Σε ένα Πολυσύμπαν, ποιες είναι οι πιθανότητες;

Αν πρέπει να πιστέψουμε τη σύγχρονη φυσική, δεν πρέπει να είμαστε εδώ. Η πενιχρή δόση ενέργειας που εγχύει κενό χώρο, που σε υψηλότερα επίπεδα θα διέλυε τον κόσμο, είναι ένα τρισεκατομμύριο τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια τρισεκατομμύρια φορές μικρότερη από ό, τι προβλέπει η θεωρία. Και η μικροσκοπική μάζα του μποζονίου Χιγκς, του οποίου η σχετική μικρότητα επιτρέπει να σχηματιστούν μεγάλες δομές όπως οι γαλαξίες και οι άνθρωποι, υπολείπεται περίπου 100 τετράδισεκατομμυων φορές από τις προσδοκίες. Η κλήση μιας από αυτές τις σταθερές έστω και λίγο θα καθιστούσε το σύμπαν μη βιώσιμο.

Για να εξηγήσουν την απίστευτη τύχη μας, κορυφαίοι κοσμολόγοι όπως ο Alan Guth και ο Stephen Hawking οραματίζονται το σύμπαν μας ως μια από τις αμέτρητες φυσαλίδες σε μια αιώνια αφρό θάλασσα. Αυτό το άπειρο «πολύσύμπαν» θα περιέχει σύμπαντα με σταθερές συντονισμένες σε όλες τις πιθανές τιμές, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων ακραίων τιμών, όπως το δικό μας, που έχουν ακριβώς τις κατάλληλες ιδιότητες για να υποστηρίξουν τη ζωή. Σε αυτό το σενάριο, η καλή μας τύχη είναι αναπόφευκτη:Μια περίεργη, φιλική προς τη ζωή φούσκα είναι το μόνο που θα μπορούσαμε να περιμένουμε να παρατηρήσουμε.

Πολλοί φυσικοί απεχθάνονται την υπόθεση του πολυσύμπαντος, θεωρώντας ότι είναι ένας μπάτσος άπειρων αναλογιών. Αλλά καθώς οι προσπάθειες να ζωγραφίσουμε το σύμπαν μας ως μια αναπόφευκτη, αυτόνομη δομή παραπαίουν, το στρατόπεδο του πολυσύμπαντος αυξάνεται.

Το πρόβλημα παραμένει πώς θα ελεγχθεί η υπόθεση. Οι υποστηρικτές της ιδέας του πολυσύμπαντος πρέπει να δείξουν ότι, ανάμεσα στα σπάνια σύμπαντα που υποστηρίζουν τη ζωή, το δικό μας είναι στατιστικά χαρακτηριστικό. Η ακριβής δόση της ενέργειας του κενού, η ακριβής μάζα του λιποβαρούς μποζονίου Higgs μας και άλλες ανωμαλίες πρέπει να έχουν υψηλές πιθανότητες στο υποσύνολο των κατοικήσιμων συμπάντων. Εάν οι ιδιότητες αυτού του σύμπαντος εξακολουθούν να φαίνονται άτυπες ακόμη και στο κατοικήσιμο υποσύνολο, τότε η εξήγηση του πολυσύμπαντος αποτυγχάνει.

Αλλά το άπειρο σαμποτάρει τη στατιστική ανάλυση. Σε ένα αιώνια διογκούμενο πολυσύμπαν, όπου κάθε φούσκα που μπορεί να σχηματιστεί το κάνει άπειρες φορές, πώς μετράτε το "τυπικό";

Ο Guth, καθηγητής φυσικής στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης, καταφεύγει σε φρικιά της φύσης για να θέσει αυτό το «πρόβλημα μέτρησης». «Σε ένα μόνο σύμπαν, οι αγελάδες που γεννιούνται με δύο κεφάλια είναι πιο σπάνιες από τις αγελάδες που γεννιούνται με ένα κεφάλι», είπε. Αλλά σε ένα άπειρα διακλαδιζόμενο πολυσύμπαν, «υπάρχει ένας άπειρος αριθμός μονόκεφαλων αγελάδων και ένας άπειρος αριθμός δικέφαλων αγελάδων. Τι συμβαίνει με την αναλογία;»

Για χρόνια, η αδυναμία υπολογισμού αναλογιών άπειρων ποσοτήτων εμπόδιζε την υπόθεση του πολυσύμπαντος να κάνει δόκιμες προβλέψεις σχετικά με τις ιδιότητες αυτού του σύμπαντος. Για να ωριμάσει η υπόθεση σε μια ολοκληρωμένη θεωρία της φυσικής, το ερώτημα της αγελάδας με δύο κεφάλια απαιτεί απάντηση.

