|
Eksisterer multiverset virkelig?
Bevis for parallelle universer, som er radikalt anderledes end vort eget, ligger stadig hinsides videnskabens domæne
George F.R. Ellis*
For meget plads til at sno sig
Kort sagt
I det sidste årti har en usædvanlig påstand fanget kosmologerne: At det ekspanderende univers, vi ser omkring os, ikke er det eneste; at milliarder af andre universer også er derude. Der er ikke et univers - der er et multivers. I Scientific American artikler og bøger som Brian Greenes seneste, The Hidden Reality, har ledende forskere talt om en super-kopernikansk revolution. I dette synspunkt er vor planet ikke bare en blandt mange, men selv hele vort univers er ubetydeligt på tingenes kosmiske skala. Det er blot et blandt talløse universer, som hver opfører sig selvstændigt.
Ordet multivers har forskellige betydninger. Astronomer er i stand til at se ud til en afstand på omkring 42 milliarder lysår, vor kosmiske synlige horisont. Vi har ingen grund til at have mistanke om at universet stopper der. Hinsides den kunne der være mange - endda uendeligt mange - domæner meget som det vi ser. Hvert af dem har en forskellig begyndelsesfordeling af stof, men de samme fysiske love virker i dem alle. Næsten alle kosmologer idag (inklusive mig) accepterer denne type multivers, som Max Tegmark kalder "Niveau 1." Men nogle går videre. De foreslår fuldstændig anderledes slags universer, med forskellig fysik, forskellige historier, måske forskellige antal rumlige dimensioner. De fleste vil være sterile, skønt nogle vil vrimle med liv. En førende fortaler fo dette "Niveau 2"multivers er Alexander Vilenkin, som maler et dramatisk billede af et uendeligt sæt universer med et uendeligt antal galakser, et uendeligt antal planeter og et uendeligt antal folk med dit navn, som læser denne artikel.
Lignende påstande er blevet fremsat siden antikken af mange kulturer. Det nye er forsikringen, at multiverset er en videnskabelig teori, med alt hvad det indebærer om at være matematisk streng og til at afprøve med eksperimenter. Jeg er skeptisk overfor denne påstand. Jeg tror ikke, at eksistensen af disse andre universer er blevet bevist - eller nogensinde kan. Ud over at forstørre vor opfattelse af fysisk virkelighed omdefinerer fortalere for multiverset underforstået, hvad der menes med "videnskab."
De, som abonnerer på en bred forestilling om multiverset, har forskellige forslag til, hvordan en sådan udbredelse af universer kunne opstå og hvor de alle ville befinde sig. De kunne være i områder af rummet langt hinsides vort eget, som man forestiller sig i den kaotiske inflationsmodel af Alan H. Guth, Andrei Linde og andre [se "The Self-Reproducing Inflationary Universe," af Andrei Linde; Scientific American, November 1994], [Det selvreproducerende inflatoriske univers]. De kunne måske eksistere i forskellige epoker af tiden, som foreslået i den cyklisk univers model af Paul J. Steinhardt og Neil Turok [se "The myth of the Beginning of Time," af Gabriele Veneziano; Scientific American, Maj 2004.], [Myten om tidens begyndelse]. De kunne måske eksistere i det samme rum, som vi gør, men i en anden gren af kvantebølgefunktionen, som David Deutsch er fortaler for [se "The Quantum Physics of Time Travel," af David Deutsch og Michael Lockwood; Scientific American, Marts 1994.],[Tidsrejsens kvantefysik]. De har måske ikke en placering, idet de er fuldstændig uforbundne med vor rumtid, som foreslået af Tegmark og Dennis Sciama [se "Parallel Universes," af Max Tegmark; Scientific American, Maj 2003], [Parallelle universer].
Af disse valg er det bredest accepterede det med kaotisk inflation og jeg vil koncentrere mig om det; imidlertid gælder de fleste af mine bemærkninger også for alle de andre forslag. Ideen er, at rummet som helhed er et evigt ekspanderende tomrum, indeni hvilket kvantevirkninger kontinuerligt gyder ny universer, som et barn der blæser bobler. Begrebet inflation går tilbage til 1980'erne og fysikerne har arbejdet på det baseret på deres mest omfattende teori om naturen, strengteori. Strengteori tillader at boblerne ser meget forskellige ud fra hinanden. Virkningen er, at de starter livet ikke kun med en tilfældig fordeling af stof men også med tilfældige typer stof. Vort univers indeholder partikler som elektroner og kvarker, der vekselvirker gennem kræfter som elektromagnetisme; andre universer kan have meget anderledes typer partikler og kræfter - hvilket er det samme som andre lokale fysiklove. Hele sættet af tilladte lokale love er kendt som landskabet. I nogle tolkninger af strengteori er landskabet umådeligt og sikrer en mægtig variation af universer.
Mange fysikere, som taler om multiverset, især fortalere for strenglandskabet, bryder sig ikke meget om parallelle universer i sig selv. For dem er indvendinger til multiverset som begreb uvigtigt. Deres teorier lever eller dør baseret på indre sammenhæng og, håber man, laboratorieafprøvning med tiden. De antager en multivers sammenhæng til deres teorier uden at bekymre sig om, hvor den kommer fra - hvilket er det kosmologer beskæftiger sig med.
