Πολυσύμπαν «Επικίνδυνη» ιδέα ή μαγικό κλειδί της φυσικής;

Amanda Gefter
Είναι το Σύμπαν μας μοναδικό ή αποτελεί τμήμα ενός «Πολυσύμπαντος» με άπειρα παράλληλα σύμπαντα σαν φυσαλίδες; Στο πολυσύμπαν τα παράλληλα σύμπαντα γεννούν παράλληλα σύμπαντα που γεννούν παράλληλα σύμπαντα. Ξενάγηση στην πιο υπερβατική θεωρία της φυσικής που μοιάζει να έχει λύσεις για όλα: από την ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας ως τη σχετικότητα του χρόνου
Δίνοντας λύσεις σε βασανιστικά ερωτήματα, το Πολυσύμπαν, αν και «άπιαστο», φαίνεται να έχει πολλές αρετές. Παρ΄ όλα αυτά αρκετοί επιστήμονες- και όχι μόνο ο κ. Έλις- θεωρούν αυτή την ιδέα επικίνδυνη. Η κύρια αιτία ανησυχίας είναι το γεγονός ότι προϋποθέτει την ύπαρξη ενός πλήθους μη παρατηρήσιμων συμπάντων, κάτι το οποίο σημαίνει ότι η όλη ιδέα είναι ανεπίδεκτη εξέτασης. Αν κάτι τόσο θεμελιώδες είναι ανεπίδεκτο εξέτασης, υποστηρίζει ο κ. Ελις, τότε υπονομεύονται τα ίδια τα θεμέλια της επιστήμης. Δεν έχουν όμως όλοι οι φυσικοί την ίδια γνώμη... Τα τελευταία ευρήματα φαίνεται μάλιστα πως δικαιώνουν τους «αιρετικούς»!

Μπορούμε να συγκρίνουμε τα άπειρα;
Ενας από τους προσκεκλημένους στο πάρτι του κ. Ελις, οΡαφαέλ Μπουσό του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ ανακάλυψε τους τελευταίους μήνες έναν τρόπο για να παρακαμφθεί το πρόβλημα των μη παρατηρήσιμων συμπάντων. Ξαφνικά κατόρθωσε να μετατρέψει το Πολυσύμπαν, από προβληματική εικασία που απειλούσε να ανατρέψει την επιστήμη, σε μια θεωρία που υπόσχεται προβλέψεις τις οποίες μπορούμε να εξετάσουμε. Οι ανακαλύψεις του δείχνουν στους φυσικούς έναν δρόμο προς τον υπέρτατο στόχο, την ένωση της κβαντομηχανικής και της βαρύτητας σε μια ξεκάθαρη θεωρία των πάντων.

Το επίτευγμα του κ. Μπουσό είναι εξαιρετικά εντυπωσιακό επειδή πέτυχε εκεί όπου πολλοί άλλοι είχαν προσπαθήσει αλλά είχαν αποτύχει. Το βασικό πρόβλημα που συναντούσαν ήταν το εξής: σαν την κβαντομηχανική και τη θερμοδυναμική, η κοσμολογία του Πολυσύμπαντος αποτελεί μια άσκηση στη στατιστική. Για ένα σύμπαν μέσα στο Πολυσύμπαν δεν μπορεί κανείς να προβλέψει ποια θα είναι τα βασικά χαρακτηριστικά του - πόση σκοτεινή ενέργεια θα περιέχει, ας πούμε. Το καλύτερο που μπορεί να κάνει είναι να υπολογίσει τις πιθανότητες που υπάρχουν να φαίνεται έτσι όπως φαίνεται βάσει του πόσο πιθανό είναι να υπάρχει ένα σύμπαν με τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά μέσα στο Πολυσύμπαν. Ο υπολογισμός των πιθανοτήτων απαιτεί όμως ένα «μέτρο»- ένα μαθηματικό εργαλείο που να λέει πώς θα προσδιοριστούν οι σχετικές πιθανότητες. Και το να βρει κανείς ένα σωστό μέτρο για το Πολυσύμπαν είναι κάθε άλλο παρά εύκολο. Το πρόβλημα είναι ότι μέσα σε ένα άπειρο Πολυσύμπαν ό,τι μπορεί να συμβεί θα συμβεί- για άπειρες φορές. Σε ένα τέτοιο πλαίσιο, η πιθανότητα χάνει κάθε νόημα.«Πώς να συγκρίνεις τα άπειρα;»ρωτάει οΑντρέ Λίντε του Πανεπιστημίου Στάνφορντ.

