Mera za multikosmos

(A measure for the multiverse)

Kada je prošle godine kosmolog George Ellis napunio je 70-tu, njegovi drugari su upriličili žurku da to proslave. Bilo je govora, pića i sendviča u izobilju, sve u čast teoretičara sa Kejp Taun Univerziteta iz Južne Afrike, koji ima ugled jednog od vodećih svetskih eksperata za opštu teoriju relativnosti.

Za početak, žurka je trajala tri dana na Oksford univerzitetu a gosti su bili samo fizičari, astronomi i filozofi nauke. Okupili su se da raspravljaju o, po Elisovom viđenju, najopasnijoj ideji moderne nauke prema kojoj je naš kosmos tek jedan mali deo nezamislivo većeg i raznolikog multikosmosa, (multiverse, izvedeno od engl. universe).

Na zaprepašćenje Elisa a i mnogih njegovih kolega ideja o multikosmosu je od obične spekulacije prerasla u teoriju koja je na granici da postane respektabilna. Postoje i jaki razlozi za to. Nekoliko teorija iz fizike - kvantna teorija, teorija struna i teorija o širenju svemira - izgleda da konvergiraju u ideji da je naš kosmos samo jedan među beskrajno mnogim i neprestano novonastalim međusobno nepovezanim balonima vasiona/kosmosa.

Šta više, ideja o multikosmosu nudi uverljiv odgovor na pitanje koje je postalo iritirajuće klizavo: zašto prisustvo tamne energije u vasioni ima tako izuzetno slabu vrednost? To nijedna teorija do sada nije mogla da objasni. Ali ako postoje bezbrojni drugi kosmosi van našeg kosmičkog horizonta, svaki sa svojom količinom tamne energije, onda vrednost koju mi primećujemo u našem kosmosu nije samo moguća nego neizbežno tačna.

Mada je sama ideja o multiversu atraktivna, Elis i društvo nisu usamljeni u mišljenu da je to i veoma opasna ideja. Razlog za uzbunu nalaze u činjenici da sam postulat u kojem postoji mnoštvo kosmosa u koja ne možemo ni priviriti, čini sve nedostupnim proverama i testiranjima. A kada gradite na nečemu što je nemoguće testirati, onda potkopavate same temelje nauke.

Upoređivanje beskonačnosti

Jedan od gostiju na rođendanskoj proslavi vidi stvari drugačije. Rafael Buosso sa Kalifornijskog univerziteta, Berkli, koji se takođe zanosio idejom multikosmosa, pronašao je način kako da se prevaziđe problem sa odsustvom mogućnosti posmatranja drugih kosmosa. U jednom potezu, problematičnu teoriju koja podriva nauku, preobrazio je u teoriju prema kojoj je moguće vršiti predviđanja i testiranja. Štaviše njegovo viđenje stvari izvodi fizičare na put ka ultimativnom cilju, a taj je da se objedine teorija kvantne mehanike i gravitacija u jednu jasnu/čistu teoriju o svemu.

Buosov uspeh impresivniji je utoliko pre što je uspeo u onom što mnogima nije pošlo za rukom. Naime, poput kvantne mehanike i termodinamike, kosmologija multikosmosa je jedna vežba iz statistike. Tako, ako imate kosmos unutar multikosmosa, ne možete predvideti koje će ključne karakteristike imati, recimo, kolike su varijacije tamne energije u njemu. Najbolje što možete da uradite jeste da izračunate verovatnoću, koja onda izgleda tako kako izgleda, a bazira se na mogućnosti da će se jedan takav kosmos sa svojstvenim karakteristikama pojaviti u multikosmosu. Za izračunavanje verovatnoće, međutim, potrebna vam je "mera" - (definicija/jedinica za meru/metod, engl. "measure") - matematička alatka koja vam govori kako da definišete relativne verovatnoće. A naći pravu meru za multikosmos je daleko od lakog posla.

Problem je što u beskonačno mnogo kosmosa, sve što može da se desi, desiće se, i to beskonačno mnogo puta. Kada tako postavite stvar, verovatnoća gubi značenje. "Kako da poredite beskonačnosti"? upitao je Andrej Linde sa Stanfordskog univerziteta, Kalifornija.

