Wszechświaty równoległe to temat, o którym kiedyś mogliśmy usłyszeć tylko w filmach i książkach science fiction. Liczne wcielenia seriali “Star Trek” eksploatowały ten pomysł do maksimum, a z tych mniej oczywistych propozycji warto wspomnieć cykl “Mroczna Wieża” Stephena Kinga czy serial “Fringe” J.J. Abramsa. Dzisiaj idea wszechświatów równoległych jest coraz częściej postulowana przez fizyków. Istnienie multiwersum można bowiem potwierdzić innymi, akceptowanymi teoriami fizycznymi.
Światy inne niż ten
Problem polega jednak na tym, że prawdopodobnie nigdy nie uda nam się empirycznie potwierdzić istnienia wszechświatów równoległych – o ile niespodziewanie gdzieś nie pojawi się jakaś “brama”. Warto zatem zastanowić się, czy można potwierdzić istnienie wszechświatów równoległych w jakiś inny, teoretyczny sposób?
Zgodnie z ideą wszechświatów równoległych, przynajmniej w niektórych z nich mamy sobowtóry żyjące życiem podobnym – ale nie identycznym – do naszego. Istnieją nawet teorie sugerujące, że każda decyzja podjęta przez każdego “Ja” w każdym ze wszechświatów równoległych powoduje powstanie kolejnego rozgałęzienia, co by oznaczało, że takich światów jest nieskończona liczba.
Jeżeli ta idea byłaby prawdziwa, to który wszechświat byłby tym matrycowym? Dlaczego to ten nasz miałby być tym “wyjątkowym”? Może wszyscy jesteśmy tylko “odbiciem” jakiegoś innego wszechświata? Do połowy XVI wieku myśleliśmy, że to Ziemia jest w centrum Wszechświata, ale Kopernik na szczęście wyprowadził nas z błędu. Kilkadziesiąt lat później Galileusz dostrzegł ogrom kosmosu, a Giordano Bruno spekulował, że Wszechświat jest nieskończony, wypełniony nieskończoną liczbą zamieszkałych światów.
Idea Wszechświata zawierającego wiele światów stała się powszechna w XVIII wieku. Na początku XX wieku, irlandzki fizyk Edmund Fournier d’Albe postulował nawet, że istnieje nieskończona liczba wszechświatów w różnych skalach – niektóre nawet mniejsze od atomów. Dzisiaj taka konstrukcja wszechświatów-matrioszek jest odrzucana, ale sama idea multiwersum jest wciąż żywa.
Inflacyjne multiwersum
Zgodnie z dominującym poglądem, Wszechświat zaczął się od Wielkiego Wybuchu – nieskończenie małego punktu, który w ułamku sekundy zaczął się niewiarygodnie szybko rozszerzać. To tzw. epoka kosmologicznej inflacji, która zaczęła 10-36 s po Wielkim Wybuchu i trwała prawdopodobnie do 10-33 s po wielkim Wybuchu. W tym czasie rozmiary liniowe Wszechświata zwiększyły się o czynnik co najmniej 10^26, a objętość o czynnik 10^78.
Teoria inflacji wyjaśnia, dlaczego Wszechświat jest dość jednorodny wszędzie, gdzie spojrzymy. Wszelkie obserwowane zakątki kosmosu wyglądają mniej więcej tak samo, mimo że oglądamy różnego rodzaju obiekty. W epoce inflacji kula ognia rozrosła się do kosmicznych rozmiarów. Ten pierwotny stan został zaburzony przez fluktuacje kwantowe, które są teraz zachowane w tzw. mikrofalowym promieniowaniu tła (CMB). Przenika ono Wszechświat, ale nie jest całkowicie jednorodne. Za pomocą kilku instrumentów astronomicznych obserwowano już różne zmiany w CMB.
Jeżeli uda nam się zrozumieć, jak doszło do Wielkiego Wybuchu, będziemy w stanie odpowiedzieć na inne pytanie: czy zdarzył się on więcej niż raz. Zgodnie z obowiązującym stanem rzeczy, Wielki Wybuch miał miejsce, gdy skrawek przestrzeni niezawierającej materii, ale wypełniony energią, pojawił się wewnątrz innego rodzaju przestrzeni, tzw. fałszywej próżni. Jednak i ona powinna doświadczyć pewnego rodzaju inflacji, powodując jej rozszerzanie się z gigantyczną przeszłością. Tymczasem w jej obrębie mogły pojawić się bąbelkowe wszechświaty “prawdziwej próżni” – i to nie tylko 13,8 mld lat temu, ale i do dziś.