Η «λάθος» στιγμή
Πριν από την εργασία του κ. Μπουσό, η κοινώς αποδεκτή προσέγγιση ήταν να επιλέγει κανείς ένα «στιγμιότυπο» του Πολυσύμπαντος σε μια δεδομένη χρονική στιγμή και να υπολογίζει τα χαρακτηριστικά όλων των παράλληλων συμπάντων που υπάρχουν μέσα σε αυτό σημειώνοντας πόσες διαφορετικές τιμές εμφανίζονται για την ποσότητα της σκοτεινής ενέργειας. Στη συνέχεια μπορούσε κανείς να υπολογίσει κατά προσέγγιση τις σχετικές πιθανότητες του Πολυσύμπαντος καθώς αυτό αναπτύσσεται στον χρόνο μαζί με τον άπειρο αριθμό παράλληλων συμπάντων του.

Δυστυχώς σε αυτή την προσέγγιση υπάρχει ένα μεγάλο κενό, το οποίο συνοψίζεται στο «σε μια δεδομένη στιγμή»: σύμφωνα με τη Θεωρία της Σχετικότητας τουΑϊνστάιν, η φράση αυτή αφαιρεί κάθε νόημα από το όλο εγχείρημα. Το πρόβλημα προκύπτει από την παρατήρηση του Αϊνστάιν ότι τα ρολόγια «τρέχουν» διαφορετικά για τους διαφορετικούς παρατηρητές. Δύο γεγονότα που είναι ταυτόχρονα για μένα δεν είναι ταυτόχρονα για εσάς, οπότε οι τρόποι «χρονικής διαίρεσης» του Πολυσύμπαντος είναι άπειροι. Κανένας δεν είναι περισσότερο «αληθινός» από οποιονδήποτε άλλον, επομένως δεν υπάρχει λόγος να προτιμήσει κανείς μια χρονική διαίρεση έναντι μιας άλλης- και οι διαφορετικές χρονικές στιγμές μπορούν να οδηγήσουν σε εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα.

Ξεχάστε το «μάτι του Θεού»
Η προσέγγιση αυτή προϋποθέτει την ιδέα ότι το Πολυσύμπαν μπορεί να περιγραφεί χωρίς να υπάρχει παρατηρητής, από μια εξωτερική, συνολική άποψη, σαν αυτήν που θα είχε το «μάτι του Θεού». Ο κ. Μπουσό συνειδητοποίησε ότι αυτό ακριβώς οδηγούσε σε όλα αυτά τα προβληματικά άπειρα. Αποφάσισε λοιπόν να υπολογίσει τις πιθανότητες με βάση αυτά που οποιοσδήποτε παρατηρητής μπορεί να δει μέσα από το δικό του σύμπαν.

Η κβαντομηχανική μάς λέει ότι το κενό του Διαστήματος δεν είναι άδειο: αντιθέτως, σφύζει από ενέργεια. Επίσης μας λέει ότι, αργά ή γρήγορα, οποιοδήποτε δεδομένο σύμπαν θα αποσυντεθεί αυτογενώς δίνοντας τη θέση του σε ένα άλλο με μικρότερη ενέργεια. Πράγματι οι περισσότεροι κοσμολόγοι βλέπουν τη Μεγάλη Εκρηξή μας ακριβώς σαν ένα τέτοιο γεγονός, κατά τη διάρκεια του οποίου το κενό στο οποίο ζούμε γεννήθηκε από ένα κενό μεγαλύτερης ενέργειας που αποτελούσε ένα σύμπαν προγενέστερο από το δικό μας. Αυτό το οποίο έχει σημασία εδώ ωστόσο είναι ότι υπάρχει μια πληθώρα πιθανών συμπάντων τα οποία μπορούν να γεννηθούν με αυτόν τον τρόπο- το καθένα με τη δική του πιθανότητα. Προσθέτοντας όλες αυτές τις πιθανότητες ο κ. Μπουσό μπόρεσε να υπολογίσει τις πιθανότητες του παρατηρητή καταλήγοντας σε ένα σύμπαν με ένα συγκεκριμένο σύνολο χαρακτηριστικών.

