Universum | Multiverse | Parallell universum | Rymdtid | Big Bang teorin

Det finns en stor svit av vetenskapliga bevis som stöder bilden av det expanderande universum och Big Bang. Hela universumets massenergi släpptes i en händelse som varade under 10 ^ -30 sekunder i längd; det mest energiska som någonsin inträffat i vår universums historia. NASA / GSFC

Det är bara 13,8 miljarder år sedan Big Bang, och toppfarten med vilken information som helst kan resa - ljusets hastighet - är begränsad. Trots att hela universum i sig verkligen kan vara oändligt är det observerbara universum begränsat. Enligt de ledande idéerna inom teoretisk fysik kan emellertid vårt universum bara vara ett mindre område i en mycket större multivers, inom vilken många universum, kanske till och med ett oändligt antal, finns. En del av detta är faktisk vetenskap, men andra är inget annat än spekulativt, önsketänkande. Så här säger du vilken är vilken. Men först lite bakgrund.

Universum har idag några fakta om det som är relativt lätt, åtminstone med vetenskapliga anläggningar i världsklass, att observera. Vi vet att universum expanderar: vi kan mäta egenskaper om galaxer som lär oss både deras avstånd och hur snabbt de verkar röra sig bort från oss. Ju längre bort de är, desto snabbare verkar de sjunka. I samband med allmän relativitet betyder det att universum expanderar.

Och om universum expanderar idag betyder det att det var mindre och tätare tidigare. Extrapolera tillbaka tillräckligt långt, och du kommer att upptäcka att saker också är mer enhetliga (eftersom tyngdkraften tar tid att få saker att klumpa sig samman) och varmare (eftersom mindre våglängder för ljus betyder högre energier / temperaturer). Detta leder oss tillbaka till Big Bang.

En illustration av vår kosmiska historia, från Big Bang till nutid, inom ramen för det expanderande universum. Den första Friedmann-ekvationen beskriver alla dessa epoker, från inflation till Big Bang till nutid och långt in i framtiden, helt exakt, även i dag.NASA / WMAP SCIENCE TEAM

Men Big Bang var inte början av universum! Vi kan bara extrapolera tillbaka till en viss epok i tid innan Big Bangs förutsägelser går sönder. Det finns ett antal saker som vi observerar i universum som Big Bang inte kan förklara, men en ny teori som sätter upp Big Bang - kosmisk inflation - kan.

De kvantfluktuationer som uppstår under inflationen sträcker sig över universum, och när inflationen slutar blir de densitetsfluktuationer. Detta leder med tiden till den storskaliga strukturen i universum idag, liksom till fluktuationerna i temperaturen som observerats i CMB.E. SIEGEL, MED BILDER DERIVERA FRÅN ESA / PLANCK OCH DOE / NASA / NSF INTERAGENCY TASK Force TILL CMB-FORSKNING

Under 1980-talet beräknades ett stort antal teoretiska konsekvenser av inflationen, inklusive:

  • hur frön för storskalig struktur ska se ut,
  • att temperatur- och densitetsfluktuationer bör existera på skalor större än den kosmiska horisonten,
  • att alla regioner i rymden, även med fluktuationer, bör ha konstant entropi,
  • och att det bör vara en maximal temperatur som uppnås med den heta Big Bang.

Under 1990-, 2000- och 2010-talet bekräftades dessa fyra förutsägelser observationsmässigt till stor precision. Kosmisk inflation är en vinnare.

Inflation får utrymme att expanderas exponentiellt, vilket mycket snabbt kan resultera i att alla befintliga böjda eller icke-jämna utrymmen visas platt. Om universum är krökt har det en krökningsradie som är minst hundratals gånger större än vad vi kan observera. SIEGEL (L); NED WRIGHTS COSMOLOGY TUTORIAL (R)

Inflationen berättar att universumet före Big Bang inte fylldes med partiklar, partiklar och strålning. Istället fylldes den med energi inneboende i rymden, och den energin fick utrymmet att expandera med en snabb, obeveklig och exponentiell hastighet. Vid någon tidpunkt slutar inflationen, och all (eller nästan hela) energin omvandlas till materie och energi, vilket ger upphov till den heta Big Bang. Slutet på inflationen, och det som kallas uppvärmningen av vårt universum, markerar början på den heta Big Bang. Big Bang händer fortfarande, men det är inte början.