For en kosmolog er det grundlæggende problem med alle forslag til multiverser tilstedeværelsen af en kosmisk visuel horisont. Horisonten er grænsen for, hvor langt væk vi kan se, fordi signaler, der bevæger sig mod os med lysets hastighed (som er endelig), ikke har haft tid siden begyndelsen af universet til at nå os længere væk fra. Alle de parallelle universer ligger udenfor vor horisont og forbliver hinsides vor evne til at se, nu eller nogensinde, ligegyldigt hvor meget teknologien udvikler sig. Faktisk er de så langt væk, at de overhovedet ingen indflydelse har haft på vort univers. Det er derfor ingen af multivers entusiasternes påstande kan bevises direkte.
Fortalerne siger til os, at vi kan erklære i brede vendinger, hvad der sker 1.000 gange så langt væk som vor kosmiske horisont, 10100 gange, 101.000.000 gange, det uendelige - alt fra data, vi opnår indenfor horisonten. Det er en ekstrapolation af en ekstraordinær slags. Måske lukker universet sig på meget stor skala og der er ingen uedelighed derude. Måske ender alt stof i universet et eller andet sted og der er tomt rum for evigt derefter. Måske kommer rum og tid til en slutning i en singularitet, der begrænser universet. Vi ved bare ikke, hvad der virkelig sker, for vi har ingen information om disse områder og det vil vi aldrig få.
De fleste fortalere for multiverset er omhyggelige forskere, som er helt klar over dette problem, men mener at vi alligevel kan foretage informerede gæt på, hvad der sker derude. Deres argumenter falder i syv brede typer, som hver støder på problemer.
Rummet har ingen slutning. Få bestrider at rummet strækker sig hinsides vor kosmiske horisont og at der ligger mange andre domæner hinsides det, vi ser. Hvis denne begrænsede type multivers eksisterer, kan vi ekstrapolere hvad vi ser til domæner hinsides horisonten med mere og mere usikkerhed med hensyn til regionerne, der ligger langt ude. Så er det let at forestille sig mere detaljerede typer variation, inklusive alternativ fysik derude, hvor vi ikke kan se. Men problemet med denne type ekstrapolation, fra det kendte til det ukendte, er, at ingen kan modbevise den. Hvordan kan forskere beslutte, hvorvidt deres billede af et uobserverbart område af rumtiden er en fornuftig eller ufornuftig ekstrapolation af, hvad vi ser? Kunne andre universer have forskellige startfordelinger af stof, eller kunne de også have forskellige værdier af fundamentale fysiske konstanter, som dem der bestemmer styrken af kernekræfterne? Man kunne få begge, afhængigt af hvad man antager.
Kendt fysik forudsiger andre domæner. Foreslåede forenede teorier forudsiger entiteter som skalarfelter, en hypotetetisk slægtning til andre felter, der fylder rummet, som det magnetiske felt. Sådanne felter skulle drive kosmisk inflation og skabe universer i det uendelige. Disse teorier er velfunderede teoretisk, men naturen af de hypotetiske felter er ukendt og eksperimentatorerne mangler endnu at demonstrere deres eksistens og måle deres antagede egenskaber. Det er afgørende, at fysikerne endnu ikke har dokumenteret at disse felters dynamik ville forårsage at der ville virke forskellige fysiklove i forskellige bobleuniverser.
Teorien, der forudsiger en uendelighed af universer, består en nøgle observationstest. Den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling afslører, hvordan universet så ud ved slutningen af dets varme, tidlige ekspansionsæra. Mønstre i den antyder, at vort univers virkelig gennemgik en periode med inflation. Men ikke alle typer inflation fortsætter og skaber et uendeligt antal bobleuniverser. Observationer udvælger ikke den krævede type inflation fra andre typer. Nogle kosmologer, som Steinhardt, hævder oven i købet, at evig inflation ville have ført til andre mønstre i baggrundsstrålingen, end vi ser [se "The Inflation Debate," af Paul J. Steinhardt; Scientific American, April 2011], [Inflationsdebatten]. Linde og andre er uenige. Hvem har ret? Det afhænger altsammen af, hvad man antager om det inflatoriske felts fysik.
Fundamentale konstanter er finjusterede til liv. En bemærkelsesværdig kendsgerning om vort univers er, at fysiske konstanter har lige de rette værdier, som er nødvendige til komplekse strukturer, inklusive levende ting. Steven Weinberg, Martin Rees, Leonard Susskind og andre påstår, at et eksotisk multivers giver en ordentlig forklaring på dette tilsyneladende sammenfald: hvis alle mulige værdier sker i en stor nok samling universer, så vil der bestemt blive fundet nogle, levedygtige for liv, et eller andet sted. Denne fornuftslutning er blevet anvendt især til at forklare tætheden af den mørke energi, der sætter farten på udvidelsen op idag. Jeg er enig i, at multiverset er en mulig gyldig forklaring på værdien af denne tæthed; det er det eneste videnskabelige valg, vi har lige nu. Men vi har intet håb om at afprøve det med observationer. Desuden antager de fleste analyser af emnet, at fysikkens grundlæggende ligninger er de samme overalt, hvor det kun er konstanterne der ændrer sig - men hvis man tager multiverset alvorligt, behøver det ikke være sådan [se "Looking for life in the Multiverse," af Alejandro Jenkins og Gilad Perez; Scientific American, Januar 2010], [Søgen efter liv i multiverset].
