Τι είναι (και τι δεν είναι) επιστημονικό σχετικά με το Πολυσύμπαν;

Posted on 18/08/2018

2


Καλλιτεχνική άποψη του Πολυσύμπαντος – όπου το Σύμπαν μας είναι ένα από τα πολλά σύμπαντα που υπάρχουν (JAIME SALCIDO/SIMULATIONS BY THE EAGLE COLLABORATION)

Το Σύμπαν είναι όλα αυτά που υπήρξαν, όλα όσα υπάρχουν και όλα όσα θα υπάρξουν. Κάτι τέτοιο άλλωστε υπονοεί και η λέξη «Σύμπαν». Αλλά όποια κι αν είναι η πραγματική φύση του σύμπαντος, η δυνατότητά μας να συλλέξουμε πληροφορίες σχετικά με αυτό είναι θεμελιωδώς περιορισμένη.

Έχουν περάσει 13,8 δισεκατομμύρια χρόνια από την Μεγάλη Έκρηξη και η μέγιστη ταχύτητα με την οποία μπορούν να διαδοθούν οι πληροφορίες – η ταχύτητα του φωτός – είναι πεπερασμένη. Ακόμη κι αν ολόκληρο το Σύμπαν μπορεί να είναι άπειρο, το παρατηρούμενο Σύμπαν είναι περιορισμένο. Όμως, σύμφωνα με τις επικρατούσες ιδέες της θεωρητικής φυσικής, το Σύμπαν μας είναι μια μικροσκοπική περιοχή ενός πολύ μεγαλύτερου Πολυσύμπαντος, μέσα στο οποίο περιέχονται πολλά Σύμπαντα, ίσως και άπειρος αριθμός από αυτά.

Μερικά από αυτά είναι πραγματική επιστήμη, αλλά κάποια δεν είναι τίποτε άλλο παρά εικασίες και ευσεβείς πόθοι.

Αλλά πριν κάνουμε αυτόν τον διαχωρισμό, ας θυμηθούμε κάποια πράγματα.

Το Σύμπαν έχει μερικά χαρακτηριστικά τα οποία είναι σχετικά εύκολο για τους επιστήμονες να τα παρατηρήσουν. Γνωρίζουμε ότι το Σύμπαν διαστέλλεται : μπορούμε να μετρήσουμε τις ιδιότητες γαλαξιών που μας δείχνουν την απόστασή τους και την ταχύτητα απομάκρυνσής τους από τη Γη. Όσο πιο μακριά είναι, τόσο πιο γρήγορα φαίνεται να απομακρύνονται. Στο πλαίσιο της Γενικής Σχετικότητας, αυτό σημαίνει ότι το Σύμπαν διαστέλλεται.

Και αν το Σύμπαν σήμερα φαίνεται να διαστέλλεται, αυτό σημαίνει ότι στο παρελθόν ήταν μικρότερο και πυκνότερο. Κάντε την προέκταση αρκετά πίσω στο παρελθόν και θα διαπιστώσετε ότι τα πράγματα είναι ακόμα πιο ομοιόμορφα (επειδή η βαρύτητα χρειάζεται χρόνο για να συσσωρεύσει την ύλη) και θερμότερα (επειδή τα μικρότερα μήκη κύματος για το φως σημαίνουν υψηλότερες ενέργειες / θερμοκρασίες). Αυτό μας οδηγεί πίσω στη Μεγάλη Έκρηξη.

Όμως η Μεγάλη Έκρηξη δεν ήταν η αρχή του Σύμπαντος! Μπορούμε μόνο να φτάσουμε σε μια συγκεκριμένη εποχή στον χρόνο πριν οι προβλέψεις της Μεγάλης Έκρηξης καταρρεύσουν. Υπάρχουν μερικά χαρακτηριστικά του Σύμπαντος που η Μεγάλη Έκρηξη δεν μπορεί να εξηγήσει, αλλά μια νέα θεωρία η οποία ανα-δημιουργεί την Μεγάλη Έκρηξη – ο κοσμικός πληθωρισμός – μπορεί.

