Kaikenlaisia selityksiä
Multiversumi on paljon julkisuudessa. Siitä kirjoitetaan lukuisissa artikkeleissa (se on päässyt Tähdet ja avaruus –lehden 7/2014 kanteenkin), puhutaan lukemattomissa haastatteluissa ja sitä mainostetaan jatkuvasti, kuten Peter Woitin hiukkaskosmologian uutisia ja hölynpölyä seuraavan Not Even Wrong –blogin arkistoista näkyy. Multiversumista myös kysytään usein, joten kirjoitan siitä hieman. (Käsittelin asiaa hieman vuoden 2013 Tieteen päivien kirjassa.)
Multiversumi tarkoittaa kokoelmaa universumeita eli maailmankaikkeuksia. Tämä saattaa kuulostaa ristiriitaiselta, koska usein maailmankaikkeus määritellään siten, että se on kaikki mitä on olemassa. Multiversumilla tarkoitetaankin eri asiayhteyksissä eri asioita, ja joskus puhujille ei ole itselleenkään selvää, mitä he oikein tarkoittavat.
Yksinkertaisimmillaan sana multiversumi viittaa joukkoon maailmankaikkeuden alueita, jotka ovat kaukana toisistaan. Koska valo kulkee äärellisellä nopeudella ja maailmankaikkeuden ikä on äärellinen, jokainen havaitsija näkee vain palasen maailmankaikkeudesta. Meillä ei ole mitään tietoa horisontin takana olevista alueista, joten ne ovat käytännöllisesti katsoen irrallisia maailmankaikkeuksia, ainakin siihen asti kunnes niistä ehtii tulla valoa meille.
Sanaa multiversumi käytetään myös toisella tavalla. Jos maailmankaikkeus ymmärretään koko avaruudeksi, niin multiversumi tarkoittaa sitä, että on olemassa täysin erillisiä avaruuksia, jotka eivät ole yhteydessä keskenään. On tosin epäselvää, mitä tarkoitetaan sillä, että tällaisia avaruuksia on olemassa, koska yleensä fysiikassa jonkin asian olemassaolo tarkoittaa sitä, että sen kanssa on mahdollista vuorovaikuttaa, ainakin periaatteessa.
Tilanne ei tosin ole täysin vieras. Kun maailmankaikkeuden laajeneminen kiihtyy, aiemmin horisontin sisällä olleet alueet poistuvat horisontista, ja on mahdollista olla yhteydessä yhä pienempään osaan maailmankaikkeutta. Jos kiihtyvä laajeneminen jatkuu ikuisesti, niin kadonneet alueet eivät koskaan palaa takaisin kosketuksiin. Tuntuisi kuitenkin oudolta sanoa, että niitä ei enää ole olemassa. Fysiikan edistys johdattaakin miettimään uudelleen sitä, mitä olemassaolo tarkoittaa, myös esimerkiksi virtuaalisten hiukkasten tapauksessa. Mutta vaikka virtuaalisia hiukkasia ei voi suoraan havaita, ne perustuvat teoreettisesti hyvin tunnettuun ja kokeellisesti tarkasti testattuun kvanttikenttäteoriaan. Multiversumin pohja taas on hatara niin teorian kuin havaintojenkin osalta.
Jos muita maailmankaikkeuksia on olemassa –mitä se sitten tarkoittaakaan– niin ensi silmäyksellä vaikuttaisi siltä, että niillä ei voi olla mitään kokeellista merkitystä, koska ne ovat täysin erillisiä meistä. Multiversumia on yritetty yhdistää havaintoihin antrooppisen periaatteen kautta.
Antrooppinen periaate tarkoittaa yksinkertaisimmillaan sitä, että voimme havaita vain sellaisia maailmankaikkeuksia, ja sellaisista paikoista maailmankaikkeudessa, missä olemassaolomme on mahdollista. Osa havainnoistamme selittyy fysiikan laeilla, osa sattumalla ja osa antrooppisella periaatteella.
Esimerkiksi Aurinkokunnassa planeettojen etäisyyksien ja kiertonopeuksien suhde johtuu siitä, että gravitaatiovoima on kääntäen verrannollinen etäisyyteen. Toisaalta planeettojen lukumäärä on sattumaa: on olemassa aurinkokuntia, joissa on enemmän tai vähemmän planeettoja, eikä kahdeksassa ole mitään erityistä. Se, että kotiplaneettamme on juuri sopivalla etäisyydellä Auringosta elämän synnylle, selittyy antrooppisesti: emme olisi voineet kehittyä Jupiterissa tai Merkuriuksessa.