Με αυτή την προσέγγιση ο κ. Μπουσό κατόρθωσε να εξαγάγει πιθανότητες για πράγματα όπως η σκοτεινή ενέργεια σε οποιοδήποτε δεδομένο σύμπαν, χωρίς να χρειαστεί να καταφύγει σε μια γενική άποψη χωρίς παρατηρητή ή σε εικασίες για το τι θα μπορούσε να συμβαίνει σε ασύνδετα παράλληλα σύμπαντα έξω από το οπτικό μας πεδίο. Ονομάζει την προσέγγισή του «αιτιώδες διορθωτικό μέτρο» και το σημαντικό είναι ότι λειτουργεί. Τη χρησιμοποίησε για να προβλέψει την τιμή της σκοτεινής ενέργειας που θα έπρεπε να βλέπουμε στο δικό μας Σύμπαν και κατέληξε σε ένα αποτέλεσμα το οποίο προσεγγίζει κατά πολύ την τιμή που παρατηρείται.

Βρήκαμε λοιπόν τη λύση; Οχι ακριβώς. Το πρόβλημα με το αιτιώδες διορθωτικό μέτρο είναι ότι το αποτέλεσμα εξαρτάται από την ενέργεια του κενού του Σύμπαντος με το οποίο ξεκινά ο υπολογισμός. Και μια τέτοια αυθαιρεσία αποτελεί ανάθεμα για τους φυσικούς.

Το ολόγραμμα που τα λέει όλα

Ενώ ο κ. Μπουσό εργαζόταν σε αυτά που βλέπει ένας παρατηρητής μέσα στο Πολυσύμπαν, ένας κοσμολόγος, οΑλεξάντερ Βιλένκιντου Πανεπιστημίου Ταφτς της Βοστώνης, διατύπωνε μιαν άλλη προσέγγιση. Μαζί με τονΖάουμε Γκάμγκατου Πανεπιστημίου της Βαρκελώνης αναζήτησε ενδείξεις για την εξαγωγή του μέτρου σε μια προηγούμενη δουλειά του αργεντινού φυσικούΧουάν Μαλντασένα του Ινστιτούτου Προωθημένων Μελετών του Πανεπιστημίου του Πρίνστον.

Ο κ. Μαλντασένα εξέταζε τη Θεω ρία των Χορδών για την κατασκευή μοντέλων συμπάντων όταν έκανε μια εκπληκτική ανακάλυψη. Βρήκε ένα μοντέλο ενός σύμπαντος με παράξενο σχήμα και πέντε διαστάσεις, το οποίο ήταν ακριβώς ισοδύναμο με ένα απλούστερο μοντέλο στο τετραδιάστατο όριό του. Αυτό αποτελεί ένα κλασικό παράδειγμα της λεγομένης «Ολογραφικής Αρχής», της ιδέας ότι σε ένα σύμπαν με οποιονδήποτε αριθμό διαστάσεων όλα τα φυσικά χαρακτηριστικά του εσωτερικού του μπορούν να κωδικοποιηθούν στο εξωτερικό όριό του περίπου κατά τον ίδιο τρόπο με τον οποίο ένα δισδιάστατο ολόγραμμα πιστωτικής κάρτας κωδικοποιεί όλες τις πληροφορίες που αφορούν ένα τρισδιάστατο αντικείμενο.