Fundamentale konstanter passer til multivers forudsigelser. Dette argument forfiner det tidligere ved at foreslå, at universet ikke er mere finjusteret til liv end det strengt taget behøver at være. Fortalerne har vurderet sandsynlighederne for forskellige værdier af mørk energi tætheden. Jo højere værdien er jo mere sandsynlig er den, men jo mere fjendtligt for liv ville universet være. Værdien, vi observerer, skulle være lige på grænselinien af ubeboelighed og det ser ud til at være sådan (se illustrationen nedenfor). Argumentet fejler, når vi ikke kan anvende et sandsynlighedsargument, hvis der ikke er noget multivers at anvende sandsynlighedsbegrebet på. Dette argument antager således det ønskede resultat, før det starter; det kan simpelthen ikke anvendes, hvis der kun er et eksisterende univers. Sandsynlighed er en sonde på konsistensen af multivers forslaget, ikke et bevis på dets eksistens.
Strengteori forudsiger en mangfoldighed af universer. Strengteori har flyttet sig fra at være en teori, der forklarer alting til en teori hvor næsten alt er muligt. I sin nuværende form forudsiger den, at mange væsentlige egenskaber ved vort univers er ren tilfældighed. Hvis universet er enestående, synes disse egenskaber uforklarlige. Hvordan kan vi, f.eks., forstå den kendsgerning, at fysikken har præcis de højt begrænsede egenskaber, der tillader at liv eksisterer? Hvis universet er et af mange giver de egenskaber perfekt mening. Intet udvalgte dem; de er simpelthen dem, som opstod i vort område af rummet. Hvis vi havde levet et andetsted ville vi have observeret andre egenskaber, hvis vi overhovedet kunne eksistere der (liv ville være umuligt de fleste steder). Men strengteori er ikke en afprøvet teori; den er ikke engang en komplet teori. Hvis vi havde bevis for at strengteori er korrekt, kunne dens teoretiske forudsigelser være et legitimt, eksperimentelt baseret argument for et multivers. Vi har ikke et sådant bevis.
Alt hvad der kan ske, sker. Når de søger at forklare, hvorfor naturen adlyder visse love og ikke andre, har nogle fysikere spekuleret over, at naturen aldrig foretog et sådant valg: alle tænkelige love gælder et eller andet sted. Ideen er delvist inspireret af kvantemekanik, Murray Gell-Man formulerede det mindeværdigt, som påstår, at alt, der ikke er forbudt, er tvunget. En partikel tager alle de stier den kan og det, vi ser, er det vægtede middel af alle disse muligheder. Måske gælder det samme for hele universet, hvilket betyder et multivers. Men astronomer har ikke den ringeste chance for at observere denne mangfoldighed af muligheder. Vi kan faktisk ikke vide, hvad disse muligheder er. Vi kan kun få mening i dette forslag stillet overfor et eller andet organiserende princip, som ikke kan verificeres eller nogle rammer som beslutter, hvad der er tilladt og hvad der ikke er - for eksempel, at alle mulige matematiske strukturer skal virkeliggøres i et eller andet fysisk domæne (som foreslået af Tegmark). Men vi har ingen ide om, hvilken slags eksistens dette princip medfører, bortset fra den kendsgerning, at det, af nødvendighed, skal inkludere den verden, vi ser omkring os. Og vi har slet ingen måde at verificere eksistensen eller naturen af noget sådant organiserende princip. Det er på nogle måder et tiltrækkende forslag, men dets foreslåede anvendelse på virkeligheden er ren spekulation.
Skønt de teoretiske argumenter kommer til kort, har kosmologer også foreslået forskellige empiriske prøver for parallelle universer. Den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling kunne indeholde nogle spor af andre bobleuniverser, hvis, f.eks., vort univers nogensinde er kollideret med en anden boble af den slags, som det kaotiske inflation scenario medfører. Baggrundsstrålingen kunne måske også indeholde rester af universer, der eksisterede før big bang i en endeløs cyklus af universer. Disse er faktisk måder, hvorpå man kunne få virkelige vidnesbyrd om andre universer. Nogle kosmologer har endda hævdet at have set sådanne rester. De observationelle påstande bliver imidlertid heftigt diskuteret og mange af de hypotetiske mulige multiverser ville ikke føre til sådanne vidnesbyrd. Så observatørerne kan kun afprøve nogle særlige klasser af multivers modeller på denne måde.
En anden observationel prøve er at lede efter variationer i en eller flere fundamentale konstanter, hvilket ville bestyrke præmissen, at fysikkens love ikke er så uforanderlige trods alt. Nogle astronomer hævder at have fundet sådanne variationer [se "Inconstant Constants," af John D. Barrow og John K. Webb; Scientific American, Juni 2005], [Ukonstante konstanter]. De fleste betragter dog vidnesbyrdene for tvivlsomme.
En tredje prøve er at måle formen på det observerbare univers: Er det kugleformet (positivt krummet), hyperbolsk (negativt krummet) eller "fladt" (ukrummet)? Multivers scenarier forudsiger generelt, at universet ikke er kugleformet, fordi en kugle lukker sig om sig selv og kun tillader et endeligt rumfang. Uheldigvis er denne prøve ikke ren. Universet hinsides vor horisont kunne have en anden form end den i den observerede del; hvad mere er, ikke alle multiversteorier udelukker en kugleformet geometri.