Tässä tapauksessa antrooppinen selitys perustuu siihen, että tiedämme, että on olemassa muita aurinkokuntia ja tunnemme niiden kehityksen määräävät fysiikan lait. Muuten ei olisi mahdollista selvittää, onko kysymys luonnonlaista, sattumasta vai antrooppisesta valinnasta.
Antrooppista periaatetta on viime aikoina sovellettu multiversumiin maailmankaikkeuden kiihtyvän laajenemisen selittämiseksi. Kiihtyvän laajenemisen syytä ei varmasti tiedetä, mutta suosituin vaihtoehto on tyhjän tilan energia. Tyhjön energia selittää hyvin havainnot, jos se on tarpeeksi pieni, mutta on vaikea ymmärtää, miksi se olisi niin pieni.
Jos oletetaan, että on olemassa multiversumi ja eri maailmankaikkeuksissa tyhjön energian on eri suuruinen, niin antrooppisen periaatteen mukaan elämme sellaisessa maailmankaikkeudessa, jossa tyhjön energia on yhteensopiva olemassaolomme kanssa. Jos tyhjön energia olisi paljon havaittua isompi, kiihtyvä laajeneminen olisi alkanut aiemmin, eikä planeettoja –eikä meitä– olisi olemassa. Mutta jos tyhjön energia olisi pienempi, niin siitä ei olisi olemassaolomme mitään haittaa. Pitää siis vielä keksiä joku syy, jonka mukaan suurimmassa osassa maailmankaikkeuksista tyhjön energia on niin iso kuin mahdollista ja olettaa, että meidän maailmankaikkeutemme on tyypillinen. Silloin havaittu tyhjön energian arvo on todennäköinen.
Tällainen selitys tyhjön energialle on saanut suosiota useiden kosmologien ja hiukkasfyysikoiden keskuudessa. Sen sosiologinen menestys on johdatellut seuraamaan samaa epätoivon reittiä muidenkin ongelmien kohdalla. Esimerkiksi ei tiedetä, mistä Higgsin hiukkasen massa määräytyy, mutta jos se olisi hyvin erilainen, niin maailmankaikkeus näyttäisi tyystin toisenlaiselta, eikä meitä olisi olemassa.
Antrooppinen selitys on kuitenkin saanut paljon kritiikkiä osakseen, ja monien tutkijoiden mielestä se ei ole edes kritisoimisen arvoinen. Ongelmana on se, että toisin kuin planeettojen tapauksessa, ei ole todisteita siitä, että olisi olemassa muita maailmankaikkeuksia, joissa on toisenlaiset olosuhteet kuin omassamme. On hyviä syitä ajatella, että on paljon avaruutta paljon tämänhetkisen horisontin tuolla puolen, mutta ei ole mitään vakuuttavia syitä uskoa, että siellä olisi perustavanlaatuisesti erilaista kuin täällä. Mitä täysin erillisiin avaruuksiin tulee, niiden olemassaololle ei ole mitään kunnollista teoreettista perustetta.
On esitetty, että säieteoria ennustaa multiversumin. Säieteoria on tutkituin ehdokas kvanttiteorian ja yleisen suhteellisuusteorian yhdistäväksi yhtenäisteoriaksi. Teoriaa ei kuitenkaan ole saatu täysin muotoiltua, eli ei tiedetä, mitä säieteoria tarkalleen on, joten se ei myöskään (ainakaan vielä) ennusta mitään. Itse asiassa antrooppista selitystä tyhjön energialle käytetään usein todisteena säieteorian oikeellisuudesta. Tällainen päättely on tieteellisen käytännön vastaista: jos tiedämme multiversumin olemassaolon ainoastaan säieteoriasta, niin emme samaan aikaan voi käyttää multiversumia todisteena sille, että säieteoria pitää paikkansa. Joidenkin multiversumin kannattajien mielestä tämä on hyvä syy muuttaa tieteen käytäntöjä.
Multiversumiselitysten suurin ongelma on se, että ne ovat hedelmättömiä. Ne eivät ennusta mitään, ja niitä sovelletaan vain selittämään havaintoja, jotka jo tiedetään, mutta joita ei ymmärretä.
Jos protonin elinikä olisi liian lyhyt, niin protonit olisivat tähän päivään mennessä hajonneet, eikä meitä olisi. Ei tiedetä, miksi protonien elinikä on niin pitkä. Jos protonin pitkäikäisyyden haluaisi selittää antrooppisesti, niin eliniän ei tarvitsisi olla kovin paljon maailmankaikkeuden nykyistä ikää pidempi. Protonin elinikä on kuitenkin yli kymmenentuhatta miljardia miljardia kertaa tätä pidempi. Tästä ei kuitenkaan päätellä, että antrooppinen periaate olisi väärä, vaan että protonin eliniällä on jokin muu selitys.
