Sean Carroll: Távoli idő és egy multiverzum nyoma

Az univerzum nagyon nagy. Egy galaxisban élünk, a Tejútrendszerben. Nagyjából 100 milliárd csillag van a Tejútrendszerben. Ha veszünk egy fényképezőgépet és az égbolt egy tetszőleges pontja felé fordítjuk, és a zárat nyitvatartjuk, feltéve, hogy a gépünk a Hubble űrtávcsőhöz van csatolva, akkor valami ilyesmit fog látni. Mindegyik kis folt egy galaxis, nagyjából a Tejútrendszerrel azonos méretű -- 100 milliárd csillag mindegyik kis foltban. Körülbelül 100 milliárd galaxis van a megfigyelhető univerzumban. 100 milliárd az egyetlen szám, amit érdemes tudni. A világegyetem életkora, az ősrobbanástól mostanáig 100 milliárd, kutyaévekben számítva. (Nevetés) Ami mond valamit a helyünkről a világegyetemben.

Egy dolog, amit tehetünk egy ilyen képpel, hogy egyszerűen csodáljuk. Elképesztően gyönyörű. Sokat gondolkodtam azon, mi volt az az evolúciós nyomás, amely az őseinket a szavannákon alkalmazkodásra és arra a fejlődésre kényszerítette, hogy élvezzék a galaxisok képeit amikor nem is volt nekik. De szeretnénk megérteni is. Mint kozmológus, azt akarom kérdezni: miért olyan az univerzum, mint amilyen? Az egyik legfontosabb támpontunk az, hogy az univerzum változik az idővel. Ha megnéznék az egyik galaxist és megmérnék a sebességét, azt találálnák, hogy távolodik tőlünk. És ha megnéznének egy még távolabbi galaxist, az még gyorsabban távolodna. Tehát azt mondjuk, hogy a világegyetem tágul.

Ami persze azt jelenti, hogy a múltban a dolgok közelebb voltak egymáshoz. A múltban a világegyetem sűrűbb volt és melegebb is. Ha összepréselünk dolgokat, a hőmérséklet növekszik. Ezt nagyjából értjük is. Amit viszont nem értünk ennyire az az, hogy a világegyetem, a korai időkben, az ősrobbanáshoz közel, még nagyon-nagyon sima is volt. Lehet, hogy úgy gondolják, ez nem meglepetés. A levegő ebben a teremben nagyon sima. Lehet, hogy azt mondják: "Nos, talán a dolgok csak úgy kisimultak." De az ősrobbanáshoz közel, az akkori állapotok nagyon mások voltak, mint a levegő állapota ebben a teremben. Különösképpen, a dolgok sokkal sűrűbbek voltak. Az egyes dolgok gravitációs vonzása sokkal erősebb volt az ősrobbanáshoz közel.

Gondolják el, hogy az univerzumunkban 100 milliárd galaxis van, egyenként 100 milliárd csillaggal. A kezdeti időkben, az a 100 milliárd galaxis egy olyan kis térbe volt összepréselve, mint ez -- szó szerint, a kezdeti időkben. És úgy kell ezt a préselést elképzelniük, hogy az bármiféle tökéletlenség nélküli, anélküli, hogy akár csak egy kis pontban pár atommal több lett volna, mint máshol. Mert ha lettek volna, összeomlottak volna a gravitációs vonzás alatt egy hatalmas fekete lyukba. A világegyetemet nagyon, nagyon simaként megtartani a korai időkben nem könnyű, ez egy kényes rendszert igényel. Ez egy nyom arra, hogy a korai univerzum nem véletlenszerűen választott. Van valami, ami olyanná tette. Szeretnénk tudni, hogy mi az?