En bedre prøve er universets topologi. Folder den sig rundt som en doughnut eller en saltkringle? Hvis det gjorde, ville det være af endelig størrelse, hvilket bestemt ville forkaste de fleste versioner af inflation og især multivers scenarier baseret på kaotisk inflation. En sådan form ville frembringe gentagne mønstre på himlen som gigantiske cirkler i den kosmiske mikrobølge baggrundsstråling [se "Is Space Finite," af Jean-Pierre Luminet, Glenn D. Starkman og Jeffrey R. Weeks; Scientific American, April 1999]. Observatører har ledt efter og ikke fundet sådanne mønstre. Men dette nul resultat kan ikke tages til indtægt for multiverset.
Endelig kunne fysikerne håbe på at bevise eller modbevise nogle af de teorier, der forudsiger et multivers. De kunne måske finde observationsvidnesbyrd mod kaotiske versioner af inflation eller opdage en matematisk eller empirisk usammenhæng, der tvinger dem til at opgive strengteoriens landskab. Det scenarie ville underminere meget af motivationen for at støtte multivers ideen, skønt det ikke helt ville udelukke begrebet.
For meget plads til at sno sig Alt i alt er sagen for multiverset uafgjort. Den grundlæggende årsag er forslagets ekstreme fleksibilitet: det er mere et begreb end en veldefineret teori. De fleste forslag involverer et kludetæppe af forskellige ideer snarere end et sammenhængende hele. Den grundlæggende mekanisme for evig inflation forårsager i sig selv ikke at fysikken er forskellig i hvert domæne i et multivers; for det skal den kobles til en anden spekulativ teori. Skønt de kan passes sammen er der ikke noget uundgåeligt over det.
Det afgørende skridt i retfærdiggørelse af et multivers er ekstrapolation fra det kendte til det ukendte, fra det, der kan afprøves, til det, der ikke kan. Man får forskellige svar afhængigt af, hvad man ønsker at ekstrapolere. Fordi teorier, der involverer et multivers, kan forklare næsten hvad som helst, kan enhver observation tilpasses en eller anden multivers variant. De forskellige "beviser" foreslår effektivt, at vi burde acceptere en teoretisk forklaring i stedet for at insistere på afprøvning ved observation. Men en sådan afprøvning har indtil nu været det centrale krav i den videnskabelige beskæftigelse og det vil skade os at opgive den. Hvis vi svækker kravet om faste data, svækker vi kernegrunden til videnskabens succes de foregående århundreder.
Nuvel, det er sandt, at en tilfredsstillende forenende forklaring på et område af fænomener bærer større vægt end en spredt samling separate argumenter for det samme fænomen. Hvis den forenende forklaring antager eksistensen af uobserverbare entiteter som parallelle universer, kunne vi meget vel føle os fristede til at acceptere disse entiteter. Men kernen her er, hvor mange entiteter, der ikke kan verificeres, der behøves. Specifikt: hypotetiserer vi flere eller færre entiteter end antallet af fænomener, vi vil forklare? I tilfældet med multiverset antager vi eksistensen af et enormt antal - måske endda en uendelighed - af uobserverbare entiteter for at forklare blot et eksisterende univers. Det stemmer næppe med den engelske filosof fra det 14. århundrede, William of Occam's, kritiske bemærkning at "entiteter skal ikke multipliceres hinsides det nødvendige."
Fortalere for multiverset giver et sidste argument: at der ikke er nogen gode alternativer. Hvor usmagelig forskerne end finder udbredelsen af parallelle verdener, ville vi blive drevet til at acceptere den, hvis det er den bedste forklaring; hvis vi omvendt skal opgive multiverset, har vi behov for et levedygtigt alternativ. Denne udforskning af alternativer afhænger af, hvilken slags forklaring vi er forberedt på at acceptere. Fysikernes håb har altid været, at naturlovene er uundgåelige - at tingene er som de er, fordi der ikke er nogen anden måde de kunne være på - men vi har været ude af stand til at vise, at dette er sandt. Der findes også andre valg. Universet kunne være rent tilfældigt - det blev bare sådan. Eller det var meningen at de skulle være som de er - formål og hensigt ligger på en eller anden måde under eksistensen. Videnskaben kan ikke bestemme, hvilket er tilfældet, fordi disse er metafysiske emner.
Forskerne foreslog multiverset som en måde at løse dybe spørgsmål om eksistensens natur på, men forslaget efterlader de endelige emner uløste. Alle de samme emner, som opstår i forhold til universet, opstår igen i forhold til multiverset. Hvis multiverset eksisterer kom det så i eksistens gennem nødvendig tilfældighed eller formål? Det er et metafysisk spørgsmål, som ingen fysisk teori kan besvare for hverken universet eller multiverset.