Toisaalta vuonna 1973 C.B. Collins ja Stephen Hawking esittivät, että avaruuden litteys selittyy antrooppisesti: jos avaruuden kaarevuus olisi iso, meidän olemassaolomme ei olisi mahdollista. 1980-luvun alussa keksittiin, että inflaatio selittää avaruuden litteyden, ja antrooppiset arvelut muuttuivat tarpeettomiksi.
On mahdollista, että elämme multiversumissa, jossa tyhjön energia selittyy antrooppisesti. On myös mahdollista, että elämme tietokonesimulaatiossa, jonka on tehnyt jokin supersivilisaatio, joka on jättänyt tyhjön energian vihjeeksi siitä, että maailmamme ei ole todellinen. Kummastakaan mahdollisuudesta ei ole mitään todisteita, eikä niiden pohtiminen vie tiedettä eteenpäin.
Jos multiversumista ei ole todisteita niin onko se vähän kuin uskonto?
Keksii kreationistitkin ”todisteita” ja ”teoriota” evoluutiota vastaan.
Risto Lautala:
Ajatusrakennelma ei kaiketi kelpaa uskonnoksi vain siksi, että sille ei ole todisteita.
Multiversumi on tieteellistä spekulaatiota. Jos jokin muilta osiltaan kokeellisesti varmennettu teoria ennustaisi multiversumin olemassaolon, niin se voisi kehittyä hyödylliseksi osaksi tiedettä.
Tällä hetkellä on mielestäni vaikea sanoa, ovatko multiversumia käyttävät antrooppiset selitykset tiedettä vai ei – ehkä ne vielä ovat, mutta raja pseudotieteeseen ei ole kaukana.
Kiitokset mielenkiintoisesta kirjoituksesta!
Katselin jokin aika sitten Leonard Susskindin luentoa, jossa hän multiversumeista puhuessaan mainitsi että kahden multiversumin törmääminen voisi olla mahdollista, ja tämä olisi myös mahdollista havaita. Tämä arvostetun fyysikon kommentti herätti minussa kaksi kysymystä, joita uskallan näin sopivan blogimerkinnän kohdalla kysyä.
1. Miten nämä multiversumimallit määrittelevät ”tilan” jota laajenevat maailmankaikkeudet kyntävät ennen yhtymistään, sillä jossainhan ajattelisi olevan ajanhetki t-1 ennen törmäystä? Toisaalta nykykäsityksen mukaan yksittäisen maailmankaikkeuden kohdalla tätä tilaa ei ole olemassa.
2. On ehdotettu että fysiikan lait voisivat olla erilaisia eri multiversumeissa. Kun kaksi eri laeilla varustettua maailmankaikkeutta törmäävät, mitkä ovat vallitsevat luonnonlait tässä kombinaatiossa?
Blogimerkinnästäsi kävi hyvin selväksi miten huteralla pohjalla nämä mallit ovat, mutta koska moni fyysikko uskoo niihin, olisi mielenkiintoista tietää miten heidän matematiikkansa vastaa näihin kysymyksiin.
Jarno:
1. Tässä on kyse saman avaruuden kahden eri alueen törmäämisestä.
2. Riippuu siitä, millä tavalla luonnonlait ovat erilaisia. Olisi kyllä tarkempi puhua luonnonlakien realisaatiosta kuin itse laeista. Tämä tarkoittaa sitä, että ajatellaan olevan olemassa samat lait, joita molemmat alueet noudattavat, mutta alueiden olosuhteissa on eroja.
Esimerkiksi alkeishiukkasten massa määräytyy Higgsin kentän arvosta. Jos Higgsin kentän arvo on maailmankaikkeuden jossain osassa erilainen kun täällä kotona, niin hiukkasten massat ovat erilaiset, ja aine käyttäytyy siksi hyvin eri tavalla. Tässä mielessä voidaan sanoa, että ainetta koskevat luonnonlait ovat erilaiset, mutta ne palautuvat samaaan Higgsin kenttää koskevaan lakiin.
(Näissä maailmankaikkeusten törmäyksissä ei ole kysymys Higgsin kentän arvosta, mutta idea on sama.)
Yleinen huomio muuten: pääsääntöisesti en vastaa kysymyksiin, jotka ovat kaukana merkinnän aiheesta. (Ei liity edelliseen kysymykseen, joka oli sen ytimessä!)
Syksy kirjoitti:
”1. Tässä on kyse saman avaruuden kahden eri alueen törmäämisestä.”
Jos saman avaruuden kaksi eri aluetta voivat törmätä keskenään, niin miten se tapahtuu?
Liikkuvatko saman ( laajenevan ) avaruuden eri alueet suhteessa toisiinsa jossakin tausta-avaruudessa?
Miksi ylipäätään on keksitty avaruus joka muuttuu?
Eikö riitä että on olemassa ainetta joka kokee muutosta avaruudessa joka ei muutu?
Ihmettelijä:
Tapauksessa, josta Jarno mainitsi, on kyse on siitä, että kaksi avaruudessa kasvavaa kuplaa törmää toisiinsa – hieman kuin kaasukuplat törmäävät kiehuvassa vedessä.
Olen kirjoittanut muuttuvaa avaruutta kuvaavan yleisen suhteellisuusteorian löytämisestä hieman täällä:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/kaareuden_kietoutumista
Ymmärrän kyllä miten aine laajenee ulos päin jo olemassa olevaan avaruuteen, mutta avaruushan ei laajene ulos päin jo olemassa olevaan tilaan?
ymmärrän myös miten laajenevat kaasukuplat liikkuvat jo olemassa olevassa avaruudessa ja törmäävät, mutta miten kaksi avsruutta liikkuu suhteessa toisiinsa ja miten ne törmäävät keskenään?
Mistä avaruus itse koostuu ja miten avaruudet vuorovaikuttavat keskenään?
Laajeneva kaasu koostuu erillisistä hiukkasista jotka liikkuvat suhteessa toisiinsa avaruudessa?
Mistä toistensa kanssa törmäävät avaruudet koostuvat?
Tämä blogimerkintä voisi olla hyvä tilaisuus kysyä, missä määrin fyysikot osallistuvat pohdintaan, voisiko tässä omassa, tai ehkä jossain toisessa universumissa, elämä perustua aivan toisiin molekyyleihin kuin tuntemamme elämän molekyylit.
Onko aihetta jotenkin tutkittu luonnontieteen keinoin?
Syksy kirjoitti:
”Tapauksessa, josta Jarno mainitsi, on kyse on siitä, että kaksi avaruudessa kasvavaa kuplaa törmää toisiinsa – hieman kuin kaasukuplat törmäävät kiehuvassa vedessä.”
Avaruushan nimenomaan laajenee siten ettei se laajene ulos päin jo olemassa olevaan tilaan?
jos näin, niin miten kaksi eri alueen laajenevaa avaruutta voisivat törmätä keskenään, vaikka olisivatkin samaa laajenevaa avaruutta?
Laajenevat kaasukuplat laajenevat ulos päin jo olemassa olevaan avaruuteen ja sen lisäksi ne vielä liikkuvat suhteessa toisiinsa siinä jo olemassa olevassa avaruudessa, joten laajenevien kaasukuplien osalta tilanne on aivan erilainen?
Ihmettelijä:
Kuten sanottua, Jarnon mainitsemassa tapauksessa on kyse aineen liikkeestä avaruudessa. Tässä tapauksessa kyseinen aine ei koostu hiukkasista, vaan kyseessä on kenttä – ei mennä tähän tarkemmin. Samoin aika-avaruuskaan ei koostu mistään hiukkasista, sillä ei ole mitään alirakennetta.
Avaruuden laajenemisesta hieman täällä:
http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/rajaton_kasvu
Edson:
On kyllä. En tunne asiaa, mutta onneksi Ursalla on astrobiologian blogi:
https://www.ursa.fi/blogi/elaman-keitaita/
Syksy Räsänen
”Kuten sanottua, Jarnon mainitsemassa tapauksessa on kyse aineen liikkeestä avaruudessa. Tässä tapauksessa kyseinen aine ei koostu hiukkasista, vaan kyseessä on kenttä – ei mennä tähän tarkemmin. Samoin aika-avaruuskaan ei koostu mistään hiukkasista, sillä ei ole mitään alirakennetta.”
Aine siis koostuu erillisistä tihentymistä jotka liikuvat suhteessa toisiinsa ja siksi aineella on kyky kokea muutosta!
Sen tiheys ja tilavuus kokee siis muutosta jo olemassa olevassa avaruudessa joka on jo olemassa, eikä aineen tiheyden tilavuuden muuttuminen vaadi sellaista avaruutta joka myös kykenee muuttumaan.