Ο κ. Βιλένκιν και ο κ. Γκάμγκα σκέφτηκαν ότι συνολικά το Πολυσύμπαν θα πρέπει αντίστοιχα να έχει μια ολογραφική εικόνα στο όριό του. Στην περίπτωση αυτή ωστόσο το όριο δεν αποτελεί ένα σύνορο στον χώρο αλλά στον χρόνο, απείρως μακριά στο μέλλον. Θα μπορούσε το μέτρο του Πολυσύμπαντος να κρύβεται εκεί;

Η απίστευτη σύγκλιση
Ο κ. Μπουσό προβληματίστηκε. Αν και πίστευε ότι το αιτιώδες διορθωτικό μέτρο του είχε πιο ευοίωνες προοπτικές, αποφάσισε να δει τι θα συνέβαινε αν προσπαθούσε να εξαγάγει ένα μέτρο για το Πολυσύμπαν μελετώντας το όριό του.«Ηθελα να βρω έναν ξεκάθαρο τρόπο μεταφοράς αυτών που μάθαμε από τον Μαλντασένα στο Πολυσύμπαν»λέει.

Οπως αποδείχθηκε, το να εστιάζει κανείς σε ένα τμήμα του ορίου είναι αντίστοιχο με το να επιλέγει διαφορετικά, πεπερασμένα χρονικά τμήματα στο εσωτερικό του Πολυσύμπαντος. Για να το καταλάβετε, φανταστείτε ότι στέκεστε σε ένα σκοτεινό δωμάτιο με την πλάτη γυρισμένη στον έναν τοίχο. Ανάβετε έναν φακό ο οποίος δημιουργεί έναν μεγάλο φωτεινό κύκλο στον απέναντι μακρινό τοίχο. Οσο προχωρείτε προς τον απέναντι τοίχο, ο φωτεινός κύκλος μικραίνει. Οσο περισσότερο απομακρύνεστε από τον τοίχο από τον οποίο ξεκινήσατε, τόσο μικρότερη γίνεται η φωτεινή περιοχή. Με άλλα λόγια, υπάρχει μια ξεκάθαρη σχέση ανάμεσα στις περιοχές του μελλοντικού σας ορίου και στην απόσταση από το σημείο εκκίνησής σας. Με ανάλογο τρόπο μια συγκεκριμένη περιοχή του ορίου του Πολυσύμπαντος συνδέεται με έναν δεδομένο χρόνο στο εσωτερικό του.

Το ισχυρό σημείο αυτής της προσέγγισης είναι ότι παρακάμπτει το πρόβλημα που έχει θέσει ο Αϊνστάιν, αυτό του χρόνου ο οποίος είναι σχετικός για κάθε διαφορετικό παρατηρητή. Εδώ το όριο μας λέει ποιο παράλληλο σύμπαν υπήρχε σε έναν δεδομένο χρόνο. Γνωρίζοντας αυτό, μπορεί να αρχίσει κανείς να συγκρίνει σύμπαντα και να υπολογίσει την πιθανότητα του να βρει ένα με μια δεδομένη τιμή σκοτεινής ενέργειας, για παράδειγμα.

Καθώς ο κ. Μπουσό μελετούσε αυτό το μέτρο παρατήρησε κάτι εκπληκτικό. Το «συνολικό μέτρο» στο οποίο είχε καταλήξει χρησιμοποιώντας την ολογραφική αναπαράσταση του Πολυσύμπαντος και του μελλοντικού ορίου του ήταν ακριβώς ισοδύναμο με το αιτιώδες διορθωτικό μέτρο που είχε ήδη εξαγάγει εξετάζοντας απλώς τι μπορεί να δει ένας μεμονωμένος παρατηρητής. Οι δύο εντελώς διαφορετικές προσεγγίσεις αποδείχθηκαν δύο διαφορετικοί τρόποι για να δει κανείς την ίδια υποκείμενη πραγματικότητα: η μία εξετάζει ένα σύνολο πιθανών θεωριών για έναν μεμονωμένο παρατηρητή, η άλλη συνολικά την άπειρη ιστορία ενός απείρου αριθμού ασύνδετων παράλληλων συμπάντων.

Δύο άνθρωποι με δεκανίκια...
«Αυτό ήταν πραγματικά εκπληκτικό» λέει ο κ. Μπουσό.«Για μένα ήταν απίστευτο όταν συνειδητοποίησα ότι τα δύο μέτρα δίνουν ακριβώς τις ίδιες πιθανότητες». Αυτή η ισοδυναμία αποδεικνύεται εξαιρετικά χρήσιμη, καθώς οι αδυναμίες του ενός μέτρου αποτελούν τα δυνατά σημεία του άλλου και το αντίστροφο.«Είναι σαν δύο άνθρωποι με δεκανίκια που στηρίζουν ο ένας τον άλλον»συμπληρώνει.

Ενώ λοιπόν στο αιτιώδες διορθωτικό μέτρο οι απαντήσεις εξαρτώνται σε πολύ μεγάλο βαθμό από τα σύμπαντα από τα οποία ξεκινά ο παρατηρητής, το συνολικό μέτρο δεν πάσχει από αυτή την ασάφεια. Στο Πολυσύμπαν, τα παράλληλα σύμπαντα γεννούν παράλληλα σύμπαντα που γεννούν παράλληλα σύμπαντα, έτσι ώστε οι αρχικές συνθήκες γρήγορα χάνονται μέσα στο πλήθος και δεν έχουν πια σημασία όταν πρέπει να υπολογιστούν οι πιθανότητες. Στην πραγματικότητα η συνολική εικόνα καθορίζει ποιο θα πρέπει να είναι το κενό έναρξης της προσέγγισης του αιτιώδους διορθωτικού μέτρου.

Από την άλλη πλευρά, ενώ το συνολικό μέτρο πάσχει από το πρόβλημα της «διπλής πληροφορίας», το αιτιώδες διορθωτικό μέτρο του κ. Μπουσό το παρακάμπτει με επιτυχία.

Τα επακόλουθα μπορεί να είναι τεράστιας σημασίας. Τα δύο ισοδύναμα μέτρα δεν προσέφεραν μόνο μια πρόβλεψη για τη σκοτεινή ενέργεια του δικού μας Σύμπαντος η οποία ταιριάζει με τις παρατηρήσεις, αλλά είναι και τα δύο εμπνευσμένα με διαφορετικό τρόπο από την Ολογραφική Αρχή. Αυτό υποδηλώνει ότι η Ολογραφική Αρχή θα μπορούσε να μας οδηγήσει σε μια θεωρία κβαντικής βαρύτητας- την πολυπόθητη Θεωρία των Πάντων που αντικατοπτρίζει τη δυναμική του Σύμπαντος.«Εξετάζοντας το πρόβλημα του μέτρου φαίνεται ότι αποκτούμε γνώσεις, ίσως απρόσμενα,γύρω από άλλα,εξίσου βαθιά μυστήρια, κυρίως το πώς να διατυπώσουμε την κβαντική θεωρία του Πολυσύμπαντος» λέει ο κ. Μπουσό.

Ακόμη και ο κ. Ελις έχει εντυπωσιαστεί από αυτά τα αποτελέσματα. «Είναι ένα χρήσιμο και ενδιαφέρον τεστ συνέπειας που βασίζεται σε γοητευτικές αλλά εικοτολογικές θεωρίες της φυσικής»λέει. Υπάρχει επίσης ένα ακόμη σημαντικό επακόλουθο. Αν η ισοδυναμία του κ. Μπουσό ισχύει, τότε όχι μόνο μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το μέτρο της για να κάνουμε πραγματικές, εξετάσιμες προβλέψεις, αλλά μπορούμε επίσης να κάνουμε υπολογισμούς στο Πολυσύμπαν χωρίς καν να αναφερθούμε σε μη παρατηρήσιμα σύμπαντα που κρύβονται πέρα από τον κοσμικό μας ορίζοντα. Ολα όσα χρειαζόμαστε να ξέρουμε για το Πολυσύμπαν μπορεί να βρίσκονται εδώ, μέσα στο Σύμπαν μας.

ΤΟ ΜΑΘΗΜΑ ΤΟΥ ΕΛΕΦΑΝΤΑ
Ο ταν οΣτίβεν Χόκινγκυπολόγισε ότι οι μαύρες τρύπες εκπέμπουν ενέργεια και τελικά εξατμίζονται, δημιούργησε ένα βασανιστικό ερώτημα: Τι γίνονται οι πληροφορίες για την ύλη που έχει πέσει μέσα τους; Αν διαφεύγουν πίσω στο Σύμπαν, θα πρέπει να τρέχουν με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν του φωτός, παραβιάζοντας τη Θεωρία της Σχετικότητας του Αϊνστάιν. Αν εξαφανίζονται, παραβιάζουν ένα θεμελιώδες αξίωμα της κβαντομηχανικής. Αυτή η σπαζοκεφαλιά είναι γνωστή ως το παράδοξο της απώλειας πληροφορίας των μαύρων οπών.