U multikosmosu, sve što može da se desi - desiće se, i to beskonačno mnogo puta.

Pre Buosovog rada, najčešći pristup bio je da izaberete jedan snimak multikosmosa za određeno vreme i izračunate karakteristike svih kosmosa unutra, beležeći i različite vrednosti tamne energije kako se pojave. Odatle, izvedete relativne verovatnoće za multikosmos, kako se ovaj razvija vremenom sa svojim beskonačno mnogobrojnim kosmosima.

Nažalost, u ovom pristupu ima gadna rupa, i to u onom - "određeno vreme". Prema Ajnštajnovoj opštoj teoriji relativnosti, pristup je potpuno besmislen. Jednostavno, časovnici rade drugačije za različite posmatrače. Dva događaja koja su za mene istovremena nisu i za vas, tako da postoji beskonačno mnogo načina da sečete multikosmos "na kriške". Nijedan nije tačniji od bilo kog drugog, pa prema tome nema razloga da date prednost jednom u odnosu na druge, a različite kriške mogu da urode plodom dramatično različitih rezultata.

Takođe u ranijim pristupima, ideja je bila da se multikosmos može opisati ako ga posmatramo iz tačke, nama inače nedostupne, a to je iz Božije perspektive. Buoso je shvatio da to vodi ka svim onim neobradivim beskonačnostima. Zato je odlučio da izračuna verovatnoće koje će da se baziraju na onom što svaki posmatrač može da vidi unutar svog kosmosa.

Kvantna mehanika nam kaže da vakum u svemiru nije prazan, naprotiv, u njemu pršti od energije. Takođe, kaže nam da će se svaki kosmos, pre ili kasnije, spontano raspasti u drugi sa nižom energijom. Doista, mnogi kosmolozi zamišljaju naš veliki prasak kao baš jedan takav događaj, u kojem je vakum u kojem živimo iskrsnuo iz jednog vakuma više energije koji je sačinjavao kosmos pre našeg. Ono što je ovde bitno jeste da postoji obilje mogućih kosmosa koji mogu da nastanu na ovaj način, i svaki sa svojom vlastitom verovatnoćom. Dodajući ove verovatnoće, Buoso je mogao da dođe do različitih verovatnoća kojima se susreće posmatrač koji se našao u nekom kosmosu sa određenim nizom karakteristika.

Ovakvim pristupom Buoso je mogao da izvede verovatnoće između ostalog i za količinu tamne energije u bilo  kom određenom kosmosu, a da uopšte ne pribegava božjoj perspektivi, ili spekulaciji o tome šta bi moglo da se dešava u nepovezanim balonima kosmosa van našeg domašaja. On ovaj pristup naziva "merom slučajnog uzorka" (the causal patch measure), i ispada da to deluje. Pristup je primenio da bi predvideo, tj našao vrednost za varijaciju tamne energije koju bi trebalo da registrujemo u našem vlastitom kosmosu, i ispada da je rezultat značajno blizu vrednosti koju zapažamo (arxiv.org/abs/hep-th/0702115).

Da li to znači da je posao obavljen? Pa ne baš. Problem sa "merom slučajnog uzorka" jeste da rezultat zavisi od energije vakuma kosmosa sa kojim počinjete da vršite proračun. A takva proizvoljnost je nedopustiva za fizičare.

Hologram za  multikosmos

Dok se Buoso bavio mestom sa kojeg bi posmatrač trebalo da posmatra multikosmos, kosmolog Aleksandar Vilenkin sa Tufts univerziteta iz Bostona pokušavao je da formuliše drugi pristupa globalnoj slici. Nezadovoljan ranijim pristupima iznalaženju mere, odlučio je da, zajedno sa Jaume Garriga sa Barcelona univerziteta, iz Španije, ključ rešenja potraži tako što će primeniti jedno otkriće argentiskog fizičara Juan Maldacena sa Instituta za visoke studije iz Princitona.

