Czy wszechświaty pojawiają się jako bąbelki z multiwersu?

Łatwo wyobrazić sobie inne wszechświaty, rządzone nieco innymi prawami fizyki, w których nie mogłoby powstać żadne inteligentne życie ani żaden zorganizowany, złożony system. Czy zatem powinniśmy się dziwić, że istnieje wszechświat, w którym mogliśmy się pojawić?

To pytanie, na które fizycy, w tym ja, próbowali odpowiedzieć przez dziesięciolecia. Ale okazuje się to trudne. Chociaż możemy z całą pewnością prześledzić kosmiczną historię do jednej sekundy po Wielkim Wybuchu, to, co wydarzyło się wcześniej, jest trudniejsze do zmierzenia. Nasze akceleratory cząstek po prostu nie są w stanie wytworzyć wystarczającej ilości energii, aby odtworzyć ekstremalne warunki panujące w pierwszej nanosekundie.

Ale spodziewamy się, że to właśnie w tym pierwszym ułamku sekundy kluczowe cechy naszego wszechświata zostały odciśnięte.

Teoria Wielkiego Wybuchu jest najszerzej akceptowanym naukowym wyjaśnieniem pochodzenia wszechświata. Sugeruje, że wszechświat powstał jako osobliwość, nieskończenie gęsty i gorący punkt, który szybko się rozszerzył około 13,8 miliarda lat temu i od tamtej pory ochładza się i rozszerza.

Warunki panujące we wszechświecie można opisać za pomocą jego „podstawowych stałych” – stałych wielkości występujących w przyrodzie, takich jak stała grawitacji (zwana G) czy prędkość światła (zwana C). Jest ich około 30 reprezentujących rozmiary i siły parametrów, takich jak masy cząstek, siły czy ekspansja wszechświata. Ale nasze teorie nie wyjaśniają, jakie wartości powinny mieć te stałe. Zamiast tego musimy je zmierzyć i wstawić ich wartości do naszych równań, aby dokładnie opisać naturę.

Wartości stałych mieszczą się w zakresie, który pozwala na ewolucję złożonych systemów, takich jak gwiazdy, planety, węgiel i ostatecznie ludzie. Fizycy odkryli, że gdybyśmy zmienili niektóre z tych parametrów o zaledwie kilka procent, pozbawiłoby to życia nasz wszechświat. Dlatego fakt, że życie istnieje, wymaga pewnego wyjaśnienia.

Niektórzy twierdzą, że to po prostu szczęśliwy zbieg okoliczności. Alternatywnym wyjaśnieniem jest jednak to, że żyjemy w multiwersie, zawierającym domeny o różnych prawach fizycznych i wartościach podstawowych stałych. Większość może być całkowicie nieodpowiednia do życia. Ale kilka powinno, statystycznie rzecz biorąc, być przyjaznych życiu.

Zbliżająca się rewolucja?

Jaki jest zakres rzeczywistości fizycznej? Jesteśmy przekonani, że jest bardziej rozległy niż domena, którą astronomowie mogą kiedykolwiek obserwować, nawet w zasadzie. Ta domena jest zdecydowanie skończona. Zasadniczo dzieje się tak dlatego, że podobnie jak na oceanie istnieje horyzont, którego nie widać dalej. I tak jak nie sądzimy, że ocean kończy się tuż za naszym horyzontem, tak samo spodziewamy się galaktyk poza granicami naszego obserwowalnego Wszechświata. W naszym przyspieszającym wszechświecie nasi odlegli potomkowie również nigdy nie będą w stanie ich obserwować.

Większość fizyków zgodziłaby się, że istnieją galaktyki, których nigdy nie możemy zobaczyć i że jest ich więcej niż tych, które możemy obserwować. Jeśli rozciągają się wystarczająco daleko, wszystko, co kiedykolwiek moglibyśmy sobie wyobrazić, może się powtarzać w kółko. Daleko za horyzontem wszyscy moglibyśmy mieć awatary.

Ta rozległa (i przeważnie nieobserwowalna) domena byłaby pokłosiem „naszego”[{” attribute=””>Big Bang – and would probably be governed by the same physical laws that prevail in the parts of the universe we can observe. But was our Big Bang the only one?