Mihin avaruuden itsensä kokema muutos perustuu?
Aineen muutos perustuu LIIKKEESEEN joka tapahtuu avaruudessa!
Liittyykä liike mitenkään siihen että avaruus itse kokee muutosta?
jos ei, niin mihin se avaruuden itsensä kokema muutos perustuu?
Ihmettelijä:
Tämä riittäköön tästä.
Jos olen käsittänyt oikein esim. David Deutschin edustaman MM-tulkinnan (jossa kvanttitapahtuman dekoherenssissä ei ”romahdusta” tapahdu vaan maailmat ”eriytyvät” toisiksi determinismin säilyttämiseksi), niin nämä eri ”maailmat” esim jakavat (yllätys yllätys) tämän saman avaruus-aika ”tilan” meidän kanssamme. Hän on myös esittänyt (kirjan Brown: Kvanttitietokone mukaan) hypoteettisen kokeen maailmojen mahdollisesta interferenssistä. Tähän tarvittaisiin ei enempää eikä vähempää kuin täydellisen tietoisuuden omaava tietokone, joka tekisi kvanttitapahtumasta ”mittauksen”. Tämän jälkeen sen tulisi täydellisesti ”unohtaa” näkemänsä (jotta koherenssi säilyisi). Nyt tehtäisiin interferenssikoe eri maailmojen välillä. Jos koe antaisi aina tuloksen 1 (eli maailmat interferoisivat) olisi monimaailmatulkinta oikea, jos tulisi 50/50 1-0 niin Köpistulkinta.
Koe lienee mahdottomuudessaan kaukainen haave.
Lentotaidoton:
Monimaailmatulkinnassa eri vaihtoehdot vastaavat eri aika-avaruuksia. (Aika-avaruuden käytöshän, eli gravitaatio, määräytyy aineesta, eli jos maailmankaikkeuden aine on jakautunut eri tavalla, myös aika-avaruus on erilainen.)
Kvanttimekaniikan monimaailmatulkinta onkin yksi esimerkki multiversumista, jossa maailmankaikkeudet ovat erillisiä toisistaan.
Kyllä, mutta vaikka eri vaihtoehdot vastaisivat (ominaisuuksiltaan) eri aika-avaruuksia, niin olen käsittänyt, että nimenomaan Deutschin MM-tulkinnassa nämä muut ”aika-avaruudet” eivät sijaitsisi kuitenkaan ”jossain tuolla”, vaan ”tässä ja nyt” ja siksi determinismi säilyisi (ja ilmeisesti useampiulottuvuuksisina kuten mahdollisesti tämä omammekin). Deutschin mukaanhan nämä maailmat voivat periatteessa interferoida (mm. kaksoisrakokokeessa ”varjofotoneina”). Taitaa olla niin monta soppaa kuin on hämmentäjiä.
Lentotaidoton:
Minulla on eri käsitys, mutta en juuri tunne Deutschin ehdotuksia, voin olla väärässäkin.
http://www.hedweb.com/manworld.htm#where
Where are the other worlds?
Non-relativistic quantum mechanics and quantum field theory are quite unambiguous: the other Everett-worlds occupy the same space and time as we do.
The implicit question is really, why aren’t we aware of these other worlds, unless they exist ”somewhere” else? To see why we aren’t aware of the other worlds, despite occupying the same space-time, see ”Why do I only ever experience one world?” Some popular accounts describe the other worlds as splitting off into other, orthogonal, dimensions. These dimensions are the dimensions of Hilbert space, not the more familiar space-time dimensions.
Kiitos kun kerroit kantasi multiversumeista näin selkeästi.
Myös tyhjän tilan energia mietityttää minua. Onko se jotenkin todettu eli tiedetäänkö mitä se on?
Kun näet sanotaan, että maailmankaikkeus laajenee tyhjän tilan energian takia ja laajeneminen kiihtyy, koska samalla syntyy lisää tyhjää tilaa ja samalla tietenkin sen energiaakin – niin se kuulostaa kyllä aika tyylipuhtaalta kehäpäätelmältä.
Lentotaidoton:
Tuo selitys on hyvin ongelmallinen, ei vähiten siksi, että se heijastaa klassisen fysiikan kuvaa aika-avaruudesta näyttämönä, johon tapahtumat eivät vaikuta. Ks. yllä.
Tapsa:
Ks. http://www.tiede.fi/artikkeli/blogit/maailmankaikkeutta_etsimassa/paljon_tyhjasta
onko maailmankaikkeuden laajentumisen kiihtyvyys kääntäen verrannollinen etäisyyteen?
Ei.