Inflationen förutspår förekomsten av en enorm volym oövervakbart universum utöver den del vi kan observera. Men det ger oss ännu mer än så.E. SIEGEL / FÖR GALAXY

Om detta var hela historien, skulle vi bara ha ett extremt stort universum. Det skulle ha samma egenskaper överallt, samma lagar överallt, och de delar som var bortom vår synliga horisont skulle likna var vi är, men det skulle inte med rätta kallas multiversen.

Tills, det vill säga, kommer du ihåg att allt som fysiskt existerar måste vara i sig kvant i naturen. Till och med inflationen, med alla de okända som omger den, måste vara ett kvantfält.

Inflationens kvantitet innebär att den slutar i vissa ”fickor” i universum och fortsätter i andra. Den måste rulla ner den metaforiska kullen och in i dalen, men om det är ett kvantfält, innebär spridningen att den kommer att sluta i vissa regioner medan den fortsätter i andra. SIEGEL / FÖR GALAXY

Om du sedan kräver inflation för att ha de egenskaper som alla kvantfält har:

  • att dess egenskaper har osäkerheter som är inneboende för dem,
  • att fältet beskrivs av en vågfunktion,
  • och värdena på det fältet kan spridas över tid,

du når en överraskande slutsats.

Var än inflationen inträffar (blå kuber) ger den upphov till exponentiellt fler rymdsregioner med varje steg framåt i tiden. Även om det finns många kuber där inflationen slutar (röda X), finns det mycket fler regioner där inflationen kommer att fortsätta in i framtiden. Det faktum att detta aldrig slutar är det som gör inflationen

Inflationen slutar inte överallt på en gång, utan snarare på utvalda, frånkopplade platser vid en viss tidpunkt, medan utrymmet mellan dessa platser fortsätter att blåsa upp. Det borde finnas flera, enorma områden i rymden där inflationen slutar och en het Big Bang börjar, men de kan aldrig möta varandra, eftersom de är separerade av regioner med uppblåsande rymd. Var än inflationen börjar är det bara garanterat att fortsätta i en evighet, åtminstone på platser.

Där inflationen slutar för oss får vi en het Big Bang. Den del av universum som vi observerar är bara en del av denna region där inflationen slutade, med mer obemärkt universum utöver det. Men det finns otaliga många regioner, alla kopplade från varandra, med samma exakta historia.

En illustration av flera, oberoende universum, orsakade från varandra i ett ständigt expanderande kosmiskt hav, är en bild av Multiverse-idén. I en region där Big Bang börjar och inflationen slutar, kommer expansionsgraden att falla medan inflationen fortsätter mellan två sådana regioner, för alltid att separera dem. OZYTIVE / PUBLIC DOMAIN

Det är idén med multiversen. Som ni ser är det baserat på två oberoende, väletablerade och allmänt accepterade aspekter av teoretisk fysik: kvantiteten hos allt och egenskaperna hos kosmisk inflation. Det finns inget känt sätt att mäta det, precis som det inte finns något sätt att mäta den oobserverbara delen av vårt universum. Men de två teorierna som ligger till grund för det, inflation och kvantfysik, har visats vara giltiga. Om de har rätt är multiversen en oundviklig konsekvens av det, och vi lever i det.

I den mångfaldiga idén finns det ett godtyckligt stort antal universum som våra egna, men det betyder inte nödvändigtvis att det finns en annan version av oss där ute, och det betyder verkligen inte att det finns någon chans att stöta på en alternativ version av dig själv ... eller någonting från ett annat universum alls.LEE DAVY / FLICKR

Än sen då? Det är inte så mycket, eller hur? Det finns många teoretiska konsekvenser som är oundvikliga, men som vi inte kan veta om med säkerhet eftersom vi inte kan testa dem. Multiversen är en i en lång rad av dem. Det är inte särskilt användbart förståelse, bara en intressant förutsägelse som faller ut ur dessa teorier.