Οι κβαντικές διακυμάνσεις που εμφανίζονται κατά τον πληθωρισμό απλώνονται σε ολόκληρο το Σύμπαν και όταν τελειώνει ο πληθωρισμός, γίνονται διακυμάνσεις πυκνότητας. Με την πάροδο του χρόνου αυτό οδηγεί στην τωρινή μεγάλη κλίμακας δομή του Σύμπαντος, καθώς επίσης και στις παρατηρούμενες διακυμάνσεις στην θερμοκρασία της κοσμικής μικροκυματικής ακτινοβολίας υποβάθρου. (E. SIEGEL, WITH IMAGES DERIVED FROM ESA/PLANCK AND THE DOE/NASA/ NSF INTERAGENCY TASK FORCE ON CMB RESEARCH)

Στη δεκαετία του 1980 αναπτύχθηκε ένας μεγάλος αριθμός των θεωρητικών συνεπειών της ιδέας του πληθωρισμού, μεταξύ των οποίων:

  • με τι πρέπει να μοιάζουν οι «σπόροι» των δομών μεγάλης κλίμακας
  • ότι οι διακυμάνσεις της θερμοκρασίας και της πυκνότητας πρέπει να υπάρχουν σε κλίμακες μεγαλύτερες από τον κοσμικό ορίζοντα
  • ότι όλες οι περιοχές του χώρου, ακόμα και με διακυμάνσεις, θα πρέπει να έχουν σταθερή εντροπία
  • και ότι πρέπει να υπάρχει μια μέγιστη θερμοκρασία που πραγματοποιείται κατά την θερμή Μεγάλη Έκρηξη.

Στις δεκαετίες του 1990, του 2000 και του 2010, αυτές οι τέσσερις προβλέψεις επιβεβαιώθηκαν παρατηρησιακά με μεγάλη ακρίβεια, και μαζί τους ο κοσμικός πληθωρισμός.

Η θεωρία του πληθωρισμού μας λέει ότι, πριν από τη Μεγάλη Έκρηξη, το Σύμπαν δεν είχε γεμίσει με σωματίδια, αντι-σωματίδια και ακτινοβολία. Αντ ‘αυτού, ήταν γεμάτο με ενέργεια έμφυτη στον ίδιο τον χώρο, και αυτή η ενέργεια προκάλεσε την διαστολή του χώρου με ταχύτατο, αδιάκοπο και εκθετικό ρυθμό. Σε κάποιο σημείο ο πληθωρισμός τελειώνει και όλη (ή σχεδόν όλη) αυτή η ενέργεια μετατρέπεται σε ύλη και ενέργεια, δημιουργώντας την θερμή Μεγάλη Έκρηξη. Το τέλος του πληθωρισμού, κι αυτό που είναι γνωστό ως η ανα-θέρμανση του Σύμπαντός μας, σηματοδοτεί την έναρξη της θερμής Μεγάλης Έκρηξης. Η Μεγάλη Έκρηξη εξακολουθεί να συμβαίνει, αλλά δεν είναι η πρώιμη αρχή.

Ο πληθωρισμός προβλέπει την ύπαρξη ενός τεράστιου όγκου μη παρατηρούμενου Σύμπαντος πέρα από αυτό που βλέπουμε. Αλλά μας δίνει περισσότερα από αυτό (E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY)

Εάν αυτή ήταν η πραγματική ιστορία, το μόνο που θα είχαμε ήταν ένα εξαιρετικά μεγάλο Σύμπαν. Θα είχε τις ίδιες ιδιότητες παντού, τους ίδιους νόμους παντού και οι περιοχές πέρα από τον ορατό μας ορίζοντα θα ήταν παρόμοιες με την περιοχή που βρισκόμαστε, αλλά δεν θα δικαιούταν τον τίτλο του Πολυσύμπαντος.