For at gøre fremskridt behøver vi at holde fast ved ideen, at empirisk afprøvning er videnskabens kerne. Vi behøver en slags årsagsmæssig kontakt med, hvilke entiteter vi end foreslår; ellers er der ingen grænser. Forbindelsen kan være en smule indirekte. Hvis en entitet er uobserverbar, men absolut væsentlig for egenskaberne ved andre entiteter, som faktisk er verificerede, kan den tages som verificeret. Men så er byrden med at forklare den absolut væsentlig for nettet af forklaring. Udfordringen jeg stiller til multivers fortalerne er denne: Kan i bevise at usete, parallelle universer er vitale for at forklare den versen, vi ser? Og er forbindelsen væsentlig og uundgåelig?
Så skeptisk jeg er, mener jeg at overvejelsen af multiverset er en glimrende lejlighed til at reflektere over videnskabens natur og eksistensens endelige natur: hvorfor vi er her. Det fører til nye og interessante indsigter og er derfor et produktivt forskningsprogram. Når vi ser på dette begreb, har vi behov for et åbent sind, dog ikke for åbent. Det er en delikat sti at betræde. Parallelle universer findes måske eller måske ikke; sagen er ubevist. Vi er nødt til at leve med den usikkerhed. Der er intet i vejen med videnskabeligt baseret filosofisk spekulation, hvilket er, hvad multiversforslagene er. Men vi bør kalde dem det, de er.
Issues in the Philosophy of Cosmology. George F.R. Ellis i Philosophy of Physics. Redigeret af Jeremy Butterfield og John Earman. Elsevier, 2006. http://arxiv.org/abs/astro-ph/0602280
Universe or Multiverse? Redigeret af Bernard Carr. Cambridge University Press, 2009.
The Hidden Reality: Parallel Universes and the Deep Laws of the Cosmos. Brian Greene. Knopf, 2011.
Higher Speculations: Grand Theories and Failed Revolutions in Physics and Cosmology. Helge Kragh. Oxford University Press, 2011.
* George F.R. Ellis er kosmolog og emeritus matematisk professor på University of Cape Town i Sydafrika. Han er en af verdens førende eksperter i Einsteins relativitetsteori og medforfatter med Stephen Hawking til The Large Scale Structure of Space-Time (Cambridge University Press, 1975).
Fra Does the Multiverse Really Exist? Scientific American, August 2011. Side 18-23.
Sagen for parallelle universer
Hvorfor multiverset, så skørt som det lyder, er en fast videnskabelig ide
Redaktørens bemærkning: I augustnummeret af Scientific American beskriver kosmologen George Ellis, hvorfor han er skeptisk overfor begrebet parallelle universer. Her giver multivers fortalerne Alexander Vilenkin og Max Tegmark modpointer og forklarer hvorfor multiverset ville redegøre for så mange egenskaber ved vort univers - og hvordan de kan afprøves.
Velkommen til Multiverset
Alexander Vilenkin
Universet, som vi kender det, opstod i en gigantisk eksplosion, som vi kalder big bang. I næsten et århundrede har kosmologer studeret efterspillet af denne eksplosion: hvordan universet udvidede sig og afkøledes og hvordan galakserne langsomt blev trukket sammen af tyngdekraften. Naturen af selve big bang er først kommet i fokus fornylig. Det er emnet for teorien om inflation, som blev udviklet i de tidlige 1980'ere af Alan Guth, Andrei Linde og andre og har ført til et radikalt globalt syn på universet.
Inflation er en periode af superhurtig, accelereret udvidelse tidligt i den kosmiske historie. Den er så hurtig, at på en brøkdel af et sekund blæses en lillebitte plet af rum til dimensioner meget større end hele det i øjeblikket synlige univers. Ved slutningen af inflationen tænder den energi, der drev udvidelsen, en varm ildkugle af partikler og stråling. Det er det, vi kalder big bang.
Inflationens slutning udløses af kvantiske sandsynlighedsprocesser og sker ikke overalt på en gang. I vort kosmiske nabolag sluttede inflationen for 13,7 milliarder år siden, men den fortsætter stadig i fjerne dele af universet og andre "normale" områder som vort dannes konstant. De nye områder dukker op som bittesmå, mikroskopiske bobler og begynder øjeblikkeligt at vokse. Boblerne fortsætter med at vokse uden grænse; i mellemtiden drives de fra hinanden af den inflatoriske udvidelse og gør plads til at flere bobler kan dannes. Denne proces, som aldrig slutter, kaldes evig inflation. Vi lever i en af boblerne og kan kun observere en lille del af den. Ligemeget hvor hurtigt vi rejser, kan vi ikke indhente vor bobles udvidende grænser, så for alle praktiske formål lever vi i et selvbærende bobleunivers.
Inflationsteorien forklarede nogle ellers mystiske egenskaber ved big bang, som førhen simpelthen skulle postuleres. Den gjorde også et antal forudsigelser, der kunne afprøves, som så blev strålende bekræftet af observationer. Nu er inflation blevet det førende kosmologiske paradigme.
En anden vigtig side af det nye verdensbillede er afledt af strengteori, som i øjeblikket er vor bedste kandidat til naturens fundamentale teori. Strengteori tillader et umådeligt stort antal løsninger, der beskriver bobleuniverser med forskellige fysiske egenskaber. De mængder, vi kalder naturkonstanter, som elementarpartiklernes masser, Newtons tyngdekonstant, og så videre indtager forskellige værdier i forskellige typer bobler. Kombiner nu dette med inflationsteorien. Hver bobletype har en bestemt sandsynlighed for at dannes i det inflaterende rum. Så vil der uundgåeligt blive dannet et ubegrænset antal bobler af alle mulige typer i løbet af den evige inflation.