Så varför skriver så många teoretiska fysiker artiklar om multiversen? Om parallella universum och deras anslutning till vår egen genom denna mångfald? Varför hävdar de att multiversen är kopplad till snölandskapet, den kosmologiska konstanten och till och med det faktum att vårt universum är finjusterat för livet?

För även om det uppenbarligen är en dålig idé, har de inga bättre.

Strängen landskap kan vara en fascinerande idé som är full av teoretisk potential, men det förutsäger ingenting som vi kan observera i vårt universum. Denna idé om skönhet, motiverad genom att lösa

I samband med strängteorin finns det en enorm uppsättning parametrar som i princip skulle kunna få nästan vilket värde som helst. Teorin gör inga förutsägelser för dem, så vi måste lägga in dem för hand: förväntningsvärdena för strängen vacua. Om du har hört talas om otroligt stora antal som den berömda 10500 som visas i strängteorin, är de möjliga värdena på strängen vacua vad de hänvisar till. Vi vet inte vad de är, eller varför de har de värden som de gör. Ingen vet hur man beräknar dem.

En representation av de olika parallella ”världarna” som kan existera i andra fickor i multiversen. OFFENTLIG DOMAIN

Så istället säger vissa människor "det är multiversen!" Tänkandet går så här:

  • Vi vet inte varför de grundläggande konstanterna har de värden de gör.
  • Vi vet inte varför fysiklagarna är vad de är.
  • Stringteori är en ram som kan ge oss våra fysiska lagar med våra grundläggande konstanter, men den kan ge oss andra lagar och / eller andra konstanter.
  • Därför, om vi har en enorm mångfald, där många olika regioner har olika lagar och / eller konstanter, kan en av dem vara vår.

Det stora problemet är att inte bara detta är enormt spekulativt, utan det finns ingen anledning, med tanke på inflationen och kvantfysiken vi känner, för att anta att en uppblåsande rymdtid har olika lagar eller konstanter i olika regioner.

Inte imponerad av denna resonemang? Inte heller praktiskt taget någon annan.

Hur troligt eller osannolikt var vårt universum att producera en värld som Jorden? Och hur rimliga skulle dessa odds vara om de grundläggande konstanter eller lagar som styr vårt universum var annorlunda? Ett lyckligt universum, från vars omslag den här bilden togs, är en sådan bok som utforskar dessa frågor. GERAINT LEWIS OCH LUKE BARNES

Som jag har förklarat tidigare är Multiverse inte en vetenskaplig teori på egen hand. Snarare är det en teoretisk konsekvens av fysiklagarna som de bäst förstås idag. Det är kanske till och med en oundviklig konsekvens av dessa lagar: om du har ett inflatoriskt universum som styrs av kvantfysik är det något du är ganska tvingad att sluta med. Men - precis som String Theory - det har några stora problem: det förutsäger inte något vi antingen har observerat och inte kan förklara utan det, och det förutspår inte något definitivt vi kan gå och leta efter.

Visualisering av en kvantfältteoriberäkning som visar virtuella partiklar i kvantvakuumet. Även i tomt utrymme är denna vakuumenergi icke noll. Huruvida det har samma, konstant värde i andra regioner i mångfalden är något vi inte kan veta, men det finns ingen motivation för att det ska vara så.

I detta fysiska universum är det viktigt att observera allt vi kan och att mäta varje kunskap som vi kan samla in. Endast från den fullständiga mängden tillgängliga data kan vi hoppas någonsin dra giltiga, vetenskapliga slutsatser om vårt universums natur. Vissa av dessa slutsatser kommer att få konsekvenser som vi kanske inte kan mäta: multiversens existens beror på det. Men när människor sedan hävdar att de kan dra slutsatser om grundläggande konstanter, fysikens lagar eller värdena på string vacua, gör de inte längre vetenskap; de spekulerar. Önsketänkande ersätter inte data, experiment eller observerbara. Tills vi har sådana, var medveten om att multiversen är en konsekvens av den bästa vetenskapen vi har idag, men det gör inga vetenskapliga förutsägelser vi kan testa.

Hoppas att detta kan få viss betydelse för ämnet Astrofysik ..

Jyotiraditya