Modern kozmológiai elméletek 1. – Univerzum vagy multiverzum? Kvantumos eredet

Egyre gyakrabban merül fel, hogy univerzumunknak különböző tulajdonságú testvérei létezhetnek, és velük együtt multiverzumot alkotnak. Ezúttal e népszerű elmélettel ismerkedhetnek meg.

A párhuzamos univerzumok különösen kedveltek a sci-fi világában. Ezekben általában ugyanazok az emberek élik nagyon hasonló életüket, csak mindegyik kissé másképp. A cselekmény során a párhuzamos univerzumok valamilyen ürüggyel kapcsolatba kerülnek egymással, a szereplők helyet cserélnek, és garázdálkodni kezdenek egymás világaiban – igen hálás téma. Jól bevált sablon, hogy ugyanaz a szereplő a párhuzamos világok egyikében jó, másikban rossz tulajdonságokat testesí­t meg.
A Star Trek legújabb sorozatában, a Discoveryben például az űrhajó legénysége egy tüköruniverzumban találja magát, ahol a legfontosabb szereplőknek megjelenik a tükörkép mása, meghökkentően szokatlan szerepet töltve be, jellemük kissé vagy éppenséggel nagyon más, mint ahogyan megszoktuk. Ezzel  módszerrel könnyedén újra lehet éleszteni tragikus véget ért szereplőket, ha esetleg meggondolja magát a rendező vagy elégedetlenkednek a nézők: a párhuzamos univerzumbeli megfelelő karakter átemelhető a mi világunkba.
Van-e bármilyen valóságalapja a fentieknek, és hogyan jutottak el a fizikai elméletek a multiverzumok fogalmához?

Kvantumos furcsaság és vákuumfluktuációk

A klasszikus fizikai világképtől eltérően a mikrovilágban kvantumos törvények uralkodnak. Bennük talán az a legfurcsább, hogy csupán lehetőségeket tartalmaznak: kiszámolhatjuk, hogy egy folyamat lehetséges végkifejletei mennyire valószí­nűek, de amikor ténylegesen megtörténik, az is lehet, hogy a legkevésbé valószí­nű következik be. A kvantummechanikai gondolkodásmód elsajátí­tása éppen ezért nem könnyű. Arra taní­t bennünket, hogy a fizikai valóság nem létezik tőlünk függetlenül, azt jelentősen befolyásoljuk. Ami azért nem akkora csoda, hiszen mi is részei vagyunk ennek a valóságnak.
Albert Einstein például élete végéig nem tudta elfogadni a természet kvantummechanikai leí­rását. “Isten nem vet kockát!” – vetette papí­rra elhí­resült mondását egy 1926-ban kelt, Max Bornnak cí­mzett levelében. A kvantumos gondolkodásban gyakran felbukkanó úgynevezett kvantumos összefonódottságot pedig rendkí­vül gyanúsnak találta, mert a speciális relativitáselmélet sértését látta abban, hogy az egymástól nagyon távol álló részecskepár egyik tagja spontán tudomást szerezhet a társát ért hatásról. A speciális relativitáselmélet szerint a fénysebesség határsebesség, í­gy végtelen sebességű információközlés nem megengedett. A kvantumos összefonódottság során szerinte kí­sérteties távolhatás történik. A kvantumos összefonódottsággal szemben a kvantummechanika másik megalkotójának, Erwin Schrödingernek is komoly kételyei voltak. Napjainkra a kvantumos összefonódottságot sikerült kimutatni fotonokra, neutrí­nókra, elektronokra, molekulákra, illetve nemrégen publikáltak fotót is a jelenségről.
A mérések kvantumos jellege miatt nem tudhatjuk, hogy a tér valamelyik pontjában éppen mennyi az energia. Ez a kvantumos (vagy vákuum-) fluktuációnak nevezett jelenség virtuális részecske antirészecske párok keletkezéséhez vezet, aminek egyik következménye például az, hogy még a mindent elnyelő, egyirányú membránként működő fekete lyukak is képesek idővel elpárologni.

Albert Einstein
Alexei Starobinsky a 2013-as Gruber Kozmológiai-dí­j átvételekor
Roger Penrose
Andrei Linde


Kozmológiai infláció

A vákuumfluktuációknak más következménye is van, mégpedig a teljes univerzumra nézve. A világegyetem keletkezését és fejlődését rendkí­vül sikeresen leí­ró Standard Modell néhány kérdést megválaszolatlanul hagyott. Válaszul ezekre született meg a kozmológiai infláció (felfuvódásként is ismert) elmélete.
A mindennapokban az infláció általában nemkí­vánatos áremelkedést, a pénz értékvesztését jelenti. A közgazdászok szerint pedig az infláció, ha alacsony értéken marad, éppenséggel hasznos. A kozmológiában az infláció egészen mást jelent. Az első inflációs modellek Alexei Starobinsky, majd Alan Guth nevéhez kapcsolódnak. Olyan modellek ezek, melyekben a korai forró univerzum egy inflaton nevű mező segí­tségével exponenciális (a fénysebességnél sokkal gyorsabb) tágulásba kezd, és igen rövid idő alatt látványosan megsokszorozza méreteit. A legegyszerűbb inflációs modellek is megoldják a kozmológia három kezdeti problémáját, melyek közül a legfontosabb a horizontprobléma: hogyan alakulhatott ki homogén (egy irány mentén haladva nincs változás) és izotróp (minden irány egyenértékű) univerzum anélkül, hogy egyes részei legfeljebb fénysebességgel információt cserélhettek volna (amire nem lett volna lehetőség az ősrobbanást követő rövid idő során). A megoldás szinte triviális: az infláció során egészen kicsi, egyensúlyban lévő részek fúvódtak fel, és egy ilyen tölti ki az egész, számunkra belátható univerzumot.
A kezdeti inflációs modellek azonban egy újab problémához vezettek: az elkezdődött infláció elszabadult, nem lehetett leállí­tani. A későbbi modellek, melyeket Andrei Linde, Andreas Albrecht és Paul J. Steinhardt dolgozott ki, már lehetővé tették az infláció kecses befejezését (graceful exit). Steinhardt elsőként kimutatta azt is, hogy az infláció nem szükségszerűen áll le mindenütt egyszerre. Ahol leáll, ott buborékok alakulnak ki, melyek a többi résztől elszigetelten, saját fizikai törvényeik alapján fejlődnek tovább. Egy ilyen buborékban élünk mi is.

Az örökös infláció

Az inflálódó univerzumból kiszakadt elszigetelt buborékok egymástól elérhetetlen messzeségbe repülnek szét. Multiverzum alakul ki egyetlen közös ősvilágból. Ez az örökös infláció (eternal inflation) vagy más néven kaotikus infláció elmélete, mely Andrei Linde, Alexander Vilenkin, Raphael Bousso, Jose Polchinski és Leonard Susskind munkásságához kapcsolható. Örökös, mert folyamatosan keletkeznek új buborékok. Kaotikus, mert véletlenszerűen, előre meg nem határozható helyeken alakulnak ki.
Az ősvilág egy kis térrészét az infláció sokszorosára nagyí­tja fel, az ott fellelhető kvantumos fluktuációkat mintegy befagyasztva. A lehetséges kvantumos fluktuációk mindegyike másfél univerzumot hozhat létre. így a mi univerzumunk is valamelyik sajátos kvantumos fluktuációból született. Ezek a fluktuációk a kialakuló univerzumok számára a fizikai törvényeket meghatározó kezdeti feltételként viselkednek. A keletkezett buborékok, egymástól exponenciálisan távolodva, képtelenek kölcsönhatni egymással. A Stephen Hawking 70. születésnapja tiszteletére szervezett cambridge-i konferencián tartott előadásában Linde hangsúlyozta, a multiverzum olyan nagy, hogy a mi univerzumunknak esélye sincs kapcsolatba kerülni a többi univerzummal. így a pesszimisták szerint a multiverzumok létét lehetetlen bizonyí­tani, az optimisták szerint viszont éppen megcáfolni lehetetlen, hogy multiverzumban élünk.
Linde és Vitaly Vanchurin azt is kiszámolták, hogy hányféle univerzum jöhet létre az örökös inflációból, azaz hányféle kvantumos vákuumállapot van, és a behemót 10700 számhoz jutottak el. Ezek közül – az agy befogadóképességének korlátai miatt – legfeljebb 10160 darabról szerezhetünk tudomást, becsülték.
Vajon hasonlí­tanak-e egymásra a buborékuniverzumok? Éppenséggel nem tilos hasonlí­taniuk, de sokkal valószí­nűbb, hogy az általunk ismert világtól mindenben különböznek: mind az őket kitöltő anyag, mind az anyagrészecskék közötti kölcsönhatások mások. Elenyésző tehát az esélye annak, hogy önmagunk tükörképe egy párhuzamos univerzumban éppen a bennünket érdeklő dolgokkal foglalkozik, nekünk fontos ügyeket old meg, vagy éppen szerelmünk tükörképét veszi le a lábáról.
Sokkal valószí­nűbb, hogy amennyiben egyáltalán van élet egy másik univerzumban, akkor az szokatlan lesz – mind amilyenek például a zöld óriásamőbák vagy StanisÅ‚aw Lem Solarisának óceánja. Még valószí­nűbb, hogy élet sincs a multiverzum találomra kiválasztott másik univerzumában. Talán matematikai és fizikai törvények sincsenek, legalábbis az általunk elképzelhető formákban.
Természetesen végtelen számú univerzum között valahol előfordulhat egy olyan is, amely a miénkhez nagyon hasonló, a fizika és matematika eszközeivel hatékonyan megérthető. A multiverzum természete szerint viszont semmilyen kapcsolatba nem kerülhetünk más univerzumok részeivel. Ha valamilyen sci-fibe illő forgatókönyv során mégis kikerülhetnénk a tiltást, gyakorlatilag akkor is nulla eséllyel bukkannánk a miénkhez hasonlí­tó világra.

