Vienoje visatoje erdvė gali turėti keturis matmenis, o ne tris. Kitoje – laikas būti ne vienmatis, o dvimatis

Kai kovą mirė garsus šių laikų astrofizikas, žurnalistai atkreipė dėmesį į mokslinį darbą, kurį jis paskutinį kartą taisė, likus vos dviems savaitėms iki mirties. „Paskutinysis Hawkingo darbas atveria kelią į naujus pasaulius“, – rašo britų laikraštis The Times. Straipsnyje „aprašomos paralelios visatos ir prognozuojama mūsiškės visatos baigtis“, plėtoja mintį mokslo populiarinimo svetainė Inverse.com.

S. Hawkingo kartu su belgų fiziku Thomasu Hertogu parašytas mokslinis darbas „Sklandus išėjimas iš amžinos infliacijos“ su paralelinėmis visatomis tiesų susijęs. Bet ar tikrai autoriai padarė revoliucinį atradimą? Ne, ir negana to: astrofizikai apie paralelias visatas rašo jau seniai ir daug.

Populiariausia šios srities koncepcija – kosminės infliacijos teorija. Kaip dažnai būna moksle, po vienu pavadinimu slypi kelios konkuruojančios ir nesuderinamos idėjos, sutariančios tik dėl vieno dalyko: regimas kosmosas – ne visas fizinis pasaulis.

Hawkingo darbas skirtas „amžinajai infliacijai“ – sąvokai, kurią 1983 metais panaudojo iš Charkovo kilęs neįprastos akademinės biografijos jaunas fizikas Aleksandras Vilenkinas. SSRS, dėl atsisakymo bendradarbiauti su KGB, jam nebuvo leista studijuoti aspirantūroje, ir Vilenkinui teko dirbti naktiniusargu zoologijos sode ir vyno parduotuvėlės apsauginiu. Sulaukus 26 metų, jam pavyko emigruoti į JAV ir p poros metų jis tapo Tuftso universiteto kosmologijos profesoriumi. Dabar jis dirba šio universiteto Kosmologijos instituto direktoriumi. Hawkingo straipsnio pirmoji nuoroda – į seną Vilenkino publikaciją.

Kuo baigiasi mūsų kosmosas?

Kad ir kokios bebūtų kitos visatos, jos prasideda už mūsiškės ribų. O kur šios ribos? Regimoji Visata – tai viskas, ką iš principo galime pamatyti ar išgirsti radijo bangų diapazone per 14 milijardų metų, praėjusių nuo Didžiojo sprogimo (DS) momento. Taip iš karto apribojamas jos dydis. Kodėl? Jei per 14 milijardų metų iki mūsų atsklido koks nors signalas – šviesa, gravitacinės bangos, kietoji rentgeno spinduliuotė – tai, darant prielaidą, kad greičiau už šviesą keliauti neįmanoma, reiškia, kad jis sklido ne daugiau, nei 14 milijardų šviesmečių. Tačiau signalo šaltinis gali būti toliau – jei, pavyzdžiui, kadaise paleido šviеsos blyksnį mūsų link, o pats juda priešinga kryptimi.

Remiantis tokia logika, būtų galima manyti, kad iki toliausių materijos dalelių, galinčių apie save pranešti yra 2×14 milijardų šviesmečių. Tačiau viskas yra sudėtingiau. Nuo pat DS momento plečiasi pati erdvė, ir tolimos dalelės nueitas kelias ilgėja, o starto taškas tolsta.

Galima įsivaizduoti vabalą, pamažu ropojantį ilga gumos juosta, kuri kitame gale tempiama – ir kuo vabalas nuo mūsų toliau, tuo jis dėl gumos tempimo nuo mūsų juda greičiau. Pakeiskime „gumos tempimą“ į „erdvės plėtimąsi“, o vabalą – į galaktiką. Skaičiavimai rodo, kad atsižvelgus į šį efektą, iki regimosios visatos ribos – maždaug 46 milijardai šviesmečių. Tai yra, regimoji Visata – tokio spindulio idealus rutulys. Suprantama, kaimyninei galaktikai (ir net kitam žmogui), šis regimosios visatos rutulys bus kiek kitoks: skirtingų stebėtojų ir visatos skiriasi. Taip pat kaip įprastas horizontas Žemėje.

Idėja, kad Visatoje už horizonto viskas daugmaž taip pat – nykoka. Tačiau pačiu faktu, kad už horizonto yra mūsų neregimas kosmosas, kurio apimtis mažiausiai šimtą kartų didesnė, kosmologai neabejoja. O MIT profesorius Maxas Tegmarkas, knygos „Mūsų matematinė visata“ autorius, vadina ją „pirmojo lygio multivisata“. Kadangi yra „pirmasis“, aišku, kad toks scenarijus nėra vienintelis: Tegmarkas kalba apie dar tris.