Malcadena je došao do iznenađujućeg otkrića dok je radio na teoriji struna kako bi izgradio model kosmosa. Pronašao je da bizarno oblikovan kosmos sa pet dimenzija predstavlja tačan ekvivalent jednostavnijem četverodimenzionalnom modelu. Ovo je klasičan primer onog što je poznato kao "holografski princip", u čijoj osnovi je ideja koja može da se primeni za za bilo koji svemir sa bilo kojim brojem dimenzija - sva fizika unutar tog svemira može da se nađe u kodu na obodu tog svemira, baš kao što dvodimenzionalni hologram na kreditnoj kartici može da sadrži kod sa svim informacijama 3D objekta.

Vilinkin i Garriga su izveli zaključak da čitav multikosmos mora da ima holografsku sliku sadržanu na svom obodu (arxiv.org/abs/0905.1509). Međutim, u slučaju multikosmosa obod ne čini granica svemira, nego vreme, i to ono beskrajno daleko u budućnosti. Da li se tu krije jedinstveno definisana mera za multikosmos?

Buoso se zainteresovao. Mada je verovao da njegova mera slučajnog uzorka više obećava, odlučio je da vidi šta bi se desilo kada bi pokušao da izvede meru za multikosmos proučavajući njegovu granicu. "Želeo sam da izravno primenim ono što smo čuli od Maldacena", rekao je.

Ispostavilo se da kada zumirate na deo oboda/granice dobijete ekvivalent vrednosti koju ste dobili i na osnovu odabira različitih, ograničenih "kriški" vremena u unutrašnjosti multikosmosa (videti dijagram). Da biste bolje razumeli postupak, zamislite da stojite u mračnoj sobi leđima okrenuti jednom zidu a sučelice drugom. Upalite lampu i usmerite snop svetlosti ka zidu ispred vas. Svetlost se razliva u velikom krugu, a kako se približavate zidu, krug se skuplja. Što se više udaljavate od zida iza vas, mesta odakle ste krenuli, to je manja obasjana površina na zidu ispred vas. Drugim rečima, postoji jasna veza između područja na vašoj budućoj granici i udaljenosti od mesta sa kojeg ste krenuli. Na sličan način, naročito područje na granici multikosmosa povezano je sa određenim vremenom unutra.

Ono što je tako moćno kod ovog pristupa jeste da se ne kosi sa Ajnštajnovom teorijom po kojoj je vreme relativno različitim posmatračima. Ovde nam granica govori koji baloni kosmosa bi postojali za neko određeno vreme. Kada to znate, možete da počnete da poredite kosmose i izračunavate verovatnoću da se pronađe jedan sa nekom određenom vrednošću tamne energije, na primer.

Dok je Bouso proučavao ovu meru, iskrslo nešto zapanjujuće. Globalna mera koju je otkrio pomoću holografske prezentacije multikosmosa i njegove buduće granice, rezultira vrednostima koje su ekvivalent vrednostima prema njegovoj meri na osnovu slučajnog uzorka, koju je već izveo jednostavnim razmatranjem šta jedan posmatrač može da vidi. Ispostavilo se da su dva dramatično različita pristupa zapravo dva različita načina gledanja na istu podvučenu realnost: jedan razmatra jednu celinu/sklop mogućih istorija za jednog posmatrača, drugi čitavu beskonačnu istoriju beskonačnog broja nepovezanih balona kosmosa.

"To je bilo stvarno zaprepašćujuće", kaže Bousso. "Zapanjilo me kada sam shvatio da dve mere proizvode tačno iste verovatnoće".

Dakle dok u slučajnom uzorku mere vaši odgovori bitno zavise od kosmosa sa kojim počinjete posmatranja, globalna mera ne trpi od ove dvosmislenosti. U multikosmosu, baloni stvaraju balone koji stvaraju balone, tako da se inicijalni uslovi brzo izgube u gomili i više nisu bitni kada se proračunavaju verovatnoće. Zapravo globalna slika u stvari definiše koji bi početni vakum za pristup sa slučajnim uzorkom trebalo da bude.

S druge strane, dok globalna slika trpi zbog problema sa "duplikat informacijom" (see "What black holes can teach us"),  Bousovo slučajni uzorak merenja ovo uspešno zaobilazi.