The theory of inflation, which suggests that the early universe underwent a period when it doubled in size every trillionth of a trillionth of a trillionth of a second has genuine observational support. It accounts for why the universe is so large and smooth, except for fluctuations and ripples that are the “seeds” for galaxy formation.

But physicists including Andrei Linde have shown that, under some specific but plausible assumptions about the uncertain physics at this ancient era, there would be an “eternal” production of Big Bangs – each giving rise to a new universe.

String theory, which is an attempt to unify gravity with the laws of microphysics, conjectures everything in the universe is made up of tiny, vibrating strings. But it makes the assumption that there are more dimensions than the ones we experience. These extra dimensions, it suggests, are compacted so tightly together that we don’t notice them all. And each type of compactification could create a universe with different microphysics – so other Big Bangs, when they cool down, could be governed by different laws.

The “laws of nature” may therefore, in this still grander perspective, be local by-laws governing our own cosmic patch.

The NASA/ESA/CSA James Webb Space Telescope has produced the deepest and sharpest infrared image of the distant Universe to date. Known as Webb’s First Deep Field, this image of galaxy cluster SMACS 0723 is overflowing with detail. However, we can only see a fraction of the universe. Credit: NASA, ESA, CSA, and STScI

If physical reality is like this, then there’s a real motivation to explore “counterfactual” universes – places with different gravity, different physics, and so forth – to explore what range or parameters would allow complexity to emerge, and which would lead to sterile or “stillborn” cosmos. Excitingly, this is ongoing, with recent reseach suggesting you could imagine universes that are even more friendly to life than our own. Most “tweakings” of the physical constants, however, would render a universe stillborn.

That said, some don’t like the concept of the multiverse. They worry it would render the hope for a fundamental theory to explain the constants as vain as Kepler’s numerological quest to relate planetary orbits to nested platonic solids.

But our preferences are irrelevant to the way physical reality actually is – so we should surely be open-minded to the possibility of an imminent grand cosmological revolution. First we had the Copernican realization that the Earth wasn’t the center of the Solar System – it revolves around the Sun. Then we realized that there are zillions of planetary systems in our galaxy, and that there are zillions of galaxies in our observable universe.

So could it be that our observable domain – indeed our Big Bang – is a tiny part of a far larger and possibly diverse ensemble?

Physics or metaphysics?

How do we know just how atypical our universe is? To answer that we need to work out the probabilities of each combination of constants. And that’s a can of worms that we can’t yet open – it will have to await huge theoretical advances.

We don’t ultimately know if there are other Big Bangs. But they’re not just metaphysics. We might one day have reasons to believe that they exist.

Specifically, if we had a theory that described physics under the extreme conditions of the ultra-early Big Bang – and if that theory had been corroborated in other ways, for instance by deriving some unexplained parameters in the standard model of particle physics – then if it predicted multiple Big Bangs, we should take it seriously.

Critics sometimes argue that the multiverse is unscientific because we can’t ever observe other universes. But I disagree. We can’t observe the interior of black holes, but we believe what physicist Roger Penrose says about what happens there – his theory has gained credibility by agreeing with many things we can observe.

About 15 years ago, I was on a panel at Stanford where we were asked how seriously we took the multiverse concept – on the scale “would you bet your goldfish, your dog, or your life” on it. I said I was nearly at the dog level. Linde said he’d almost bet his life. Later, on being told this, physicist Steven Weinberg said he’d “happily bet Martin Rees’ dog and Andrei Linde’s life.”

Sadly, I suspect Linde, my dog and I will all be dead before we have an answer.

Indeed, we can’t even be sure we’d understand the answer – just as quantum theory is too difficult for monkeys. It’s conceivable that machine intelligence could explore the geometrical intricacies of some string theories and spew out, for instance, some generic features of the standard model. We’d then have confidence in the theory and take its other predictions seriously.

But we’d never have the “aha” insight moment that’s the greatest satisfaction for a theorist. Physical reality at its deepest level could be so profound that its elucidation would have to await posthuman species – depressing or exhilarating as that may be, according to taste. But it’s no reason to dismiss the multiverse as unscientific.

Written by Martin Rees, Emeritus Professor of Cosmology and Astrophysics, University of Cambridge.

This article was first published in The Conversation.