Regimos Visatos riba vadinama „dalelių horizontu“. Kaip atrodo šios galutinės ribos objektai? Klausimą lengva išnarplioti ir be jokių teleskopų. Jei šviesa iki mūsų sklido 10milijardų metų, matome ją tokią, kokia ji buvo prieš 10 milijardų metų. Jei šviesa iki mūsų sklido 14 milijardų metų – jos šaltinį matome tokį, koks jis buvo iškart po DS. O tada jokių dangaus kūnų nebuvo – vien karšta plazma, būsimų žvaigždžių ir galaktikų žaliava.

Šios plazmos švytėjimas pasiekia mus iš kiekvieno dangaus taško: tai mikrobangos, vadinamos reliktiniu spinduliavimu. Jos registruojamos specialiais radioteleskopais. Su tam tikromis išlygomis galima sakyti, kad nuo regimosios visatos ribos dieną ir naktį vyksta tiesioginė DJ Sprogimo transliacija (tiksliau, pirmųjų jo pasekmių).

O už kosmologinio horizonto esantys dangaus kūnai niekaip neatrodo. Šviesa, kurią jie išspinduliavo iš karto po Didžiojo Sprogimo, ar juolab – vėliau, iki mūsų dar nespėjo atsklisti. O kadangi už šviesą greičiau joks signalas nekeliauja, tai ir kaip nors paveikti mūsų regimo kosmoso jie negali. Tarp jų ir mūsų nėra priežasties ir pasekmės ryšio, tai – kita Visata. Todėl hipotezės, kad iš karto už horizonto prasideda levituojančių banginių ar spalvotų virdulių teritorija, joks eksperimentas negali patvirtinti arba paneigti.

Didysis sprogimas kiekvienai tokiai visatai – ne infliacijos pradžia, o pabaiga, paaiškinama plačiame Discover Magazine komentare apie paskutinįjį Hawkingo straipsnį. Vykstant Infliacijai, erdvėje nebuvo nei atomų, nei plazmos – tik laukas, nepanašus į nieką, ką regime dabartiniame kosmose. Kad atsirastų mums įprastos formos materija ir energija, laukas turėjo užšalti. Fizikams tam tikra prasme nesvarbu, kad „užšalimo“ rezultatas – karšta plazma. Tokie procesai, kaip užšalimas, lydymasis ar virimas, kada medžiagos savybės keičiasi šuoliškai, vadinami faziniais virsmais, ir infliacijos pabaiga – taip pat fazinis virsmas.

O štai užšalti laukas gali įvairiai. Ir to rezultatas – visatos, kuriuose galioja skirtingi fizikos dėsniai. Vienos gali būti, tarkime, keturi, o ne trys erdvės matmenys, kitoje – laikas ne vienmatis, o dvimatis. Profesorius Tegmarkas vadina tai „antrojo lygio multivisata“. Sritis, sudaryta iš vienodus fizikos dėsnius turinčių visatų – domenas (ir, pavyzdžiui, priežastingumo ryšiais nesusiję Visatos lotai virš Šiaurės ir Pietų ašigalio – yra dalys to paties domeno, kaip ir mes), o štai tarp skirtingų domenų yra išties neįveikiama riba, vadinama „domenų sienele“.

Gyvename geriausiame iš pasaulių?

Visatos aprašymui reikia ne tik fizikos dėsnių, bet ir fundamentalių konstantų. Pavyzdžiui, protonas 1836,152 karto sunkesnis už elementarią dalelę elektroną, ir niekas negali paaiškinti, kodėl šis santykis būtent toks. Arba kodėl mūsų erdvė trimatė, o ne, tarkime 152–matė?

„Antrojo lygio multivisatų“ teorija atsako: tai atsitiktinumas. Mums iškrito toks konstantų rinkinys, o kaimyninio domeno visatoms – visiškai kitoks. Šie skaičiai – atsitiktiniai, nereikia ieškoti juose gilių prasmių.