Όλα όσα υπάρχουν στην φύση πρέπει να είναι εγγενώς κβαντικά. Ακόμη και ο πληθωρισμός, με όλα τα άγνωστα που τον περιβάλλουν, πρέπει να είναι ένα κβαντικό πεδίο.

Στο πάνω διάγραμμα, ο πληθωρισμός λειτουργεί σαν ένα κλασικό πεδίο, κυλώντας αργά προς τα κάτω. Ανεξάρτητα από το πόσος χρόνος απαιτείται για να διανυθεί το επίπεδο τμήμα, τελικά προσεγγίζεται η απότομη κλίση και αρχίζει η κύλιση προς τα κάτω, που θα οδηγήσει στο τέλος του πληθωρισμού, στην φάση της αναθέρμανσης και της θερμής Μεγάλης Έκρηξης. Αλλά στην περίπτωση του κβαντικού πεδίου, εκτός από την αργή κύλιση, η κυματοσυνάρτηση (και επομένως η θέση στην κορυφή του λόφου) εξαπλώνεται με την πάροδο του χρόνου. Εφόσον η κύλιση γίνεται με μικρή ταχύτητα, η αβεβαιότητα στη θέση θα είναι μεγαλύτερη και το μεσαίο διάγραμμα δείχνει την πιθανή θέση με την πάροδο του χρόνου. Στο κάτω διάγραμμα, πέντε διαφορετικές περιοχές είναι με διαφορετικά χρώματα για να δείξουν τι συνέβη σ΄ αυτές. Ενώ ο πληθωρισμός έχει τελειώσει ή τελειώνει σε ορισμένες από αυτές, κάποιες περιοχές όχι μόνο εξακολουθούν να υφίστανται πληθωρισμό, αλλά βρίσκονται πάρα πολύ μακριά από το τέλος του πληθωρισμού [E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY]

Αν απαιτήσετε ο πληθωρισμός να έχει τις ιδιότητες που έχουν όλα τα κβαντικά πεδία τότε θα έχετε:

  • ότι οι ιδιότητές του έχουν εγγενή απροσδιοριστία
  • ότι το πεδίο περιγράφεται από μια κυματοσυνάρτηση
  • και ότι οι τιμές αυτού του πεδίου μπορούν να απλωθούν με την πάροδο του χρόνου

φτάνοντας σε ένα αναπάντεχο συμπέρασμα.

Οπουδήποτε εμφανίζεται ο πληθωρισμός (μπλε κύβοι), δημιουργούνται εκθετικά περισσότερες περιοχές του χώρου σε κάθε χρονικό βήμα προς τα μπρος. Ακόμα κι αν υπάρχουν πολλοί κύβοι όπου τελειώνει ο πληθωρισμός (κόκκινο Χ), υπάρχουν πολύ περισσότερες περιοχές όπου ο πληθωρισμός θα συνεχιστεί στο μέλλον. Το γεγονός ότι αυτό δεν τελειώνει ποτέ είναι που κάνει τον πληθωρισμό «αιώνιο». [E. SIEGEL / BEYOND THE GALAXY]

Ο πληθωρισμός δεν τελειώνει παντού ταυτόχρονα, αλλά σε ξεχωριστές, αποσυνδεδεμένες θέσεις ανά πάσα στιγμή, ενώ ο χώρος μεταξύ αυτών των θέσεων συνεχίζει να διαστέλλεται. Θα πρέπει να υπάρχουν πολλαπλές, τεράστιες περιοχές του χώρου όπου ο πληθωρισμός τελειώνει και ξεκινούν  θερμές Μεγάλες Εκρήξεις,  αλλά δεν μπορεί ποτέ η μία να συναντηθεί με την άλλη, καθώς χωρίζονται από περιοχές διαστελλόμενου χώρου. Όπου ξεκινά ο πληθωρισμός, είναι σίγουρο πως θα συνεχιστεί επ’ άπειρο, τουλάχιστον σε κάποιες θέσεις.