Αιώνιος πληθωρισμός

Ως νεότερος ερευνητής που προσπαθούσε να εξηγήσει την ομαλότητα και την επιπεδότητα του σύμπαντος, ο Guth πρότεινε το 1980 ότι ένα κλάσμα του δευτερολέπτου εκθετικής ανάπτυξης μπορεί να συνέβη στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης. Αυτό θα είχε σιδερώσει τυχόν χωρικές παραλλαγές σαν να ήταν ρυτίδες στην επιφάνεια ενός φουσκωμένου μπαλονιού. Η υπόθεση του πληθωρισμού, αν και ακόμη δοκιμάζεται, συγκεντρώνει όλα τα διαθέσιμα αστροφυσικά δεδομένα και είναι ευρέως αποδεκτή από τους φυσικούς.

Στα χρόνια που ακολούθησαν, ο Andrei Linde, τώρα του Πανεπιστημίου Stanford, ο Guth και άλλοι κοσμολόγοι σκέφτηκαν ότι ο πληθωρισμός θα γεννούσε σχεδόν αναπόφευκτα έναν άπειρο αριθμό συμπάντων. «Μόλις ξεκινήσει ο πληθωρισμός, δεν σταματά ποτέ εντελώς», εξήγησε ο Guth. Σε μια περιοχή όπου σταματά - μέσω ενός είδους αποσύνθεσης που το εγκαθιστά σε μια σταθερή κατάσταση - ο χώρος και ο χρόνος διογκώνονται απαλά σε ένα σύμπαν σαν το δικό μας. Οπουδήποτε αλλού, ο χωροχρόνος συνεχίζει να επεκτείνεται εκθετικά, φουσκώνοντας για πάντα.

Κάθε αποσυνδεδεμένη χωροχρονική φυσαλίδα αναπτύσσεται υπό την επίδραση διαφορετικών αρχικών συνθηκών που συνδέονται με διασπάσεις ποικίλων ποσοτήτων ενέργειας. Μερικές φυσαλίδες διαστέλλονται και μετά συστέλλονται, ενώ άλλες γεννούν ατελείωτα ρεύματα θυγατρικών συμπάντων. Οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι το αιώνια διογκούμενο πολυσύμπαν θα υπάκουε παντού στη διατήρηση της ενέργειας, την ταχύτητα του φωτός, τη θερμοδυναμική, τη γενική σχετικότητα και την κβαντική μηχανική. Αλλά οι τιμές των σταθερών που συντονίζονται από αυτούς τους νόμους ήταν πιθανό να διαφέρουν τυχαία από φούσκα σε φούσκα.

Ο Paul Steinhardt, ένας θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και ένας από τους πρώτους συνεισφέροντες στη θεωρία του αιώνιου πληθωρισμού, είδε το πολυσύμπαν ως ένα «μοιραίο ελάττωμα» στη συλλογιστική που είχε βοηθήσει να προχωρήσει, και παραμένει έντονα κατά του πολυσύμπαντος σήμερα. «Το σύμπαν μας έχει μια απλή, φυσική δομή», είπε τον Σεπτέμβριο. "Η ιδέα του πολυσύμπαντος είναι μπαρόκ, αφύσικη, ανεξέλεγκτη και, τελικά, επικίνδυνη για την επιστήμη και την κοινωνία."

Ο Steinhardt και άλλοι κριτικοί πιστεύουν ότι η υπόθεση του πολυσύμπαντος οδηγεί την επιστήμη μακριά από τη μοναδική εξήγηση των ιδιοτήτων της φύσης. Όταν οι βαθιές ερωτήσεις σχετικά με την ύλη, τον χώρο και τον χρόνο έχουν απαντηθεί κομψά τον περασμένο αιώνα μέσω ολοένα και πιο ισχυρών θεωριών, θεωρώντας ότι οι υπόλοιπες ανεξήγητες ιδιότητες του σύμπαντος «τυχαίες» αισθάνονται σαν να παραιτούνται. Από την άλλη πλευρά, η τυχαιότητα ήταν μερικές φορές η απάντηση σε επιστημονικά ερωτήματα, όπως όταν οι πρώτοι αστρονόμοι έψαχναν μάταια για την τάξη στις τυχαίες πλανητικές τροχιές του ηλιακού συστήματος. Καθώς η πληθωριστική κοσμολογία κερδίζει την αποδοχή, περισσότεροι φυσικοί παραδέχονται ότι μπορεί να υπάρχει ένα πολυσύμπαν τυχαίων συμπάντων, όπως ακριβώς υπάρχει ένας κόσμος γεμάτος αστρικά συστήματα διατεταγμένα από τύχη και χάος.

