Дали нашата Вселена не е само мехурче от пяната на мултивселената?

Квантовият експеримент, който ще установи това

Ваня Милева Последна промяна на 23 октомври 2023 в 00:00 15212 0

 Илюстрацията е създадена с помощта на AI Dream от НаукаOFFNews
Илюстрацията е създадена с помощта на AI Dream от НаукаOFFNews

Идеята, че нашата вселена е само една от многото, е сред най-завладяващите във физиката и логиката изглежда достатъчно здрава, в смисъл, че самата идея е плод на широко възприети теории за това как космосът е станал това, което виждаме днес.

Но също така се оказва, че няма емпирични доказателства за съществуването на множество вселени. Но ето че един на пръв поглед прост опит, експериментът на Зоран Хаджибабич (Zoran Hadzibabic) и екипа му от Университета в Кеймбридж, се опитва да възпроизведе първичното квантово кипене, което може да е създало нашата вселена в огромна мултивселена.

Изследователите смятат, че ако успеят да охладят и манипулират калиеви атоми до изключително ниски температури, когато малки мехурчета започнат се образуват спонтанно, ще се получи заместител на иначе ненаблюдаемите процеси, за които се смята, че са породили нови вселени.

Изучавайки тези мехурчета, би могло да се съберат нови улики за това как всякакви минали сблъсъци между нашата вселена и други ще оставят белег, който би могло правдоподобно да се проследи в астрономически данни.

"Абсолютната мечта би била, че има нещо в небето, което да наблюдаваме, потвърждаващо това, което предсказваме в този експеримент", разказва Мат Джонсън (Matt Johnson), теоретичен физик в Института Периметър в Канада.

Какво представлява мултивселената?

За да бъде ясно, това, за което става дума тук, е инфлационната мултивселена. Тя не бива да се бърка с квантовата мултивселена, предсказана от интерпретацията на квантовата теория за "множеството паралелни светове", която казва, че всеки път, когато наблюдаваме квантов обект, колапсира облак от вероятности относно неговите свойства в нещо определено, по този начин всички възможните резултати продължават да съществуват в паралелни вселени.

Инфлационната мултивселена е различна. Идеята се оформя през 80-те години на миналия век, когато физиците Андрей Линде и Алън Гът опитват да осмислят наблюденията, показващи, че отзвукът от Големия взрив, известен като космически микровълнов фон (CMB), е необяснимо еднороден. Те предполагат, че Вселената се е разширила експоненциално през първата си част от секундата, период, известен като инфлация. Но докато проучват идеята по-нататък, те осъзнават, че е малко вероятно инфлацията да се е случила само веднъж и да е спряла. Вместо това би могло да спре в нашата вселена, но да продължи да се случва другаде, създавайки безкраен брой "балонни" вселени

Раздуването на пространството между тези балони - вселени бързо би ги разпръснало, така че е малко вероятно да си взаимодействат. Но ако бебетата вселени са се образували достатъчно близо една до друга, те биха могли да се сблъскат, преди да се разделят – което предполага, че може да се намерят доказателства за тези сблъсъци, вероятно като някакви белези или следи, оставени в нашата собствена вселена. (вж "Учен твърди, че е открил доказателства, че съществуват други вселени")

Инфлационна мултивселена пяна

Теорията за инфлационната мултивселена предполага, че Вселената, която виждаме, е само една от многото. Такава мултивселена може да бъде следствие от космическата инфлация - широко приета идея, че ранната Вселена се разширява експоненциално в първата част от секундата след Големия взрив.

След като започне, инфлацията никога не спира, така че създаването на множество вселени става почти неизбежно. "Бих казал, повечето версии на инфлацията всъщност водят до вечна инфлация, създавайки множество вселени", казва Алън Гът от Масачузетския технологичен институт, създател на теорията.

Вместо сферично симетрично разширяващо се кълбо, моделът на Андрей Линде (бивш руски учен, сега преподава в Станфорд) представлява дървовидна структура на саморепродуциращ се фрактал, състоящ се от безкраен брой разклоняващи се инфлационни кълба (мехурчета). Като мехурчета могат да се раздуват и вътре в други мехурчета, образувайки нови мини-вселени. Промяната в цвета представя “мутации” във физичните закони спрямо родителските вселени. Характеристиките на пространството във всяко мехурче не зависи от времето, когато се формират.