Ennek megértését részben Ludwig Boltzmann adta nekünk, egy osztrák fizikus a 19. századból. Boltzmann hozzájárulása az volt, hogy segített nekünk megérteni az entrópiát. Hallottak már az entrópiáról. Ez a véletlenszerűsége, a rendezetlensége, a kaotikussága az egyes rendszereknek. Boltzmann adott nekünk egy formulát -- most már a sírkövére is felvésve -- ami tényleg számszerűsíti, mi az entrópia. És ez alapvetően azt mondja, hogy az entrópia az a szám, ahányféleképpen átrendezhetjük egy rendszer összetevőit úgy, hogy azt nem veszik észre, tehát makroszkopikusan ugyanúgy néz ki. Ha a levegőt nézik ebben a teremben, nem veszik benne észre az egyes atomokat. Egy alacsony entrópiájú konfiguráció az, ahol csak néhány olyan elrendezés van, ami úgy néz ki. Egy nagy entrópiájú elrendezés az, amelyikben sok olyan elrendezés van, ami úgy néz ki. Ez egy rendkívül fontos felismerés, mert segít megmagyarázni a termodinamika második főtételét -- amely azt mondja, hogy az entrópia növekszik az univerzumban, vagy az univerzum egy kis elszigetelt részében.

Az ok, amiért az entrópia növekszik az egyszerűen az, hogy sokkal több lehetőség van a magas entrópiára, mint hogy az alacsony entrópiára. Ez egy csodálatos felismerés, de kihagy valamit. Ez a felismerés, hogy az entrópia növekszik, ez áll a mögött, amit "időnyíl"-nak nevezünk, a múlt és a jövő közötti különbség. Minden különbség, ami a múlt és a jövő közötti, azért van, mert az entrópia növekszik -- a tény, hogy a múltra emlékezhetnek, de a jövőre nem. A tény, hogy először megszületnek, utána élnek, és utána halnak meg, mindig ebben a sorrendben, azért, mert az entrópia növekszik. Boltzmann kifejtette, hogy ha alacsony entrópiával kezdjük, természetes, hogy az növekszik, mert több módon lehet magas az entrópia. Viszont nem magyarázta meg, hogy egyáltalán miért is volt alacsony az entrópia a kezdetekben.

Az a tény, hogy az entrópia az univerzumban alacsony volt, azt tükrözi, hogy a korai világegyetem nagyon, nagyon sima volt. Szeretnénk ezt megérteni. Nekünk, kozmológusoknak, ez a munkánk. Sajnos, ez nem egy olyan probléma, ami elég figyelmet kapott. Ez nem az egyik első dolog, amit egy modern kozmológus felhozna, ha megkérdeznék: "Mik azok a problémák, amelyeket próbálunk megoldani?" Az egyik ember, aki megértette, hogy ez egy probléma, Richard Feynman volt. 50 évvel ezelőtt különböző előadások sorozatát tartotta. Ő tartotta azokat a népszerű előadásokat, amiből "A fizikai törvények jellege" című könyv lett. Tartott előadásokat a Caltech hallgatóinak, amikből a "Mai fizika" lett. Tartott előadásokat a Caltech végzős hallgatóinak, ebből lett "A Feynman előadások a gravitációról". Mindezen könyveiben, és minden ilyen előadásán kihangsúlyozta ezt a kérdést: Miért volt a korai univerzumnak olyan kis entrópiája?

Azt mondja -- nem fogom utánozni az akcentusát -- azt mondja: "Valamilyen oknál fogva az univerzumnak egy időben nagyon alacsony entrópiája volt az energiatartalmához képest, és azóta az entrópia nőtt. Az időnyilat nem lehet teljesen megérteni mindaddig, amíg a világegyetem történetének kezdetét övező rejtélyt spekulációról megértésre redukáljuk." Szóval ez a munkánk. Tudni akarjuk. Ez 50 évvel ezelőtt volt, "Biztos" -- gondolják --, "rájöttünk már." Ez nem igaz, hogy mostanra már rájöttünk.

A probléma azért is rosszabb lett ahelyett, hogy javult volna, mert 1998-ban tanultunk valami fontosat a világegyetemről, amit nem tudtunk korábban. Megtudtuk, hogy gyorsul. Az univerzum nem csak tágul. Ha megnézik a galaxist, tágul. Ha visszajönnek egymilliárd évvel később, és megnézik még egyszer, még gyorsabban fog távolodni. Az egyes galaxisok gyorsabban és gyorsabban távolodnak tőlünk. Tehát azt mondjuk, hogy az univerzum gyorsul. Ellentétben a korai univerzum alacsony entrópiájával, még akkor is, ha nem tudjuk a választ erre, legalább van egy jó elméletünk, ami meg tudja magyarázni, hogy az az elmélet helyes-e, és ez a sötét energia elmélete. Ez az az elképzelés, hogy az üres térnek is van energiája.