«Όταν άκουσα για τον αιώνιο πληθωρισμό το 1986, με έκανε να αρρωστήσω στο στομάχι μου», είπε ο John Donoghue, φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης στο Amherst. "Αλλά όταν το σκέφτηκα περισσότερο, ήταν λογικό."

Ένα για το Multiverse

Η υπόθεση του πολυσύμπαντος απέκτησε σημαντική έλξη το 1987, όταν ο νομπελίστας Στίβεν Γουάινμπεργκ τη χρησιμοποίησε για να προβλέψει την απειροελάχιστη ποσότητα ενέργειας που εγχέει το κενό του κενού χώρου, έναν αριθμό γνωστό ως κοσμολογική σταθερά, που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα Λ (λάμδα). Η ενέργεια του κενού είναι βαρυτικά απωθητική, που σημαίνει ότι προκαλεί διάσπαση του χωροχρόνου. Κατά συνέπεια, ένα σύμπαν με θετική τιμή για το Λ διαστέλλεται — όλο και πιο γρήγορα, στην πραγματικότητα, καθώς αυξάνεται η ποσότητα του κενού χώρου — προς ένα μέλλον ως ένα κενό χωρίς ύλη. Τα σύμπαντα με αρνητικό Λ τελικά συστέλλονται σε μια «μεγάλη κρίση».

Οι φυσικοί δεν είχαν ακόμη μετρήσει την τιμή του Λ στο σύμπαν μας το 1987, αλλά ο σχετικά ήρεμος ρυθμός της κοσμικής διαστολής έδειξε ότι η τιμή του ήταν κοντά στο μηδέν. Αυτό πέταξε μπροστά στους κβαντομηχανικούς υπολογισμούς που υποδηλώνουν ότι το Λ θα πρέπει να είναι τεράστιο, υπονοώντας μια πυκνότητα ενέργειας κενού τόσο μεγάλη που θα χώριζε τα άτομα. Κατά κάποιο τρόπο, φαινόταν ότι το σύμπαν μας ήταν πολύ αραιωμένο.

Ο Weinberg στράφηκε σε μια έννοια που ονομάζεται ανθρωπική επιλογή ως απάντηση στη «συνεχή αποτυχία να βρεθεί μια μικροσκοπική εξήγηση για τη μικρότητα της κοσμολογικής σταθεράς», όπως έγραψε στο Physical Review Letters (PRL). Υποστήριξε ότι οι μορφές ζωής, από τις οποίες αντλούνται παρατηρητές συμπάντων, απαιτούν την ύπαρξη γαλαξιών. Επομένως, οι μόνες τιμές του Λ που μπορούν να παρατηρηθούν είναι αυτές που επιτρέπουν στο σύμπαν να διαστέλλεται αρκετά αργά ώστε η ύλη να συσσωρεύεται σε γαλαξίες. Στην εργασία του PRL, ο Weinberg ανέφερε τη μέγιστη δυνατή τιμή του Λ σε ένα σύμπαν που έχει γαλαξίες. Ήταν μια πρόβλεψη που δημιουργήθηκε από πολλά σύμπαντα για την πιο πιθανή πυκνότητα της ενέργειας του κενού που πρέπει να παρατηρηθεί, δεδομένου ότι πρέπει να υπάρχουν παρατηρητές για να την παρατηρήσουν.

Μια δεκαετία αργότερα, οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι η διαστολή του σύμπαντος επιταχύνθηκε με ρυθμό που προσδέθηκε το Λ στο 10 (σε μονάδες «ενεργειακής πυκνότητας Planck»). Μια τιμή ακριβώς μηδέν μπορεί να υπονοούσε μια άγνωστη συμμετρία στους νόμους της κβαντικής μηχανικής - μια εξήγηση χωρίς πολυσύμπαν. Αλλά αυτή η παράλογα μικροσκοπική τιμή της κοσμολογικής σταθεράς εμφανίστηκε τυχαία. Και έπεσε εντυπωσιακά κοντά στην πρόβλεψη του Weinberg.

