, είναι τυπικές τιμές, τουλάχιστον για Σύμπαντα που περιέχουν παρατηρητές. Η υπόθεση αυτή είναι εκείνη που δικαιολογεί την εκτίμηση που αναφέραμε στο 1ο μέρος, ότι το πλησιέστερο αντίγραφο του εαυτού μας βρίσκεται 10 στην 1028 μέτρα μακριά μας. Περίπου σε 10 στην 1092 μέτρα μακριά, θα βρίσκεται μια σφαίρα ακτίνας 100 έτη φωτός, απόλυτα όμοια με μια αντίστοιχη που έχει κέντρο εμάς. Έτσι όλες οι εντυπώσεις που θα προσλαμβάνουμε κατά τα επόμενα 100 χρόνια θα είναι ίδιες με εκείνες που θα προσλαμβάνουν τα αντίγραφά μας εκεί έξω. Ας μην ξεχνάμε δε, όπως είδαμε και στο 1ο μέρος, ότι σε απόσταση 10 στην 10118 μέτρα, βρίσκεται ένας ολόκληρος όγκος Hubble (¨ένα Σύμπαν ολόκληρο) απόλυτα όμοιο με το δικό μας.

Αυτές είναι εξαιρετικά συντηρητικές εκτιμήσεις, που συνάγονται αν μετρήσουμε όλες τις δυνατές κβαντικές καταστάσεις που μπορεί να έχει ένας όγκος Hubble, αν δεν είναι θερμότερος από 108 Kelvin. Ένας τρόπος για να κάνουμε τους υπολογισμούς είναι να αναρωτηθούμε πόσα πρωτόνια θα μπορούσαν να χωρέσουν σε έναν όγκο Hubble σ' αυτή τη θερμοκρασία. Η απάντηση είναι 10118 πρωτόνια. Καθένα από αυτά τα σωματίδια μπορεί να υπάρχει ή να μην υπάρχει σ' αυτόν τον όγκο, κι έτσι καταλήγουμε στον αριθμό 2 στην 10118 δυνατές διατάξεις των πρωτονίων. Ένα "κουτί" που περιέχει τόσους όγκους Hubble εξαντλεί όλες τις δυνατότητες. Αν στρογγυλέψουμε τα νούμερα, ένα τέτοιο κουτί έχει διάμετρο της τάξης των 10 στην 10118 μέτρα. Πέρα από αυτό το κουτί, σύμπαντα - περιλαμβανομένου του δικού μας- πρέπει να επαναλαμβάνονται. Περίπου στην ίδια εκτίμηση καταλήγουμε χρησιμοποιώντας θερμοδυναμική ή υπολογισμούς στηριγμένους στην κβαντική βαρύτητα, για το συνολικό περιεχόμενο πληροφοριών στο Σύμπαν.

Το πιο κοντινό αντίγραφό σας έχει μεγάλη πιθανότητα να βρίσκεται σε πολύ κοντινότερη απόσταση από αυτή που εκτιμήσαμε παραπάνω, αν ληφθούν υπ' όψιν οι διαδικασίες για σχηματισμό των πλανητών και η βιολογική εξέλιξη, τα οποία ευνοούν το σχηματισμό ενός αντιγράφου σας. Οι αστρονόμοι εκτιμούν ότι ο δικός μας όγκος Hubble, έχει τουλάχιστον 1020 κατοικήσιμους πλανήτες, μερικοί εκ των οποίων μπορεί να μοιάζουν με τη Γη.

Το πλαίσιο σκέψης που αναπτύξαμε για το Πολυσύμπαν επιπέδου Ι, χρησιμοποιείται πια σε θεωρητικούς υπολογισμούς ρουτίνας στη σύγχρονη Κοσμολογία, αν και σπάνια η διαδικασία αυτή αναφέρεται αναλυτικά. Για παράδειγμα, ας εξετάσουμε το πως οι Κοσμολόγοι χρησιμοποίησαν τα δεδομένα της μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου για να αποκλείσουν μια πεπερασμένη σφαιρική γεωμετρία του Σύμπαντος. Τα θερμά και τα ψυχρά σημάδια στους χάρτες της ακτινοβολίας αυτής υποβάθρου, έχουν ένα χαρακτηριστικό μέγεθος που εξαρτάται από την καμπυλότητα του χώρου. Τα παρατηρούμενα σημάδια λοιπόν εμφανίζονται πολύ μικρά για να είναι συνεπή με ένα σφαιρικό σχήμα. Αλλά είναι σημαντικό να είναι τα συμπεράσματά μας στατιστικά ισχυρά. Το μέσο μέγεθος κάθε σημαδιού μεταβάλλεται τυχαία από έναν όγκο Hubble σε έναν άλλο. Έτσι είναι πιθανόν ότι το δικό μας Σύμπαν μας εξαπατά, δηλαδή μπορεί να είναι μεν σφαιρικό αλλά τυχαίνει να έχει σημάδια μικρού μεγέθους. Όταν οι Κοσμολόγοι λένε ότι έχουν αποκλείσει το σφαιρικό μοντέλο με σιγουριά 99,9%, εννοούν πραγματικά ότι αν αυτό το μοντέλο ήταν πραγματικό λιγότεροι από 1 στους 1.000 όγκους Hubble θα εμφάνιζε σημάδια τόσο μικρά όσο αυτά που παρατηρούμε.

Το συμπέρασμα είναι ότι η θεωρία του Πολυσύμπαντος μπορεί να ελεγχθεί και να απορριφθεί, ακόμη και αν εμείς δεν μπορούμε να δούμε τα άλλα Σύμπαντα. Το κλειδί είναι να προβλέψουμε πως θα είναι η συλλογή των παράλληλων Συμπάντων, και να καθορίσουμε μια κατανομή πιθανοτήτων, ή ισοδύναμα αυτό που οι μαθηματικοί αποκαλούν "μέτρο" επί της συλλογής αυτής. Το δικό μας Σύμπαν θα πρέπει να προκύπτει σαν ένα από τα πιο πιθανά. Αν όχι - αν δηλαδή σύμφωνα με τη θεωρία του Πολυσύμπαντος ζούμε σε ένα Σύμπαν μικρής πιθανότητας - τότε η θεωρία μας έχει πρόβλημα. Όπως θα δούμε παρακάτω, αυτό το πρόβλημα του "μέτρου" μπορεί να κρύβει μια μεγάλη πρόκληση.