A tér minden egyes kis köbcentiméterében, függetlenül attól, hogy van-e ott anyag vagy sem, vagy részecskék, sugárzás vagy bármi, még mindig van energia, még magában a térben is. És ez az energia, Einstein szerint, nyomást fejt ki az univerzumra. Ez egy véget nem érő impulzus, ami galaxisokat tolt el egymástól. Mivel a sötét energia, ellentétben az anyaggal vagy a sugárzással, nem hígul fel, ahogy az univerzum tágul. Az energia mennyisége minden egyes köbcentiméterben ugyanaz marad, még úgy is, hogy az univerzum egyre nagyobb és nagyobb lesz. Ennek kritikus hatása van arra, amit az univerzum a jövőben csinálni fog. Az egyik dolog az, hogy a világegyetem örökre tágulni fog.

Amikor annyi idős voltam, mint önök most, nem tudtuk, hogy mit fog az univerzum csinálni. Egyesek úgy gondolták, hogy az univerzum összeomlik a jövőben. Einstein szerette ezt az elképzelést. De ha van sötét energia, és a sötét energia nem múlik el, akkor az univerzum folyamatosan tágulni fog, örökkön-örökké. 14 milliárd év a múltban, 100 milliárd kutyaév, de végtelen sok év a jövőben. Miközben minden tekintetben, az űr végesnek tűnik számunkra. Az űr lehet véges vagy végtelen, de mivel az univerzum gyorsul, vannak olyan részei, amelyeket nem láthatunk és soha nem is fogjuk látni. Az űrnek mindössze egy véges területéhez van hozzáférésünk, amit egy horizont vesz körül. Így tehát, bár az idő örökké tart, a tér korlátozott számunkra. Végül, az üres térnek van hőmérséklete.

A 1970-es években Stephen Hawking elmondta, hogy egy fekete lyuk, bár úgy gondoljuk, hogy fekete, valójában sugárzást bocsájt ki, ha figyelembe vesszük a kvantummechanikát. A téridő görbülete a fekete lyuk körül kvantummechanikai ingadozást hoz létre, és a fekete lyuk sugároz. Egy pontosan hasonló számításban Hawking és Gary Gibbons megmutatta, hogy ha a sötét energia létezik az üres térben, akkor az egész univerzum sugároz. Az üres tér energiája létrehozza a kvantumingadozásokat. És így, bár az univerzum örökké tart, és a közönséges anyag és sugárzás végletesen felhígul, mindig lesz valamennyi sugárzás, valamennyi hőmérsékleti ingadozás, még az üres térben is. Szóval ez azt jelenti, hogy az univerzum olyan, mint egy doboz gáz, amely örökké tart. Nos, mi a hatása ennek?

Ezt a hatást tanulmányozta Boltzmann még a 19. században. Azt mondta, nos, az entrópia növekszik, mert sokkal több lehetősége van az univerzumnak magas entrópiájúnak lenni, mint alacsony entrópiájúnak. De ez egy valószínűségi nyilatkozat. Valószínűleg növekedni fog, és ez a valószínűség rendkívül nagy. Ez nem olyasmi, ami miatt aggódniunk kell -- hogy a levegő ebben a teremben összegyűlik egyetlenegy sarokban, és mi megfulladunk. Ez nagyon-nagyon valószínűtlen. Kivéve, ha ránk zárnák az ajtókat, és szó szerint örökre itt tartanának bennünket, akkor megtörténne. Minden, ami megengedett, minden konfiguráció, ami megengedett a molekulák számára ebben a teremben, megtörténne valamikor.