«Ήταν μια τεράστια επιτυχία και πολύ μεγάλη επιρροή», είπε ο Μάθιου Κλέμπαν, θεωρητικός του πολυσύμπαντος στο Πανεπιστήμιο της Νέας Υόρκης. Η πρόβλεψη φαινόταν να δείχνει ότι το πολυσύμπαν θα μπορούσε τελικά να έχει επεξηγηματική δύναμη.

Αμέσως μετά την επιτυχία του Weinberg, ο Donoghue και οι συνεργάτες του χρησιμοποίησαν την ίδια ανθρωπική προσέγγιση για να υπολογίσουν το εύρος των πιθανών τιμών για τη μάζα του μποζονίου Higgs. Το Higgs μοιράζει τη μάζα σε άλλα στοιχειώδη σωματίδια, και αυτές οι αλληλεπιδράσεις καλούν τη μάζα της προς τα πάνω ή προς τα κάτω σε ένα φαινόμενο ανάδρασης. Αυτή η ανάδραση θα αναμενόταν να δώσει μια μάζα για το Higgs που είναι πολύ μεγαλύτερη από την παρατηρούμενη τιμή του, κάνοντας τη μάζα του να φαίνεται ότι έχει μειωθεί από τυχαίες ακυρώσεις μεταξύ των επιπτώσεων όλων των μεμονωμένων σωματιδίων. Η ομάδα του Donoghue υποστήριξε ότι αυτό το τυχαία μικροσκοπικό Higgs ήταν αναμενόμενο, δεδομένης της ανθρωπικής επιλογής:Εάν το μποζόνιο Higgs ήταν μόλις πέντε φορές βαρύτερο, τότε δεν θα μπορούσαν να προκύψουν πολύπλοκα στοιχεία που προκαλούν ζωή όπως ο άνθρακας. Έτσι, ένα σύμπαν με πολύ βαρύτερα σωματίδια Higgs δεν θα μπορούσε ποτέ να παρατηρηθεί.

Μέχρι πρόσφατα, η κύρια εξήγηση για τη μικρότητα της μάζας Higgs ήταν μια θεωρία που ονομάζεται υπερσυμμετρία, αλλά οι απλούστερες εκδοχές της θεωρίας απέτυχαν σε εκτεταμένες δοκιμές στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων κοντά στη Γενεύη. Παρόλο που έχουν προταθεί νέες εναλλακτικές λύσεις, πολλοί φυσικοί των σωματιδίων που θεωρούσαν το πολυσύμπαν αντιεπιστημονικό μόλις πριν από λίγα χρόνια, ανοίγονται τώρα διστακτικά στην ιδέα. «Μακάρι να φύγει», είπε ο Nathan Seiberg, καθηγητής φυσικής στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον, N.J., ο οποίος συνέβαλε στην υπερσυμμετρία τη δεκαετία του 1980. "Αλλά πρέπει να αντιμετωπίσετε τα γεγονότα."

Ωστόσο, ακόμη και καθώς η ώθηση για μια προγνωστική θεωρία πολυσύμπαν έχει αυξηθεί, οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι οι προβλέψεις του Weinberg και άλλων ήταν πολύ αφελείς. Ο Weinberg υπολόγισε το μεγαλύτερο Λ συμβατό με το σχηματισμό γαλαξιών, αλλά αυτό συνέβη πριν οι αστρονόμοι ανακαλύψουν μίνι «νάνους γαλαξίες» που θα μπορούσαν να σχηματιστούν σε σύμπαντα στα οποία ο Λ είναι 1.000 φορές μεγαλύτερος. Αυτά τα πιο διαδεδομένα σύμπαντα μπορούν επίσης να περιέχουν παρατηρητές, κάνοντας το σύμπαν μας να φαίνεται άτυπο μεταξύ παρατηρήσιμων συμπάντων. Από την άλλη πλευρά, οι νάνοι γαλαξίες πιθανώς περιέχουν λιγότερους παρατηρητές από τους πλήρους μεγέθους και τα σύμπαντα με μόνο νάνους γαλαξίες θα έχουν επομένως μικρότερες πιθανότητες να παρατηρηθούν.

Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι δεν ήταν αρκετό να γίνει διάκριση μεταξύ παρατηρήσιμων και μη παρατηρήσιμων φυσαλίδων. Για να προβλέψουν με ακρίβεια τις αναμενόμενες ιδιότητες του σύμπαντος μας, έπρεπε να σταθμίσουν την πιθανότητα παρατήρησης ορισμένων φυσαλίδων σύμφωνα με τον αριθμό των παρατηρητών που περιείχαν. Εισαγάγετε το πρόβλημα μέτρησης.

Μέτρηση του Πολυσύμπαντος

Ο Guth και άλλοι επιστήμονες αναζήτησαν ένα μέτρο για να μετρήσουν τις πιθανότητες παρατήρησης διαφορετικών ειδών σύμπαντων. Αυτό θα τους επέτρεπε να κάνουν προβλέψεις σχετικά με την ποικιλία των θεμελιωδών σταθερών σε αυτό το σύμπαν, οι οποίες θα πρέπει να έχουν λογικά υψηλές πιθανότητες να παρατηρηθούν. Οι πρώτες προσπάθειες των επιστημόνων περιελάμβαναν την κατασκευή μαθηματικών μοντέλων αιώνιου πληθωρισμού και τον υπολογισμό της στατιστικής κατανομής των παρατηρήσιμων φυσαλίδων με βάση το πόσες από κάθε τύπο προέκυψαν σε ένα δεδομένο χρονικό διάστημα. Αλλά με τον χρόνο να χρησιμεύει ως μέτρο, ο τελικός απολογισμός των συμπάντων στο τέλος εξαρτιόταν από τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες όρισαν τον χρόνο εξαρχής.

«Οι άνθρωποι έπαιρναν πολύ διαφορετικές απαντήσεις ανάλογα με τον κανόνα τυχαίας αποκοπής που επέλεγαν», είπε ο Ραφαέλ Μπούσο, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Μπέρκλεϋ.

Ο Alex Vilenkin, διευθυντής του Ινστιτούτου Κοσμολογίας στο Πανεπιστήμιο Tufts στο Medford της Μασαχουσέτης, έχει προτείνει και έχει απορρίψει πολλά μέτρα πολυσύμπαν τις τελευταίες δύο δεκαετίες, αναζητώντας ένα που θα υπερέβαινε τις αυθαίρετες υποθέσεις του. Πριν από δύο χρόνια, αυτός και ο Jaume Garriga από το Πανεπιστήμιο της Βαρκελώνης στην Ισπανία πρότειναν ένα μέτρο με τη μορφή ενός αθάνατου «παρατηρητή» που πετά στα ύψη μέσω των γεγονότων μέτρησης του πολυσύμπαντος, όπως ο αριθμός των παρατηρητών. Οι συχνότητες των γεγονότων στη συνέχεια μετατρέπονται σε πιθανότητες, λύνοντας έτσι το πρόβλημα μέτρησης. Αλλά η πρόταση προϋποθέτει το αδύνατο εκ των προτέρων:Ο παρατηρητής επιβιώνει ως εκ θαύματος από φυσαλίδες, όπως ένα avatar σε ένα βιντεοπαιχνίδι που πεθαίνει και αναπηδά στη ζωή.

Το 2011, ο Guth και ο Vitaly Vanchurin, τώρα του Πανεπιστημίου της Μινεσότα Ντουλούθ, φαντάστηκαν ένα πεπερασμένο «δειγματικό χώρο», ένα τυχαία επιλεγμένο κομμάτι χωροχρόνου μέσα στο άπειρο πολυσύμπαν. Καθώς ο χώρος του δείγματος επεκτείνεται, πλησιάζει αλλά δεν φτάνει ποτέ σε άπειρο μέγεθος, διασχίζει σύμπαντα φυσαλίδων συναντώντας γεγονότα, όπως σχηματισμούς πρωτονίων, σχηματισμούς αστεριών ή διαγαλαξιακούς πολέμους. Τα συμβάντα καταγράφονται σε μια υποθετική τράπεζα δεδομένων μέχρι να τελειώσει η δειγματοληψία. Η σχετική συχνότητα διαφορετικών γεγονότων μεταφράζεται σε πιθανότητες και έτσι παρέχει μια προγνωστική δύναμη. "Οτιδήποτε μπορεί να συμβεί θα συμβεί, αλλά όχι με την ίδια πιθανότητα", είπε ο Guth.

Ωστόσο, πέρα ​​από το παράξενο των αθάνατων παρατηρητών και των φανταστικών τραπεζών δεδομένων, και οι δύο αυτές προσεγγίσεις απαιτούν αυθαίρετες επιλογές σχετικά με το ποια γεγονότα θα πρέπει να χρησιμεύουν ως πληρεξούσιοι για τη ζωή, και επομένως για τις παρατηρήσεις των συμπάντων που θα μετρηθούν και θα μετατραπούν σε πιθανότητες. Τα πρωτόνια φαίνονται απαραίτητα για τη ζωή. Οι διαστημικοί πόλεμοι όχι — αλλά οι παρατηρητές απαιτούν αστέρια, ή αυτό είναι πολύ περιορισμένη έννοια ζωής; Με οποιοδήποτε μέτρο, μπορούν να γίνουν επιλογές έτσι ώστε οι πιθανότητες να στοιβάζονται υπέρ του να κατοικήσουμε σε ένα σύμπαν σαν το δικό μας. Ο βαθμός της εικασίας εγείρει αμφιβολίες.

The Causal Diamond

Ο Μπούσο αντιμετώπισε για πρώτη φορά το πρόβλημα της μέτρησης τη δεκαετία του 1990 ως μεταπτυχιακός φοιτητής που εργαζόταν με τον Στίβεν Χόκινγκ, τον ντογιέν της φυσικής της μαύρης τρύπας. Οι μαύρες τρύπες αποδεικνύουν ότι δεν υπάρχει παντογνώστης μετρητής, επειδή κάποιος μέσα στον «ορίζοντα γεγονότων» μιας μαύρης τρύπας, πέρα ​​από τον οποίο δεν μπορεί να διαφύγει κανένα φως, έχει πρόσβαση σε διαφορετικές πληροφορίες και γεγονότα από κάποιον έξω και το αντίστροφο. Ο Μπούσο και άλλοι ειδικοί της μαύρης τρύπας σκέφτονται ότι ένας τέτοιος κανόνας «πρέπει να είναι πιο γενικός», είπε, αποκλείοντας λύσεις στο πρόβλημα των μέτρων σύμφωνα με τις γραμμές του αθάνατου παρατηρητή. "Η φυσική είναι καθολική, επομένως πρέπει να διατυπώσουμε τι μπορεί, κατ' αρχήν, να μετρήσει ένας παρατηρητής."

Αυτή η επίγνωση οδήγησε τον Bousso να αναπτύξει ένα μέτρο πολυσύμπαν που αφαιρεί το άπειρο από την εξίσωση εντελώς. Αντί να κοιτάζει όλο τον χωροχρόνο, στεγάζει σε ένα πεπερασμένο κομμάτι του πολυσύμπαντος που ονομάζεται «αιτιακό διαμάντι», που αντιπροσωπεύει τη μεγαλύτερη λωρίδα προσβάσιμη σε έναν μόνο παρατηρητή που ταξιδεύει από την αρχή του χρόνου στο τέλος του χρόνου. Τα πεπερασμένα όρια ενός αιτιώδους διαμαντιού σχηματίζονται από την τομή δύο κώνων φωτός, όπως οι ακτίνες διασποράς από ένα ζευγάρι φακών στραμμένους ο ένας προς τον άλλο στο σκοτάδι. Ο ένας κώνος δείχνει προς τα έξω από τη στιγμή που δημιουργήθηκε η ύλη μετά από μια Μεγάλη Έκρηξη - την πιο πρώιμη πιθανή γέννηση ενός παρατηρητή - και ο άλλος στοχεύει προς τα πίσω από το πιο μακρινό σημείο του μελλοντικού μας ορίζοντα, τη στιγμή που το αιτιώδες διαμάντι γίνεται ένα κενό, διαχρονικό κενό και ο παρατηρητής δεν μπορεί πλέον να έχει πρόσβαση σε πληροφορίες που συνδέουν την αιτία με το αποτέλεσμα.