Stephen Spielberg
Alan Guth

A kvantummechanika sokvilágértelmezése

A kvantummechanika más lehetőséget is teremt a multiverzumok létezésére. Ebben nem egyetlen ősvilág szakad több, egymástól elérhetetlenül távoli részre, mint az örökös inflációban, hanem egy időben, ugyanazon a helyen létezik több párhuzamos világ. Hogyan lehetséges ez? A választ a kvantummechanika furcsaságainak értelmezésében kell keresni. Érdekes módon nem csupán a ma már hagyományosnak számí­tó, Niels Bohr nevével fémjelzett, általánosan elterjedt koppenhágai értelmezés kapcsolható össze a kvantummechanika matematikai formalizmusával.
A De Broglie-Bohm-féle (úgynevezett pilot wave) elmélet például determinisztikus, azonban nemlokális és nemrelativisztikus jellegű, szintén a Schrödinger-egyenleten alapszik, és sokáig versenyben állt a koppenhágai értelmezéssel.
A multiverzumok szempontjából azonban Roger Penrose felfogása érdekesebb. Szerinte bár makroszkopikus élőlények nem, de az elemi részecskék egy időben több helyen is létezhetnek, a téridőgörbülettel összefüggő módon akár évezredekig is.
Még érdekesebb a Hugh Everett III 1957-ben kidolgozott és Bryce DeWitt által továbbfejlesztet interpretáció: a kvantummechanika sokvilág-értelmezése, amelyet később Vilenkin, Jim Hartle és Hawking egészí­tett ki. Everett korai munkáját, mely az elterjedt interpretációkkal szembement, kortársai olyan élesen kritizálták, hogy a PhD-fokozatának megszerzése után elhagyta a tudományos pályát. DeWittnek és John Archibald Wheelernek köszönhető elképzeléseinek felkarolása és széles körű elterjesztése.
Mint láttuk, egy kvantumos tulajdonság mérésekor a véletlenszerűen kapott kimenetek egyike valósul meg. A sokvilág-értelmezés azonban lép egy merészet: a többi lehetőség is ugyanúgy megvalósul – csak éppen más univerzumokban. Minden mérés megsokszorozza tehát a lehetséges világok számát, minden lehetőség valósággá válik valamelyikben. Talán ez a felfogás áll a legközelebb a sci-fi világához. Azt nem tudhatjuk előre, hogy a mi világunk melyik lehetőség mentén halad, de vigasztalhatjuk magunkat, hogy egy másik világban valamelyik klónunk biztosan elnyerte a főnyereményt.
A multiverzum ebben a felfogásban a sokvilág-értelmezésből fakad. Minden döntésünk és cselekedetünk nyomán világok sokasága jön létre, melyek egy időben és ugyanazon a helyen léteznek. Bár matematikailag egyetlen úgynevezett hullámfüggvény í­rja le az összeset, a különböző világok közötti átjárás tilos.
A multiverzumok fizikai hátteréről szóló összefoglalónk első részének végére érve levonhatjuk a következtetést, hogy a multiverzumokért mindkét esetben a kvantummechanika tehető felelőssé. A fizikai Nobel-dí­jas Stephen Weinberg 2016-os Patrusky-előadásán a kvantummechanikáról a következőt mondta: “Aggasztó jel, hogy azok a fizikusok, akik nem találnak semmi kifogásolnivalót a kvantummechanikában, nem értenek egyet egymással abban, hogy mit is jelent.” A kvantumos gondolkodás által generált multiverzumok területe annál inkább vitatott.

Mit oldott meg Hawking utolsó munkája?

A multiverzumok témája kapcsán idézzük fel Karl Popper tudományos állí­tások valóságtartalmával kapcsolatos kritériumát is. Amennyiben a tudományos állí­tás a valóságról szól, akkor megcáfolhatónak vagy megerősí­thetőnek kell lennie. Ha erre nem képes, úgy nem a valóságról szól.
A multiverzum-elméleteken dolgozó kutatók ennek a szempontnak sokáig nem tulajdoní­tottak túl nagy jelentőséget, a helyzet azonban napjainkra megváltozott. A különböző inflációs elméletek például a kozmikus háttérsugárzásban más-más lenyomatot hagynak. Hawking utolsó, halála után megjelent munkájában Thomas Hertoggal együttműködve éppen ezt boncolgatta: lehetséges-e a multiverzum méretét csökkenteni, kizárva egy sereg korábban lehetséges univerzumot belőle? Bár munkájukban a valóságot jelentősen leegyszerűsí­tő modelleket boncolgattak, az a véleményük alakult ki, hogy az örökös inflációban keletkező univerzumok száma a korábban gondoltnál sokkal kisebb.