Szóval Boltzmann azt mondja, nézd, kezdheténk egy univerzummal, ami termikus egyensúlyban volt. Nem tudott az ősrobbanásról, sem az univerzum tágulásáról. Úgy gondolta, hogy a teret és az időt Isaac Newton megmagyarázta, és azok abszolút, örökérvényű igazságok voltak. Tehát az ő ötlete egy természetes univerzumról az volt, ahol a levegőmolekulák egyenletesen szétterültek mindenütt -- a minden-molekulák. De ha ön Boltzmann, akkor tudja, hogy ha elég sokáig vár, akkor a molekulák véletlenszerű ingadozása alkalmanként azokat alacsonyabb entrópiájú konfigurációba hozza. És aztán, persze, ahogy az természetes, visszatágulnak. Tehát az entrópiának nem kell mindig növekednie -- lehetnek ingadozások az alacsony szintű entrópiába, a jobban szervezett helyzetek felé.

Nos, ha ez igaz, Boltzmann továbbmegy és kitalál két nagyon modern hangzású ötletet -- a multiverzumot és az antropikus elvet. Azt mondja, a probléma a termikus egyensúllyal az, hogy nem tudunk benne élni. Emlékezzenek vissza, az élet maga az időnyíltól függ. Nem tudnánk információkat feldolgozni, emészteni, járni és beszélni, ha termikus egyensúlyban élnénk. Tehát, ha elképzelnek egy nagyon-nagyon nagy univerzumot, egy végtelenül nagy univerzumot, véletlenszerűen egymásnak ütköző részecskékkel, lesznek időnként kisebb ingadozások az alacsony entrópia állapotában, majd ezek visszabomlanak. De lesznek nagy ingadozások is. Alkalmanként bolygók jönnek létre, vagy egy csillag, vagy egy galaxis, vagy 100 milliárd galaxis. Szóval Boltzmann azt mondja, csak egy részében élünk majd ennek a multiverzumnak, egy részében ennek a végtelen nagy halmazú ingadozó részecskéknek, ahol az élet lehetséges. Ez az a régió, ahol az entrópia alacsony. Talán a mi univerzumunk pont egyike azoknak a dolgoknak, amik időnként történnek.

A házi feladatuk az, hogy komolyan gondolkodjanak el erről, mit is jelent ez. Carl Sagan egyik híres mondása, hogy "ahhoz, hogy almás pitét készítsünk, először fel kell találnunk az univerzumot". De nem volt igaza. Boltzmann forgatókönyve szerint, ha szeretnének egy almás pitét, csak kivárják, amíg az atomok véletlenszerű mozgása létrehoz egy almás pitét. Az sokkal gyakrabban fog megtörténni, mint az atomok véletlenszerű mozgása amely létrehoz egy almás kertet és egy kis cukorot, és egy kemencét, majd elkészíti önöknek az almás pitét. Szóval ez a forgatókönyv becsléseket ad. És a becslés azt mutatja, hogy az ingadozások, amelyek bennünket létrehoztak, minimálisak. Még ha elképzelik is, hogy ez a terem, ahol most vagyunk, létezik, és valóságos, és mi itt vagyunk, és nem csak emlékeink vannak róla, de az a benyomásunk, hogy odakint van valami, amit úgy neveznek, hogy Caltech és az Egyesült Államok és a Tejútrendszer, sokkal könnyebb ezeknek a benyomásoknak véletlenszerűen az agyukba ingadozniuk, mint ugyanezen benyomásoknak véletlenszerűen a Caltechre, az Egyesült Államokba és a galaxisba ingadozniuk.

A jó hír az, hogy ebből következően ez a forgatókönyv nem működik, nem helyes. Ez a forgatókönyv azt adja, hogy nekünk egy minimális ingadozásnak kellene lennünk. Még ha ki is hagyjuk a mi galaxisunkat, akkor sem kapnánk 100 milliárd másik galaxist. És Feynman ezt is értette. Feynman azt mondja: "Abból a feltételezésből, hogy a világ egy ingadozás, minden azt jósolja, hogy ha megnézzük egy részét a világnak, amit még soha nem láttunk, akkor zűrzavarosnak fogjuk találni, és nem olyannak, mint amit korábban láttunk -- magas entrópiájúnak. Ha a mi rendezettségünk egy ingadozás miatt jött létre, akkor nem számíthatunk rendezettségre máshol, mint ahol azt épp tapasztaltuk. Ezért arra következtetünk, hogy az univerzum nem egy ingadozás." Szóval ez jó. A kérdés az, akkor mi a helyes válasz? Ha az univerzum nem egy ingadozás, miért volt a korai univerzumnak alacsony az entrópiája? És én szeretném elmondani a választ, de kifutok az időből.