Ο Bousso δεν ενδιαφέρεται για το τι συμβαίνει έξω από το αιτιακό διαμάντι, όπου τα απείρως μεταβλητά, ατελείωτα επαναλαμβανόμενα γεγονότα είναι άγνωστα, με τον ίδιο τρόπο που οι πληροφορίες για το τι συμβαίνει έξω από μια μαύρη τρύπα δεν μπορούν να έχουν πρόσβαση από τη φτωχή ψυχή που είναι παγιδευμένη μέσα. Αν κάποιος αποδεχτεί ότι το πεπερασμένο διαμάντι, «το ότι είναι το μόνο που μπορεί να μετρήσει ποτέ ο καθένας, είναι και το μόνο που υπάρχει», είπε ο Μπούσο, «τότε δεν υπάρχει πια πρόβλημα μέτρησης».

Το 2006, ο Bousso συνειδητοποίησε ότι η αιτιώδης-διαμαντένια μέτρησή του προσέφερε έναν ισότιμο τρόπο πρόβλεψης της αναμενόμενης τιμής της κοσμολογικής σταθεράς. Αιτιατά διαμάντια με μικρότερες τιμές Λ θα παρήγαγαν περισσότερη εντροπία - μια ποσότητα που σχετίζεται με την αταξία ή την υποβάθμιση της ενέργειας - και ο Bousso υπέθεσε ότι η εντροπία θα μπορούσε να χρησιμεύσει ως αντιπρόσωπος για την πολυπλοκότητα και επομένως για την παρουσία παρατηρητών. Σε αντίθεση με άλλους τρόπους μέτρησης παρατηρητών, η εντροπία μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας αξιόπιστες θερμοδυναμικές εξισώσεις. Με αυτήν την προσέγγιση, είπε ο Bousso, «η σύγκριση των συμπάντων δεν είναι πιο εξωτική από τη σύγκριση λιμνών νερού με χώρους γεμάτους αέρα».

Χρησιμοποιώντας αστροφυσικά δεδομένα, ο Bousso και οι συνεργάτες του Roni Harnik, Graham Kribs και Gilad Perez υπολόγισαν τον συνολικό ρυθμό παραγωγής εντροπίας στο σύμπαν μας, ο οποίος προέρχεται κυρίως από το φως που διαχέεται από την κοσμική σκόνη. Ο υπολογισμός προέβλεψε ένα στατιστικό εύρος αναμενόμενων τιμών του Λ. Η γνωστή τιμή, 10, βρίσκεται ακριβώς αριστερά από τη διάμεσο. «Ειλικρινά δεν το είδαμε να έρχεται», είπε ο Μπούσο. "Είναι πολύ ωραίο, γιατί η πρόβλεψη είναι πολύ ισχυρή."

Πραγματοποίηση προβλέψεων

Ο Bousso και η αιτιώδης μέτρηση των συνεργατών του έχει τώρα σημειώσει πολλές επιτυχίες. Προσφέρει μια λύση σε ένα μυστήριο της κοσμολογίας που ονομάζεται "γιατί τώρα;" πρόβλημα, το οποίο ρωτά γιατί τυχαίνει να ζούμε σε μια εποχή που οι επιπτώσεις της ύλης και της ενέργειας του κενού είναι συγκρίσιμες, έτσι ώστε η διαστολή του σύμπαντος πρόσφατα μεταπήδησε από την επιβράδυνση (που σημαίνει μια εποχή κυριαρχούμενη από την ύλη) στην επιτάχυνση (ενέργεια κενού -κυριαρχημένη εποχή). Η θεωρία του Bousso υποδηλώνει ότι είναι φυσικό να βρεθούμε σε αυτή τη συγκυρία. Η μεγαλύτερη εντροπία παράγεται, και επομένως υπάρχουν οι περισσότεροι παρατηρητές, όταν τα σύμπαντα περιέχουν ίσα μέρη ενέργειας κενού και ύλης.

Το 2010 ο Harnik και ο Bousso χρησιμοποίησαν την ιδέα τους για να εξηγήσουν την επιπεδότητα του σύμπαντος και την ποσότητα της υπέρυθρης ακτινοβολίας που εκπέμπεται από την κοσμική σκόνη. Πέρυσι, ο Bousso και ο συνάδελφός του στο Berkeley Lawrence Hall ανέφεραν ότι παρατηρητές από πρωτόνια και νετρόνια, όπως εμείς, θα ζουν σε σύμπαντα όπου η ποσότητα της συνηθισμένης ύλης και της σκοτεινής ύλης είναι συγκρίσιμη, όπως συμβαίνει εδώ.