Тази концепция обяснява защо физическите константи на нашата Вселена изглеждат толкова фино настроени, за да дадат възможност за съществуването на галактики, звезди, планети и живот.

Но как изобщо да ги търсим?

През годините космолозите са търсили различни начини да намерят доказателства за тази мултивселена. Някои дори се опитват да го направят без никакви наблюдения (вижте „Какви са шансовете?“ по-долу). Но повечето космолози са на мнение, че най-доброто място за търсене е CMB. С други думи, да гледаме към небето.

През 2011 г. Джонсън, заедно с Хираня Пейрис (Hiranya Peiris) от Университетския колеж в Лондон и нейните колеги, показват, че сблъскващи се балонни вселени трябва да оставят белези във формата на кръг в CMB. Те създават алгоритъм за проучване на предишни изображения на CMB за такива отпечатъци. Това, което откриват, бе обещаващо: четири петна от небето приличат по форма на отпечатъци от сблъсък. Това е вълнуващо, но не и доказателство.

Космическият микровълнов фон може да скрие признаци на мултивселена. Кредит: NASA/WMAP SCIENCE TEAM/SCIENCE PHOTO LIBRARY

"Имаше известна несигурност в нашите тестове", отбелязва Пейрис, "а именно скоростта, с която трябва да се образуват нови балонни вселени и вероятността те да се сблъскат. "Трябваше да приемем много широки диапазони за тези параметри", разказва Пейрис, което е довело до голяма теоретична несигурност.

За да я намалят и да подобрят своите прогнози, Пейрис и Джонсън се нуждаят от по-добро разбиране на фините точки на основната идея относно процеса на това как всъщност се раждат вселените.

Надеждата е, че експериментът на Хаджибабич може да помогне за това. За да стане ясно как, първо трябва да се разбере странния свят на квантовата теория, законите, които управляват поведението на най-фундаменталните компоненти на природата и как това се прилага при формирането на вселените.

Квантова механика

В квантовата теория най-ниското възможно енергийно състояние за пространство-времето – сцената, на която се разиграва всичко, включително нашата възможна мултивселена – се нарича вакуум. Но ако пространството между вселените постоянно се раздува, това не може да е истински вакуум. То трябва да има някаква присъща енергия, движеща разширяването. Квантовата теория на полето, математическа рамка, съчетаваща квантовата теория и теорията на специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн, предполага, че съществува повече от едно вакуумно състояние, но че повечето са "фалшиви" – тоест, не с най-ниската възможна енергия.

Тъй като природата винаги се стреми да намали енергията си, фалшивият вакуум не е напълно стабилен.

Казват, че е "метастабилен". А в квантовата сфера нещата могат мистериозно да "тунелират" към състояние с по-ниска енергия – подобно на топче, търкалящо се в една долина, внезапно появяващо се в съседната, без да е преминало през хълма между тях.

Космолозите се интересуват от тези квантови процеси, известни като разпад на фалшивия вакуум, защото те биха могли да обяснят как е започнала Вселената и как може да са започнали и други вселени. Нашите наблюдения за началото на нашата Вселена, включително нейното ранно бързо разширяване, са в съответствие с това, че е започнала като балон. Това би включвало тунелиране на космоса до състояние с по-ниска енергия, процес, който физиците наричат фазов преход, преди в крайна сметка да се достигне истински вакуум

Странните кръгове в небето може да са признаци на вселена преди нашата. Теория, която предполага, че Вселената непрекъснато се преражда, може да бъде доказана правилно чрез „точки на Хокинг“ – признаци на изпарени черни дупки от време преди Големия взрив.

Проблемът е, че не се знае със сигурност. Най-добрата подкрепа, която е налице за този хипотетичен сценарий, идва от решаването на сложни уравнения в квантовата теория на полето, които изискват огромни приближения.

"Използвайки нашите най-добри математически инструменти, балонът в крайна сметка се заражда [появявайки се] изведнъж – перфектно оформен – в една точка в пространството", обяснява Пейрис. "Нямаме способността да проследим как се движи от върха на планината до долината."

И ако не знаем подробностите за този процес, твърди тя, не можем да се доверим напълно на нашите теории.