Wieczna inflacja
Tuż przed śmiercią, Stephen Hawking wraz z Thomasem Hertogiem z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven zaprezentowali model, zgodnie z którym nieskończony wieloświat ogranicza się do mniejszej liczby możliwych wszechświatów. Hipoteza dotyczy tzw. wiecznej inflacji. Hipoteza sugeruje, że może istnieć wiele, być może nieskończenie wiele, wszechświatów pojawiających się i rosnących przez cały świat. Ale my nigdy nie będziemy w stanie do nich dotrzeć, nawet podróżując z prędkością światła, bo oddalają się one od nas zbyt szybko. Zgodnie z założeniami teorii, wszystko, co znamy z obserwowanego Wszechświata, mieści się w jednym z “bąbli”, zwanych także “kieszeniami”.
Zakładamy, że nasz Wszechświat – w największej skali – jest stosunkowo gładki i skończony. Tym samym nie posiada struktury fraktalnej.Stephen Hawking podczas jednego z wywiadów dotyczących wiecznej inflacji
Dotychczasowy model wiecznej inflacji opisujący Wielki Wybuch może być błędny, gdyż wywodzi się z ogólnej teorii względności Einsteina, która rozmija się z początkami Wszechświata. Hawking i Hertog stwierdzili, że odpowiedniejszy opis wiecznej inflacji daje teoria strun, a dokładniej zasada holograficzna. Zgodnie z nią, rzeczywistość fizyczna, którą widzimy w trzech wymiarach, może być zapisana na dwuwymiarowej powierzchni – jak hologram. Naukowcy przedstawili wariant zasady holograficznej, który obejmuje projekcję wymiaru czasu w wiecznej inflacji. W ten sposób udało się opisać wieczną inflację bez odnoszenia się do ogólnej teorii względności.
Uważam, że najważniejszym wnioskiem płynącym z naszego modelu niekoniecznie jest fakt, że »solidne« powierzchnie o stałej gęstości we wszechświecie mają skończony charakter, ale raczej fakt, że możliwości multiwersum są ograniczone.Thomas Hertog
Mówiąc wprost: zakres możliwych wszechświatów równoległych jest mniejszy, niż do tej pory zakładano. Taki model Wszechświata byłby bardziej przewidywalny i “możliwy do udowodnienia”, choć jeszcze to się nikomu nie udało.
Żywe wszechświaty
W 1992 r. Lee Smolin z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie zasugerował, że wszechświaty mogą się rozmnażać i ewoluować podobnie jak żywe organizmy. Na Ziemi dobór naturalny sprzyja pojawianiu się “przydatnych” cech, jak szybki bieg czy przeciwstawne kciuki. Według Smolina, w multiwersum może istnieć pewna presja, która faworyzuje wszechświaty takie, jak nasz – swoista kosmologiczna selekcja naturalna.
Pomysł Smolina opiera się na tym, że wszechświat “matczyny” może rodzić wszechświaty “potomne”, które powstają wewnątrz niego. Może do tego dojść, jeżeli we wszechświecie macierzystym istnieje wystarczająco dużo czarnych dziur. Kluczowym składnikiem wydają się być właśnie te wspomniane czarne dziury. W latach 60. ubiegłego wieku, Stephen Hawking i Roger Penrose zauważyli, że powstawanie czarnych dziur (zapadanie się gwiazd pod wpływem własnej grawitacji) jest jak Wielki Wybuch w odwrotnej kolejności. To zasugerowało Smolinowi, że czarna dziura może “stać się” Wielkim Wybuchem, rodząc w sobie cały nowy wszechświat. Jeżeli tak faktycznie jest, to nowy wszechświat będzie miał nieco inne właściwości fizyczne, niż ten, który stworzył czarną dziurę. Przypomina to mutacje genetyczne, które sprawiają, że organizmy potomne różnią się od swoich rodziców. Jeżeli wszechświat jest “żywy”, to nieuchronnie będzie zawierał czarne dziury, które z kolei mogą dać początek kolejnym wszechświatom.