«Αυτή τη στιγμή, η αιτιολογική ενημέρωση φαίνεται πολύ καλή», είπε ο Bousso. "Πολλά πράγματα λειτουργούν απροσδόκητα καλά και δεν γνωρίζω άλλα μέτρα που πλησιάζουν να αναπαράγουν αυτές τις επιτυχίες ή να παρουσιάζουν συγκρίσιμες επιτυχίες."

Ωστόσο, το μέτρο αιτιώδους αιτίας-διαμάντι υπολείπεται με μερικούς τρόπους. Δεν μετράει τις πιθανότητες συμπάντων με αρνητικές τιμές της κοσμολογικής σταθεράς. Και οι προβλέψεις του εξαρτώνται με ευαισθησία από τις υποθέσεις για το πρώιμο σύμπαν, στην αρχή του κώνου φωτός που δείχνει το μέλλον. Αλλά οι ερευνητές στον τομέα αναγνωρίζουν την υπόσχεσή του. Παρακάμπτοντας τα άπειρα που κρύβονται πίσω από το πρόβλημα του μέτρου, το αιτιώδες διαμάντι «είναι μια όαση πεπερασμένου στην οποία μπορούμε να βυθίσουμε τα δόντια μας», είπε ο Andreas Albrecht, θεωρητικός φυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Davis, και ένας από τους πρώτους αρχιτέκτονες του πληθωρισμού. .

Ο Kleban, ο οποίος όπως και ο Bousso ξεκίνησε την καριέρα του ως ειδικός στις μαύρες τρύπες, είπε ότι η ιδέα ενός αιτιώδους εμπλάστρου όπως ένα διαμάντι που παράγει εντροπία «είναι αναπόφευκτο να είναι ένα συστατικό της τελικής λύσης στο πρόβλημα του μέτρου». Αυτός, ο Guth, ο Vilenkin και πολλοί άλλοι φυσικοί το θεωρούν μια ισχυρή και συναρπαστική προσέγγιση, αλλά συνεχίζουν να εργάζονται στα δικά τους μέτρα για το πολυσύμπαν. Λίγοι θεωρούν ότι το πρόβλημα έχει λυθεί.

Κάθε μέτρο περιλαμβάνει πολλές υποθέσεις, πέρα ​​από την απλή ύπαρξη του πολυσύμπαντος. Για παράδειγμα, οι προβλέψεις του αναμενόμενου εύρους σταθερών όπως η Λ και η μάζα Higgs πάντα εικάζουν ότι οι φυσαλίδες τείνουν να έχουν μεγαλύτερες σταθερές. Προφανώς, αυτό είναι ένα έργο σε εξέλιξη.

«Το πολυσύμπαν θεωρείται είτε ως ανοιχτό ερώτημα είτε ως εκτός τείχους», είπε ο Guth. "Αλλά τελικά, εάν το πολυσύμπαν γίνει ένα τυπικό μέρος της επιστήμης, θα βασίζεται στο ότι είναι η πιο εύλογη εξήγηση των λεπτομέρειας που βλέπουμε στη φύση."

Ίσως αυτοί οι θεωρητικοί του πολυσύμπαντος να έχουν επιλέξει ένα Σισύφειο έργο. Ίσως δεν θα διευθετήσουν ποτέ το ζήτημα της δικέφαλης αγελάδας. Μερικοί ερευνητές ακολουθούν μια διαφορετική διαδρομή για να δοκιμάσουν το πολυσύμπαν. Αντί να διεισδύουν στις άπειρες δυνατότητες των εξισώσεων, σαρώνουν τον πεπερασμένο ουρανό για το απόλυτο πέρασμα Hail Mary — το αχνό τρέμουλο από μια αρχαία σύγκρουση φυσαλίδων.

Το δεύτερο μέρος αυτής της σειράς, το οποίο διερευνά τις προσπάθειες ανίχνευσης σύμπαντων με φυσαλίδες που συγκρούονται, θα εμφανιστεί τη Δευτέρα, 10 Νοεμβρίου.

Διόρθωση:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 4 Νοεμβρίου 2014, αφαιρώντας μια πρόταση που δεν έλαβε πλήρως υπόψη την πρόσφατη πρόοδο στους υπολογισμούς πολλών παραμέτρων θεμελιωδών σταθερών. Αναθεωρήθηκε περαιτέρω στις 23 Ιανουαρίου 2015, για να πιστωθεί στον Αντρέι Λίντε ως ο πρωτοπόρος της θεωρίας του αιώνιου πληθωρισμού.