(Nevetés)

Itt van az az univerzum, amiről beszélni szoktunk, szemben az univerzummal, ami valójában létezik. Épp most mutattam önöknek ezt a képet. Az univerzum tágul nagyjából 10 milliárd éve. Lehűlőben van. De most már elég sokat tudunk az univerzum jövőjéről, hogy többet is mondhassunk róla. Ha a sötét energia továbbra is marad, a csillagok körülöttünk felhasználják nukleáris fűtőanyagukat és kiégnek. Fekete lyukakká esnek össze. Egy olyan univerzumban fogunk élni, amiben semmi sincs, csak fekete lyukak. Ez az univerzum 10 a 100-ikon évig fog tartani -- sokkal tovább, mint a mi kis univerzumunk élt. A jövő sokkal hosszabb, mint a múlt. De még a fekete lyukak sem tartanak örökké. Elpárolognak, semmi sem marad, csak üres tér. Az az üres tér lényegében örökké tart majd. Azonban, vegyük észre, mivel az üres tér is bocsájt ki sugárzást, valójában vannak termikus ingadozások, és ez ciklikusan végigjárja a szabadsági fokok összes lehetséges kombinációját, ami az üres térben létezik. Tehát, bár a világegyetem örökké tart, csak véges számú dolog történhet meg az univerzumban. Ezek mind megtörténnek egy 10 a 10-iken a 120-ikon éves időtartam alatt.

Tehát két kérdésem van önöknek. Először: Ha a világegyetem 10 a 10-iken a 120-ikon évig tart, miért születtünk az első 14 milliárd évben, a meleg, kényelmes alkonyán az ősrobbanásnak? Miért nem vagyunk üres térben? Azt mondhatják: "Nincs ott semmi az élethez", de ez nem igaz. Lehetnének önök is véletlenszerű ingadozások a semmiből. Miért nem azok? Még több házi feladat.

Szóval, mint mondtam, én nem tudom a választ. Elmondom a kedvenc szcenáriómat. Vagy "azért, mert csak". Nincs magyarázat. Ez egy szimpla tény az univerzumról, amit meg kell tanulniuk elfogadni, és nem kérdéseket feltenni. Vagy esetleg az ősrobbanás nem az univerzum kezdete. Egy tojás, egy feltöretlen tojás, egy alacsony entrópiájú konfiguráció, és mégis, amikor kinyitjuk a hűtőgépet, nem mondjuk, hogy: "Hah, milyen meglepő ezt az alacsony entrópiájú konfigurációt a hűtőben találni!" Ennek oka, hogy egy tojás nem egy zárt rendszer; egy csirkéből jön ki. Talán a világegyetem egy egyetemes csirkéből jön. Talán van valami, ami természetes módon, a fizika törvényeinek növekedésén keresztül, létrehoz egy olyan univerzumot, mint a miénk, alacsony entrópiájú konfigurációkban. Ha ez igaz, akkor meg fog történni többször is; részei lennénk egy sokkal nagyobb multiverzumnak. Ez az én kedvenc forgatókönyvem.

Nos, a szervezők megkértek, hogy egy merész spekulációval fejezzem be. Az én merész spekulációm az, hogy a történelem teljesen mértékben engem igazol majd. És 50 év múlva, minden aktuális vad ötletemet igazságként fogadják el a tudományos és a külsős közösségek. Mindannyian hiszünk majd abban, hogy a mi kis univerzumunk csak egy kis része egy sokkal nagyobb multiverzumnak. És még jobb: meg fogjuk érteni, mi történt az ősrobbanáskor egy olyan elmélettel, amely összeegyeztethető lesz a megfigyelésekkel. Ez egy jóslat. Lehet, hogy tévedek. De mint az emberi faj, sokat gondolkodtunk már azon, hogy milyen volt az univerzum, miért úgy alakult, ahogy, sok-sok éven át. Izgalmas arra gondolni, hogy végül egy nap megtudjuk a választ.

Köszönöm.

(Taps)