Όπου ο πληθωρισμός τελειώνει για εμάς, έχουμε μια θερμή Μεγάλη Έκρηξη. Το τμήμα του Σύμπαντος που παρατηρούμε είναι μόνο ένα μέρος αυτής της περιοχής όπου ο τελείωσε ο πληθωρισμός, με επιπλέον μη παρατηρήσιμο Σύμπαν πέρα από αυτό. Αλλά υπάρχουν αμέτρητες περιοχές, που δεν συνδέονται μεταξύ τους, που συμβαίνει ακριβώς το ίδιο.

Μια επεξήγηση των πολλαπλών, ανεξάρτητων Συμπάντων, αιτιωδώς αποσυνδεδεμένων μεταξύ τους σε ένα συνεχώς διαστελλόμενο κοσμικό ωκεανό – μια απεικόνιση της ιδέας του Πολυσύμπαντος.

Αυτή είναι η ιδέα του πολυσύμπαντος. Όπως μπορείτε να δείτε, βασίζεται σε δυο ανεξάρτητες καθιερωμένες και ευρέως-αποδεκτές πτυχές της θεωρητικής φυσικής: την κβαντική φύση των πάντων και τα χαρακτηριστικά του κοσμικού πληθωρισμού. Δεν υπάρχει κανένας γνωστός τρόπος για να το ελέγξουμε, καθώς δεν υπάρχει τρόπος μέτρησης του μη παρατηρούμενου τμήματος του Σύμπαντός μας. Αλλά οι δυο θεωρίες που βρίσκονται πίσω από το πολυσύμπαν, ο πληθωρισμός και η κβαντική φυσική, θεωρούνται έγκυρες (προς το παρόν). Αν είναι σωστές, τότε το πολυσύμπαν είναι μια αναπόφευκτη συνέπεια αυτών, και ζούμε μέσα σ’ αυτό.

Yπάρχουν πολλές θεωρητικές συνέπειες που είναι αναπόφευκτες, αλλά δεν μπορούμε να τις επιβεβαιώσουμε πειραματικά. Το πολυσύμπαν είναι μια τέτοια περίπτωση.

Γιατί λοιπόν τόσοι πολλοί θεωρητικοί φυσικοί γράφουν εργασίες για το πολυσύμπαν; Σχετικά με τα παράλληλα Σύμπαντα και την σύνδεσή τους με το δικό μας μέσα από αυτό το πολυσύμπαν; Γιατί ισχυρίζονται ότι το πολυσύμπαν συνδέεται με το τοπίο (landscape) της θεωρίας των χορδών, την κοσμολογική σταθερά, κι ακόμα με το γεγονός ότι το Σύμπαν μας είναι ρυθμισμένο με μεγάλη ακρίβεια για την ζωή;

Γιατί ακόμα κι αν πρόκειται για μια κακή ιδέα, δεν υπάρχουν καλύτερες.

Στο πλαίσιο της θεωρίας των χορδών, υπάρχει ένα τεράστιο σύνολο παραμέτρων που θα μπορούσαν κατ’ αρχήν να πάρουν οποιαδήποτε τιμή. Η θεωρία δεν κάνει καμία πρόβλεψη γι αυτές, και πρέπει να τις βάλουμε με το χέρι: οι αναμενόμενες τιμές των κενών της θεωρίας των χορδών (string vacua). Αν έχετε ακούσει για τους απίστευτα τεράστιους αριθμούς, όπως το φημισμένο 10500 που εμφανίζεται στην θεωρία των χορδών, πρόκειται για τις πιθανές τιμές των string vacua. Κανείς δεν ξέρει πώς να τις υπολογίσει.