Въпреки това през 2017 г. физици от Нова Зеландия и Австралия публикуват статия, променяща правилата. Тяхната работа показа, че при правилните условия уравненията, описващи разпада на фалшивия вакуум фалшивия вакуумен разпад в ранната вселена, са еквивалентни на тези, описващи квантов фазов преход в един вид екзотична материя, наречена кондензат на Бозе-Айнщайн – обикновено съставена от атоми при изключително ниски температури – в който се създават мехурчета, подобни на тези в истинския вакуум. Чрез изучаване на образуването и поведението на такива мехурчета в лабораторията, твърдят те, бихме могли да научим нещо за това как може да са се образували множеството вселени, запълвайки празнините, които Пейрис среща с потенциалните доказателства за мултивселена, като например вероятностите за сблъсък на балонни вселени.

Джонсън и колегите му са заинтригувани от идеята. Но след като проучват внимателно уравненията, решават, че концепцията си струва да бъде изследвана експериментално. След това те започват да си сътрудничат със Силке Вайнфюртнер (Silke Weinfurtner), експериментален физик от Университета в Нотингам, Великобритания, с опит в изследването на подобни системи със студени атоми. Сега Вайнфюртнер ръководи международен консорциум от теоретични и експериментални физици, изследващи идеята за кондензатния балон.

Новият експеримент

Първоначално Хаджибабич е бил скептичен относно възможността за създаване на достатъчно сложна инсталация, за да бъде пряк аналог на космологичния разпад на фалшивия вакуум. Пробата трябва да бъде еднородна, за да позволи образуването на мехурчета навсякъде например и достатъчно студена, за да покаже истински квантови ефекти, необезпокоявани от топлинни колебания. Но след като го обсъжда с колегите си и проучван включената математика, той става все по-голям оптимист, че това може да покаже нещо за ранната вселена.

"Това е нещо като бръснача на Окам [идеята, че най-простото обяснение често е най-точното]“, обяснява Хаджибабич, "до степента, в която може да се приложи бръснача на Окам за произхода на Вселената".

Първият етап, който вече работи, произвежда Бозе-Айнщайновия кондензат като прави калиевите атоми по-студени от всичко във Вселената. Когато газов облак в микронна скала достигне такива температури, той се държи като единична квантова частица. Това прави кондензатите на Бозе-Айнщайн толкова полезни, позволявайки на физиците да изучават квантовите процеси повече или по-малко с просто око.

След това Хаджибабич ще подготви кондензата в метастабилно вакуумно състояние и ще го изчака да падне до истинското вакуумно състояние чрез квантово тунелиране, наблюдавайки как се образуват разширяващи се мехурчета от истинския вакуум. Този етап ще продължи секунди, след което кондензатът ще бъде унищожен и целият процес – охлаждане, тунелиране, зараждане на мехурчета – ще започне отново.

Симулация на форма на материя, наречена Бозе-Айнщайнов кондензат. Кредит: NATIONAL INSTITUTE OF STANDARDS AND TECHNOLOGY/Spl

Трудната част ще бъде да се определи дали резултатът наистина е аналог на ранната вселена, подчертава Джонсън.

"Всичко ще се сведе до множество детайлни проверки".

В крайна сметка ще трябва да се сравнят резултатите с приблизителни математически симулации и да се потърсят потенциални проблеми. След това трябва да се прецизира експеримента, за да може да се отчетат проблемите и да се сравнят отново, докато, надяваме се, експериментът и симулацията паснат. Ако това не се случи, може да се наложи да преразгледаме нашата теория за ранната вселена – също толкова вълнуваща перспектива за космолозите.

Проверката на експериментален аналог с теория, като същевременно се прави опит да се провери теорията с експеримента, е невероятно трудно.

"Но почти така се прави цялата наука и най-доброто, което можем да направим, когато данните ни от наблюдения за това, което се е случило в ранната вселена, са толкова ограничени“, обяснява Кейти Мак (Katie Mack), космолог от Института Периметър, която смята, че експериментът е важен.

И има основание за оптимизъм. Екип, включващ Габриеле Ферари (Gabriele Ferrari), физик от Университета на Тренто в Италия, наскоро е завършил по-проста версия на експеримента – в едно измерение, по същество изключително тънка тръба и всъщност вижда "мехурчета", които се появяват като линии нагоре.

Условията не са достатъчно студени, за да представляват чисто случаен квантов механичен процес, топлинните колебания могат да дадат тласък на тунелиращи събития.

Но Ферари твърди, че това не е непременно проблем.

"Термичните флуктуации може да са запалили преходите на фалшивия вакуум в ранната вселена", обяснява Ферари.