Dette billede af universet, eller multiverset, som det kaldes, forklarer det langvarige mysterie om, hvorfor naturens konstanter ser ud til at være finjusterede for livets opdukken. Grunden er, at intelligente observatører kun eksisterer i de sjældne bobler, i hvilke, af ren tilfældighed, konstanterne er præcis de rette for at livet kan udvikle sig. Resten af multiverset forbliver øde, men der er ingen til at beklage sig over det.
Nogle af mine fysikkolleger finder multiversteorien alarmerende. Enhver teori i fysik står og falder med om dens forudsigelser stemmer overens med data. Men hvordan kan vi verificere eksistensen af andre bobleuniverser? Paul J. Steinhardt og George Ellis har, f. eks., hævdet, at multiversteorien er uvidenskabelig, fordi den ikke kan afprøves, selv i princippet.
Det er overraskende, at observationsafprøvninger af multiversbilledet faktisk kan være mulige. Anthony Aguirre, Matt Johnson, Matt Kleban og andre har peget på, at en kollision af vor ekspanderende boble med en anden boble i multiverset ville frembringe et aftryk i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling - en rundt plet med højere eller lavere strålingsintensitet. En detektion af en sådan plet med den forudsagte intensitetsprofil ville give direkte vidnesbyrd om eksistensen af andre bobleuniverser. Eftersøgningen er nu igang, men uheldigvis er der ingen garanti for, at en boblekollision er sket indenfor vor kosmiske horisont.
Der er også en anden indfaldsvinkel, man kan følge. Ideen er at bruge vor teoretiske model af multiverset til at forudsige værdien af de naturkonstanter, som vi kan forvente at måle i vort lokale område. Hvis konstanterne varierer fra et bobleunivers til et andet kan deres lokale værdier ikke forudsiges med bestemthed, men vi kan stadig lave statistiske forudsigelser. Vi kan aflede fra teorien, hvilke værdier af konstanterne der er mest sandsynlige at måle af en typisk observatør i multiverset. Hvis vi antager, at vi er typiske - antagelsen jeg kaldte princippet om middelmådighed - så kan vi forudsige de sandsynlige værdier for konstanterne i vor boble.
Strategien er blevet anvendt på vakuumets energitæthed, også kendt som "mørk energi". Steven Weinberg har bemærket, at i områder, hvor mørk energi er stor, forårsager den, at universet ekspanderer meget hurtigt, hvilket forhindrer stof i at klumpe sammen til galakser og stjerner. Det er ikke sandsynligt, at observatører udvikles i sådanne områder. Beregninger viste, at de fleste galakser (og derfor de fleste observatører) er i områder, hvor den mørke energi er omkring den samme som stoftætheden i epoken med galaksedannelse. Forudsigelsen er derfor, at en lignende værdi burde blive observeret i vor del af universet.
For det meste tog fysikere ikke disse ideer alvorligt, men til deres overraskelse blev mørk energi af omkring den forventede størrelsesorden detekteret i astronomiske observationer sidst i 1990'erne. Dette kunne være vort første vidnesbyrd om, at der virkelig er et enormt multivers derude. Det har ændret manges opfattelse.
Multiversteorien er stadig i sin barndom og der resterer nogle begrebsmæssige problemer, som skal løses. Men, som Leonard Susskind skrev, "Jeg ville vædde på, at ved begyndelsen af det 22. århundrede vil filosoffer og fysikere se nostalgisk på nutiden og genkalde en gylden tidsalder, i hvilken det snævre provinsiale begreb om universet veg for et større, bedre [multivers] ... af svimlende proportioner."
Multiverset slår igen
Max Tegmark
Lever du virkelig i et multivers, eller er denne ide hinsides videnskab?
Inspireret af en interessant kritik af multiverser i augustnummeret af Scientific American, skrevet af relativitetspioneren George F.R. Ellis, vil jeg give min mening, for hvad det er værd.
Multivers ideer har traditionelt modtaget kort proces fra det etablerede: Giordano Bruno med sit uendeligt-rum multivers blev brændt på bålet i 1600 og Hugh Everett med hans kvantemultivers blev brændt på fysikjob markedet i 1957. Jeg har endda følt noget af varmen på første hånd, med seniorkolleger, der foreslog at mine multiversrelaterede publikationer var skøre og ville ødelægge min karriere. Der er imidlertid sket en stor forandring i de seneste år. Nu gælder det om parallelle universer, der dukker op i bøger, film og endda jokes: "Du bestod din eksamen i mange parallelle universer - men ikke i det her."
Denne luftning af ideerne har bestemt ikke ført til enighed blandt forskerne, men den har gjort multiversdebatten meget mere nuanceret og, efter min mening, mere interessant, med forskere der går længere end at råbe efter hinanden og prøver at forstå hinandens synspunkter. George Ellis nye artikel er et mægtigt eksempel på dette og jeg anbefaler meget at læse den, hvis du ikke allerede har.
Med vores univers mener jeg det kugleformede område af rummet fra hvilket lys har haft tid til at nå os i løbet af de 13,7 milliarder år siden vort big bang. Når jeg taler om parallelle universer finder jeg det nyttigt at skelne mellem fire forskellige niveauer: Niveau I (andre sådanne områder langt borte i rummet, hvor fysikkens tilsyneladende love er de samme, men hvor historien udspillede sig forskelligt, fordi tingene begyndte anderledes), Niveau II (områder af rum hvor selv fysikkens tilsyneladende love er anderledes), Niveau III (parallelle verdener andetsteds i det såkaldte Hilbert rum, hvor kvantevirkeligheden udspiller sig), Niveau IV (totalt afbrudte virkeligheder styret af andre matematiske ligninger).
I sin kritik klassificerer George mange af argumenterne til fordel for disse multivers niveauer og hævder at de alle har problemer. Her er min opsummering af hans vigtigste anti-multivers argumenter:
1) Inflation er måske forkert (eller ikke evig)
2) Kvantemekanik kan være forkert (eller ikke enhedsmæssig)
3) Strengteori kan være forkert (eller mangle mangfoldige løsninger)
4) Multiverser kan ikke gendrives (afprøves)
5) Nogle hævdede multivers vidnesbyrd er tvivlsomme
6) Finjusteringsargumenter antager måske for meget
7) Det er en glat skråning til endnu større multiverser
(George nævnte faktisk ikke (2) i artiklen, men jeg tilføjer det her, fordi jeg tror han ville have gjort det, hvis redaktøren havde tilladt ham mere end seks sider.)
Hvordan stiller jeg mig til denne kritik? Interessant nok er jeg enig i alle disse syv erklæringer - og ikke desto mindre vil jeg med glæde vædde mit livs opsparing på eksistensen af et multivers!
Lad os begynde med de første fire. Inflation frembringer naturligt Niveau I multiverset og hvis man tilføjer strengteori med et landskab af mulige løsninger får man også Niveau II. Den enkleste form for kvantemekanik ("enhedsmæssig") giver os Niveau III. Så hvis disse teorier udelukkes, så kollapser nøglevidnesbyrd for disse multiverser.
Husk: Parallelle universer er ikke en teori - de er visse teoriers forudsigelser.
For mig er nøglepointen, at hvis teorier er videnskabelige, så er det legitim videnskab at udarbejde og diskutere alle deres konsekvenser, selv om de involverer ikkeobserverbare entiteter. For at en teori skal kunne gendrives, behøver vi ikke at kunne observere og afprøve alle dens forudsigelser, blot mindst en af dem. Mit svar på (4) er derfor, at hvad der kan afprøves videnskabeligt er vore matematiske teorier, ikke nødvendigvis deres betydninger og at dette er helt OK. For eksempel, da Einsteins teori om almen relativitet med succes har forudsagt mange ting, vi kan observere, tager vi også dens forudsigelser af ting, vi ikke kan observere, alvorligt, f.eks., hvad der sker inde i sorte huller.
Hvis vi, på samme måde, er imponerede over de succesfulde forudsigelser af inflation eller kvantemekanik indtil videre, så behøver vi også at tage deres andre forudsigelser, inklusive Nivau I og Niveau III multiverset alvorligt. George nævner endda den mulighed, at evig inflation måske en dag vil blive udelukket - for mig er dette simpelthen et argument for, at evig inflation er en videnskabelig teori.
Strengteori er bestemt ikke kommet så langt som inflation og kvantemekanik med at etablere sig som videnskabelige teorier, der kan afprøves. Jeg har imidlertid mistanke om, at vi ville hænge på et Niveau II multivers, selvom strengteori viser sig at være en død sild. Det er helt almindeligt, at matematiske ligninger har mangfoldige løsninger og så længe de fundamentale ligninger, der beskriver vor virkelighed, har, så vil evig inflation under ét skabe enorme områder af rum, der fysisk virkeliggør hver af disse løsninger. For eksempel, ligningerne, der styrer vandmolekyler, som ikke har noget at gøre med strengteori, tillader de tre løsninger svarende til damp, flydende vand og is og hvis selve rummet på samme måde kan eksistere i forskellige faser, vil inflation tendere til at virkeliggøre dem alle.
George anfører et antal observationer, der går ud på at støtte multivers teorier, der højst er tvivlsomme, som vidnesbyrd for at visse naturkonstanter ikke er virkelig konstante, vidnesbyrd i den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling for kollisioner med andre universer eller mærkeligt forbundet rum, og så videre. Jeg deler fuldstændigt hans skepsis overfor disse påstande. I alle disse tilfælde har kontroversen imidlertid været om analysen af data, meget som i debatten over kold fusion. For mig er selve den kendsgerning, at forskere laver disse målinger og argumenterer om datadetaljer yderligere vidnesbyrd om, at dette er indenfor videnskabens område: det er præcist, hvad der adskiller en videnskabelig kontrovers fra en ikkevidenskabelig!
Vort univers ser ud til at være overraskende finjusteret til liv i den forstand, at hvis man rykkede mange af vore naturkonstanter blot en lillebitte smule, ville livet, som vi kender det, være umuligt. Hvorfor? Hvis der er et Niveau II multivers, hvor disse "konstanter" antager alle mulige værdier, så er det ikke overraskende, at vi finder os selv i et af de sjældne universer, der er beboeligt, ligesom det ikke er overraskende at vi finder os selv levende på Jorden i stedet for Merkur eller Neptun. George har indvendinger mod den kendsgerning, at man er nødt til at antage en multiversteori for at drage denne konklusion, men det er sådan vi afprøver enhver videnskabelig teori: vi antager, at den er sand, udarbejder konsekvenserne og kasserer teorien, hvis forudsigelserne ikke passer med observationerne. Noget af finjusteringen ser ekstrem nok ud til at være temmelig forvirrende - hvis vi, f.eks., behøver at justere den mørke energi til omkring 123 decimalpladser for at lave beboelige galakser. For mig kan et uforklarligt sammenfald være et sigende tegn på et gab i vor videnskabelige forståelse. At forkaste det ved at sige "Vi var bare heldige - hold op med at lede efter en forklaring!" er ikke kun utilfredsstillende, men også ensbetydende med at ignorere et potentielt afgørende spor.
George hævder, at hvis vi tager det alvorligt, at alt der kan ske, sker, føres vi ned ad en glat skråning mod endnu større multiverser, som Niveau IV. Da det er mit foretrukne multivers niveau og jeg er en af de meget få fortalere for det, er dette en skråning, jeg er glad for at glide ned ad.
George nævner også, at multiverser måske falder for Occams ragekniv ved at indføre unødvendige komplikationer. Som teoretisk fysiker bedømmer jeg ikke en teoris elegance og enkelhed ved dens ontologi men ved elegancen og enkelheden ved dens matematiske ligninger - og for mig er det slående at de matematisk enkleste teorier har tendens til at give os multiverser. Det har vist sig bemærkelsesværdigt vanskeligt at nedskrive en teori, som giver nøjagtigt det univers, vi ser, og intet mere.
Endelig er der et anti-multivers argumente, som jeg roser George for at undgå, men som efter min mening er det mest overbevisende af alle for de fleste: de parallelle universer synes for skøre til at være sande.
Efter at have set på anti-multivers argumenterne, så lad os nu analysere pro-multiverset sagen lidt nærmere. Jeg vil hævde, at alle de kontroversielle emner smelter bort, hvis vi accepterer den Ydre Virkeligheds hypotese: der eksisterer en ydre fysisk virkelighed komplet uafhængig af os mennesker. Antag, at denne hypotese er korrekt. Så hviler det meste af multiverskritikken på en eller anden kombination af de følgende tre tvivlsomme antagelser:
1) Omnivision antagelse: den fysiske virkelighed skal være sådan, at mindst en observatør i princippet kan observere den hele.
2) Pædagogisk virkelighed antagelse: fysisk virkelighed skal være sådan, at alle rimeligt informerede menneskelige observatører føler, at de intuitivt forstår den.
3) Ingen-kopi antagelse: ingen fysisk proces kan kopiere observatører eller skabe subjektivt uskelnelige observatører.
1) og 2) ser ud til kun at være motiveret af menneskeligt overmod. Omnivision antagelsen omdefinerer effektivt ordet "eksisterer" til at være ensbetydende med hvad der kan observeres af mennesker, ligesom en struds med hovedet i sandet. De, som insisterer på den pædagogiske virkeligheds antagelse, vil typisk have afvist behagelige velkendte barndomsideer som Julemanden, lokal realisme, Tandfeen og kreativisme - men har de virkelig arbejdet hårdt nok på at frigøre sig fra behagelige, velkendte ideer, der har dybere rod? Efter min personlige opfattelse er vort job som forskere, at prøve at regne ud, hvordan verden virker, ikke at fortælle den, hvordan den skal virke baseret på vore filosofiske forudfattede meninger.
Hvis omnivision antagelsen er forkert, så er der uobserverbare ting der eksisterer og vi lever i et multivers.
Hvis pædagogisk virkelighed antagelsen er forkert, så giver indvendingen, at multiverser er for skøre, ingen mening.
Hvis ingen-kopi antagelsen er forkert, så er der ingen fundamental grund til, at der ikke kan være kopier af en andetsteds i den ydre virkelighed - faktisk giver både evig inflation og enhedsmæssig kvantemekanik mekanismer til at skabe dem.
Vi mennesker har en veldokumenteret tendens mod overmod, arogant forestillende sig på center scenen, hvor alting drejer sig om os. Vi har gradvist lært, at det i stedet er os, der kredser omkring Solen, som selv kredser omkring en galakse blandt talløse andre. Takket være gennembrud i fysik vinder vi måske endnu mere indsigt i selve virkelighedens natur.
Prisen, vi skal betale, bliver mere beskeden - hvilket sandsynligvis vil gøre os godt - men som resultat finder vi os måske som beboere i en virkelighed, der er mægtigere end vore forfædre nogensinde drømte om i deres vildeste drømme.
Yderligere læsning
Many Worlds in One: The Search for Other Universes. Alex Vilenkin. Hill and Wang, 2006.
The Cosmic Landscape: String Theory and the Illusion of Intelligent design. Leonard Susskind. Back Bay Books, 2006.
The Hidden Reality: Parallel Universes and the Hidden Laws of the Cosmos. Brian Greene. Knopf, 2011.
Fra The Case for Parallel Universes. http://scientificamerican.com
Det selv-reproducerende univers
|