Mimo iż koncepcja ta wydaje się szalona, to nie jest pozbawiona logiki i sugerowałaby, że nasz wszechświat nie jest produktem czystego przypadku. Jest tym wszechświatem, który przetrwał kosmologiczną selekcję naturalną. Jeżeli ta koncepcja byłaby właściwa, to nasz wszechświat powinien być szczególnie przystosowany do tworzenia czarnych dziur. Póki co, nie ma na to żadnych dowodów naukowych.
Ukryty wymiar
Kiedy w latach 20. ubiegłego wieku ogólna teoria względności Einsteina zaczęła cieszyć się zainteresowaniem opinii publicznej, wiele osób spekulowało na temat “czwartego wymiaru”. Może to właśnie w nim był ukryty wszechświat? Ciekawe jest jednak to, że Einstein wcale nie postulował istnienia “ukrytego” wymiaru. Mówił, że to czas jest tym wymiarem, podobnym do trzech wymiarów przestrzeni. Wszystkie one są splecione w jedną tkaninę zwaną czasoprzestrzenią, którą materia zniekształca, aby wytworzyć grawitację.
Fizycy szybko podłapali wątek i zaczęli spekulować na temat prawdziwie nowych wymiarów przestrzeni. W 1921 r. fizyk teoretyczny Tehodor Kaluza pokazał, że po dodaniu dodatkowego wymiaru do równań ogólnej teorii względności Einsteina, można uzyskać dodatkowe równanie, które przewiduje istnienie światła. W 1926 r. fizyk Oskar Klein zaproponował, gdzie ten wymiar może się ukrywać. Jego zdaniem, piąty wymiar był zwinięty w niewyobrażalnie małą strukturę o wielkości ok. miliardowej trylionowej części centymetra.
Mimo iż idea zwijania wymiaru może być dziwna, to jest dobrze znanym zjawiskiem. Przecież wąż ogrodowy jest obiektem trójwymiarowym, ale z daleka wygląda jak jednowymiarowa linia. Podobnie jest z przekraczaniem dodatkowego wymiaru Kleina – zajmuje to tak mało czasu, że wręcz tego nie zauważamy.
Idee Kaluzy i Kleina zostały rozwinięte, dzięki czemu powstała teoria strun, która ma na celu wyjaśnienie cząstek elementarnych jako wibracji jeszcze mniejszych struktur od nich zwanych strunami. Kiedy teorię strun opracowano w latach 80. ubiegłego wieku, okazało się, że działa ona tylko wtedy, jeżeli istnieją dodatkowe wymiary. Współczesna wersja teorii strun (M-teoria) zakłada, że istnieje do siedmiu ukrytych wymiarów. Co ciekawe, wcale nie muszą być one zwarte – mogą mieć postać wielowymiarowych rozgałęzień zwanych branami (skrót od membran).
Brany mogą być idealnymi kryjówkami dla całych wszechświatów. M-teoria postuluje istnienie multiwersum złożonego z bran o różnych właściwościach, współistniejących ze sobą jak stos kartek papieru. Jeżeli tak jest, to powinna istnieć nowa klasa cząstek, których część pędu byłaby przenoszona w ukrytych wymiarach. Teoretycznie powinno się dać je wytworzyć w Wielkim Zderzaczu Hadronów, ale jeszcze nic takiego się nie udało. Brany pozostają niezależne, oddzielone od siebie, choć niewykluczone, że grawitacja może między nimi przenikać. To z kolei mogłoby prowadzić do zderzenia bran, których skutki byłyby monumentalne dla obu wszechświatów – niektórzy twierdzą, że właśnie tym w istocie był Wielki Wybuch.
Czy kiedyś poznamy prawdę?
Fizyka teoretyczna, astrofizyka i kosmologia są cały czas otwarte na nowości. Być może kiedyś powstanie teoria zadowalająca naukowców z różnych dziedzin, która wskaże właściwy kierunek w kontekście rozważania istnienia wszechświatów równoległych.