Implikacije otkrivenog mogle bi biti ogromne. Dva ekvivalentna merenja ne samo da su obezbedila predikciju za tamnu energiju u našem vlastitom svemiru koja je veoma približna onom što opažamo, već su oba su inspirisana na različite načine holografskim principom. Ovo sugeriše da je holografski princip fundamentalno značajan, i mogao bi nas dovesti do teorije o kvantnoj gravitaciji - dugo traženoj teoriji svega u kojoj se ogleda dinamika multikosmosa. "Razmišljajući o problemu postupka/mera, izgleda da otkrivamo, možda neočekivano, tajne jedne druge, jednako duboke misterije, koja se uglavnom svodi na to kako da formulišemo teoriju kvantne gravitacije multikosmosa", rekao je Bouso.

Izgleda da smo na putu da formulišemo teoriju kvantne gravitacije multiverzuma.

Čak je i Elis impresioniran Bousovim rezutatima, mada i dalje skeptičan po pitanju multikosmosa. "To je korisna i interesantna vrsta doslednog testa baziranog na fascinantnoj ali spekulativnoj fizici", kaže. A ima i druga dalekosežna posledica ovoga pristupa. Ako se Bousova jednaka vrednost održi, onda merenja ne samo da mogu biti primenjena za dobijanje stvarnih predikcija koje mogu da budu testirane, već takođe mogu da se primene za proračune u multikosmosu, bez osvrtanja na nedostupne kosmose/vasione koje se skrivaju iza našeg kosmičkog horizonta. Sve što želimo da saznamo o multikosmosu moglo bi da bude baš ovde u našem kosmosu.

Lekcije crnih rupa

Kada je Stiven Hoking izračunao da crne rupe emituju energiju i vremenom ispare, ostavio je otvorenim jedno dosadno pitanje: šta se dešava sa informacijom o onome što je upalo u nju? Ako je umaklo natrag u svemir, trebalo bi da putuje većom brzinom od svetlosti, podrivajući Ajnštajnovu teoriju relativnosti. Ako je nestalo iz svemira, podrivalo bi fundamentalni princip kvantne mehanike. Ova zagonetka postala je poznata kao paradoks crne rupe, tj gubitka informacije (New Scientist, 28 October 2006, p 36).

Odgovor nalazimo u ideji holografskog principa, koja kaže da fizika unutar prostor-vreme regiona jeste ekvivalentna fizici na granici regiona. Možete da mislite o crnoj rupi kao ekvivalentu vrelog gasa običnih čestica na granici svemira. Budući da vreo gas običnih čestica nikad ne gubi informacije, onda se one ne gube ni u crnoj rupi.

Lekcija iz holografske slike jeste da nijedan posmatrač ne bi trebalo da može da vidi informaciju da nestaje iz svemira. Ako Alisa gleda sa udaljenosti kako slon upada u crnu rupu, videće ga kako se približava horizontu događaja, kada biva spržen Hokingovim zračenjem, i završava kao tužna gomila pepela. U međuvremenu, Bob, koji upada u crnu rupu sa slonom, vidi kako slon prelazi horizont događaja bezbedno, i živi srećno neko vreme pre nego stigne do tačke singularnosti u jezgru crne rupe.

Prema holografskom principu, obe priče mora da su tačne. Ako kako može slon da bude i gomila pepela izvan horizonta i živ i zdrav unutar crne rupe? Izgledalo bi kao da je slon bio kloniran, a zakoni fizike isključuju takvo dupliranje informacije.

Kosmolog Rafael Bouso objašnjava da je paradoks rezultat pogrešne ideje, tj, da možemo istovremeno da objasnimo i šta se dešava unutar i van horizonta, kada u stvarnosti ni jedan posmatrač ne može da vidi te dve stvari odjednom. Drugim rečima, da bi fizika imala smisla, morate da se držite opisa vasione koju samo jedan posmatrač može da vidi. To je suštinski drugačiji pristup u odnosu na staru ideju da mi možemo da objasnimo čitav svemir sa tačke koja nam je inače nedostupna, tj iz božje perspektive.

Pričati o multikosmosu/multiversu kao nečemu gde sve možete sagledati direktno odjednom , kaže Bouso, čak je veća besmislica od one kada pokušavamo da simultano opišemo šta se dešava unutar i van horizonta događaja crne rupe.

Amanda Gefter, urednik New Scientist's Opinion section, based in Boston

Prevela i priredila Tatjana Petrović