Έτσι, αντ’ αυτού, κάποιοι λένε «είναι το πολυσύμπαν».  Η ροή της σκέψης τους είναι η εξής:

  • Δεν γνωρίζουμε γιατί οι θεμελιώδεις σταθερές έχουν τις τιμές που έχουν.
  • Δεν γνωρίζουμε γιατί οι νόμοι της φυσικής είναι αυτοί που είναι.
  • Η θεωρία των χορδών είναι ένα πλαίσιο το οποίο θα μπορούσε να μας δώσει τους νόμους της φυσικής με τις τιμές των θεμελιωδών σταθερών, αλλά θα μπορούσε να μας δώσει και άλλους νόμους ή και άλλες σταθερές.
  • Επομένως, αν έχουμε ένα τεράστιο πολυσύμπαν, όπου πολλές διαφορετικές περιοχές έχουν διαφορετικούς νόμους και/ή σταθερές, μία από αυτές θα μπορούσε να είναι το σύμπαν μας.

Το μεγάλο πρόβλημα είναι ότι δεν είναι μόνο πως αυτό είναι εντελώς υποθετικό, αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος, δεδομένου του πληθωρισμού και της κβαντικής φυσικής που γνωρίζουμε, να υποθέσουμε ότι ένας πληθωριστικός χωροχρόνος έχει διαφορετικούς νόμους ή σταθερές σε διαφορετικές περιοχές.

Όπως περιγράφεται και εδώ:Is The Multiverse A Scientific Theory?  το πολυσύμπαν ΔΕΝ είναι από μόνο του μια επιστημονική θεωρία.

Μάλλον, είναι μια θεωρητική συνέπεια των νόμων της φυσικής, όπως τους κατανοούμε σήμερα. Ίσως μάλιστα μια αναπόφευκτη συνέπεια αυτών των νόμων: εάν έχετε ένα πληθωριστικό σύμπαν που διέπεται από την κβαντική φυσική, αυτό είναι κάτι στο οποίο θα καταλήξετε αναγκαστικά. Αλλά – όπως και η θεωρία των χορδών – έχει μερικά μεγάλα προβλήματα: δεν προβλέπει τίποτε που νάχουμε παρατηρήσει και να μην μπορούμε να το εξηγήσουμε χωρίς την έννοια του πολυσύμπαντος, και δεν προβλέπει τίποτα συγκεκριμένο που θα μπορούσαμε να το αναζητήσουμε.

Σε αυτό το φυσικό Σύμπαν, είναι σημαντικό να παρατηρούμε – να μετράμε όλα όσα μπορούμε και να μελετάμε κάθε ψήγμα γνώσης που καταφέρνουμε να συλλέξουμε. Μόνο από την πλήρη σύνθεση των διαθέσιμων δεδομένων μπορούμε να ελπίζουμε ότι θα υπάρξουν έγκυρα, επιστημονικά συμπεράσματα σχετικά με τη φύση του Σύμπαντος μας. Ορισμένα από αυτά τα συμπεράσματα θα έχουν επιπτώσεις που ίσως να μην είμαστε σε θέση να μετρήσουμε, όπως η ύπαρξη του πολυσύμπαντος. Αλλά όταν κάποιοι στη συνέχεια υποστηρίζουν ότι μπορούν να συνάγουν συμπεράσματα σχετικά με τις θεμελιώδεις σταθερές, τους νόμους της φυσικής ή τις τιμές των string vacua, δεν κάνουν πλέον την επιστήμη, αλλά υποθέσεις. Οι επιθυμίες δεν υποκαθιστούν τα δεδομένα, τα πειράματα ή τις παρατηρήσεις. Έως ότου τα αποκτήσουμε, πρέπει να γνωρίζουμε ότι το πολυσύμπαν είναι συνέπεια της καλύτερης επιστήμης που διαθέτουμε σήμερα, αλλά δεν κάνει επιστημονικές προβλέψεις που να μπορούμε να επαληθεύσουμε.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες στο άρθρο του Ethan Siegel με τίτλο «What Is (And Isn’t) Scientific About The Multiverse« και στο βιβλίο του «Beyond The Galaxy: How Humanity Looked Beyond Our Milky Way And Discovered The Entire Universe«