Tačiau kosmologams svarstyti apie kitas visatas tai visai netrukdo. Galima išvysti įvairias visatas, kurios negali viena kitos paveikti, – ir kurių sandara vis viena vienoda. Tereikia pažvelgti į du priešingus dangaus sferos taškus – pavyzdžiui, virš Šiaurės ašigalio ir virš Pietų. Reliktinių mikrobangų dėstomas vaizdas daugmaž vienodas ir ten ir ten, nors tuo momentu, kai šviesa buvo išspinduliuota, šios dvi sritys jau niekaip negalėjo viena kitos paveikti – atstumas buvo pernelyg didelis ir priežastingumo principas – nutrauktas. Kodėl jie tokie panašūs? Infliacijos teorija siūlo, atrodytų, labiausiai tikėtiną atsakymą: kažkada šios dalys sudarė vieną esybę ir buvo arčiau viena kitos, nei gretimi atomai.

Kas yra kosminė infliacija?

Ir ekonomistams ir astronomams žodis infliacija reiškia ką patį: pūtimąsi – tokia tiesioginė šio žodžio reikšmė. Tačiau vienu atveju pučiasi pinigų masė, o kitu, – kosmosas prieš Didįjį sprogimą.

Ši infliacijos stadija įprastai aprašoma taip: per sekundės dalis erdvė iš taško, nepalyginamai mažesnio už atomo branduolį, išsiplėtė šimtą milijonų milijardų milijardų kartų (vienetas su 26 nuliais). Mūsų visatos atveju infliacija baigėsi, pasiekusi maždaug metro skersmenį. Skirtingi visatos taškai sklido vienas nuo kito didesniu nei šviesa greičiu (nors skamba keistai, jokie bendrosios reliatyvumo teorijos draudimai pažeidžiami nebuvo), ir visiems laikams dingo už kosmologinio horizonto ribos. Remiantis šiuo scenarijumi, jau viename kubiniame erdvės centimetre tilpo tūkstančiai viena nuo kitos horizontais atskirtų visatų.

Tuo tarpu žinoma, kad, jei konstantų reikšmės būtų vos šiek tiek kitokios, gyvenimas mums nebūtų rožėmis klotas. Jau keturmačiame pasaulyje nebūtų įmanomos stabilios planetų orbitos – tai yra, sakykime, keturmatė Žemė neskrietų stabilia orbita apie Saulę, o klajotų chaotiškai nepasikartojančiais maršrutais, mėtydamasi nuo karščio į šaltį. Jei elektrono masė keliomis procento dalimis būtų didesnė, tokie atomai kaip deguonis ir anglis taptų nestabilūs kaip uranas. Susidaro įspūdis, kad visas šių parametrų rinkinys – tiksliai parinktas žmogaus reikmėms.

Kaip toks sutapimas įmanomas? Gudrus atsakymo į šį klausimą variantas – antropinis principas: ne mums pasisekė su visata, o atvirkščiai. Gebanti tokius klausimus kelti sąmoninga gyvybė atsiranda tik tokiose visatose iš begalės galimų variantų, kur jai yra visos tinkamos sąlygos. Jei elektrono ir protono masė nebūtų idealiai pritaikyta viena kitai – tiesiog nebūtų kam grąžyti rankų, klausiant, už ką tokia bausmė.

Kas tai tiria?

Nobelio premijos už infliacijos teoriją – jei atsirastų jos įrodymų, – kas kart prognozuojami trims teoretikams, kurie išvystė ją praėjusio amžiaus aštuntojo dešimtmečio gale: tai du sovietų fizikai, Aleksejus Starobinskis ir Andrejus Linde (dabar Stanfordo profesorius JAV) ir amerikietis Allanas Guthas. Stephenas Hawkingas šia tema užsiėmė dar devintojo dešimtmečio pradžioje, bet nebuvo pirmeivis.

Duodamas interviu astrofizikui D. Šternui, Linde papasakojo, kaip 1981 metais, lankydamasis SSRS, Hawkingas nutarė pranešimą skaityti būtent šia tema. „Hawkingas įrodinėjo, kad Gutho modelio negalima išgelbėti. Jis sakė, kad Linde turi nuostabią idėją, kaip tai būtų galima atlikti, tačiau ji neveikia, ir likusią pranešimo dalį teikė argumentus, kodėl mano idėja negali veikti, – pasakojo Linde Šternui. – Po pranešimo pasakiau Hawkingui, kad nesutinku su jo argumentacija ir apie porą valandų aiškinau jam, kodėl mano idėja visgi turėtų veikti“.

Dabar šią teoriją pripažįsta didžioji dalis kosmologų.

Naktiniu sargu zoologijos sode dirbusiam Vilenkinui priklausanti „amžinos infliacijos“ idėja – šios teorijos apibendrinimas. Remiantis ja, infliacija – ne tolimos praeities istorija, o tebevykstantis procesas: naujų visatų gimimas niekada nesibaigia.

Komentarai ()