Η απάντηση έρχεται από τη θεωρία που είναι γνωστή ως Ολογραφική Αρχή, η οποία υποστηρίζει ότι η φυσική στο εσωτερικό μιας περιοχής χωροχρόνου είναι ισοδύναμη με τη φυσική στο όριο αυτής της περιοχής. Μπορείτε να φανταστείτε μια μαύρη τρύπα ως ισοδύναμη ενός καυτού αερίου με συνηθισμένα σωματίδια στο όριο του Σύμπαντος. Εφόσον ένα καυτό αέριο συνηθισμένων σωματιδίων δεν χάνει ποτέ τις πληροφορίες του, το ίδιο ισχύει και για μια μαύρη τρύπα.

Το μάθημα από την Ολογραφική Αρχή είναι ότι κανένας παρατηρητής δεν θα πρέπει ποτέ να βλέπει πληροφορίες να εξαφανίζονται από το Σύμπαν. Αν η Αλίκη κοιτάζει από απόσταση έναν ελέφαντα να πέφτει σε μια μαύρη τρύπα, θα τον δει να πλησιάζει τον ορίζοντα γεγονότων της μαύρης τρύπας, όπου θα αποτεφρώνεται από την ακτινοβολία Χόκινγκ, και να επιστρέφει προς το μέρος της σαν ένας θλιβερός σωρός στάχτης. Εν τω μεταξύ ο Μπομπ, ο οποίος πέφτει μαζί με τον ελέφαντα μέσα στη μαύρη τρύπα, θα βλέπει τον ελέφαντα να διασχίζει τον ορίζοντα σώος και να ζει κανονικότατα έως ότου πέσει στη μοναδικότητα του πυρήνα της μαύρης τρύπας.

Σύμφωνα με την Ολογραφική Αρχή, και οι δύο ιστορίες πρέπει να είναι αληθινές. Πώς όμως μπορεί ο ελέφαντας να είναι ένας σωρός στάχτης έξω από τον ορίζοντα και ζωντανός μέσα στη μαύρη τρύπα; Θα έλεγε κανείς ότι ο ελέφαντας έχει κλωνοποιηθεί, οι νόμοι της φυσικής όμως απαγορεύουν τέτοιου είδους «διπλές» πληροφορίες.

Ο κοσμολόγος Ραφαέλ Μπουσό θεωρεί ότι το παράδοξο προκύπτει από τη λανθασμένη ιδέα ότι μπορούμε να περιγράψουμε ταυτοχρόνως τι συμβαίνει τόσο μέσα όσο και έξω από τον ορίζοντα, ενώ στην πραγματικότητα κανένας μεμονωμένος παρατηρητής δεν μπορεί να δει ταυτόχρονα και τα δύο. Με άλλα λόγια, για να έχει νόημα η φυσική, η περιγραφή του Σύμπαντος θα πρέπει να περιοριστεί σε αυτό που ένας μεμονωμένος παρατηρητής μπορεί να δει. Η προσέγγιση είναι εντελώς διαφορετική από την παλιά ιδέα ότι μπορούμε να περιγράψουμε ολόκληρο το Σύμπαν από μια συνολική, εξωτερική και χωρίς παρατηρητή άποψη σαν αυτήν που θα είχε το «μάτι του Θεού».

Το να μιλάμε για το Πολυσύμπαν σαν αυτό να μπορεί να παρατηρηθεί ολόκληρο μονομιάς, υποστηρίζει ο κ. Μπουσό, οδηγεί σε μία ακόμη μεγαλύτερη ασυναρτησία από το να προσπαθούμε να περιγράψουμε ταυτοχρόνως τι συμβαίνει μέσα και έξω από τον ορίζοντα μιας μαύρης τρύπας.