Резултатите на екипа, които все още предстои да бъдат прегледани за публикуване в рецензирано списание, също съвпадат с теоретичните модели на разпад на фалшивия вакуум в едно измерение, което предполага, че физиците поне са на прав път.

"Това е наистина интересен първи резултат", коментира Вайнфуртнер, макар че не е точно това, което космолозите търсят. Например, освен че е едноизмерен, газът няма еднаква плътност, което прави мехурчетата по-вероятно да се окажат в средата, където има повече газ. Това затруднява събирането на изводи за разпределенията и взаимодействията на мехурчетата в мултивселената.

Сблъскващи се вселени

Експериментът на Хаджибабич, от друга страна, ще бъде двуизмерен и идеално еднакъв, благодарение на "кутия-капан", направен от лазерна светлина, задържаща кондензата в перфектен правоъгълник. Капанът, който е от решаващо значение за постигане на добра аналогия с Вселената, е изобретен от неговия екип и сега се използва от няколко други изследователи. По-голямата част от експеримента е поместен в две кутии с размерите на микробус и е почти готов за работа.

"Надяваме се да видим малко балони през следващата година", казва Хаджибабич.

Ще бъде интригуващо да се види как си взаимодействат тези мехурчета. Джонсън и колегите му вече са показали теоретично, че има вероятност да се образуват мехурчета в клъстери (групи), което прави сблъсъците по-вероятни.

Резултатите от експеримента биха могли да помогнат на физиците да направят оценка на необяснимите петна в CMB, като четирите открити от Пейрис и Джонсън.

"Работата ни може да даде и нещо друго, което да търсим в небето", посочва Джонсън. Например, макар две балонни вселени, които се сблъскват челно, да не могат да произведат вълни в пространство-времето, известни като гравитационни вълни, няколко сблъскващи се наведнъж биха могли. И може учените да успеят да ги открият с новите обсерватории за гравитационни вълни.

Но дори и да се окаже, че нашата вселена не се е сблъсквала в друга, експериментът на Хаджибабич пак обещава да бъде показателен.

Възможно е да е имало други фазови преходи, управлявани от същите математики, които биха създали мултивселена, в първите мигове на космоса. Така че тестването и подобряването на общата теория за такива преходи, както екипът планира, в крайна сметка може да помогне да се дешифрира какво се е случило в най-ранните моменти на нашата вселена.

Какви са шансовете?

Една група физици се надява да провери дали мултивселената съществува (вижте основната история), без да се налага да я наблюдават директно. Изследването, ръководено от МакКълън Сандора (McCullen Sandora) от Blue Marble Space Institute of Science, използва статистически подход.

Идеята зад това е проста: ако физическите закони или константи във Вселената бяха малко по-различни – например невъзможност да се образува въглерод – животът, какъвто го познаваме, нямаше да съществува. Изглежда странно да имаме такъв късмет: нашата вселена изглежда мистериозно фино настроена за живот.

Но мултивселената предлага разумно решение на този проблем. В една безкрайна мултивселена няколко вселени би трябвало, статистически погледнато, да имат необходимите условия за поддържане на живот, колкото и необичайни да са тези условия. Нашата случайно е единствената.

Подобни възгледи правят силни предположения за това от какво се нуждае животът, така че Сандора превръща аргумента в подлежаща на проверка прогноза.

"Ако животът не се нуждае от въглерод, тогава няма да има причина да сме във вселена, която е толкова добра в създаването му“, казва Сандора. "Ще имаме много по-голям шанс да се озовем в една по-типична вселена, която не съдържа такова високо въглеродно изобилие."

Сандора и неговият екип вече са направили повече от дузина такива тестове, включително дали сложният живот изисква фотосинтеза и дали са необходими големи луни, за да се появи сложен живот на планетите. Ако открием, че животът във Вселената не се придържа към тези прогнози, това ще ни направи изключение. Това намалява шансовете за мултивселена. Ако една от тези прогнози е грешна, казва той, шансовете за съществуване на мултивселена могат да паднат до едно на милион.

Въпреки че много от прогнозите на Сандора разчитат на намирането на извънземен живот, той е оптимист.

"Някои големи планирани проучвания на екзопланетите могат да намерят няколко проби от живот през следващите няколко десетилетия", казва Сандора.

Източник: The quantum experiment that could help find evidence of the multiverse, Miriam Frankel, New Scientist 

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !