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Sind viele Welten und das Multiversum die gleiche Idee?

Anonim

Wenn Physiker nach „Parallelwelten“ oder Ideen in diese Richtung gefragt werden, müssen sie darauf achten, zwischen den unterschiedlichen Interpretationen dieser Idee zu unterscheiden. Es gibt das "Multiversum" der inflationären Kosmologie, die "vielen Welten" oder "Zweige der Wellenfunktion" der Quantenmechanik und die "Parallelen" der Stringtheorie. Zunehmend fragen sich die Leute jedoch, ob die ersten beiden Konzepte tatsächlich die gleiche Grundidee darstellen könnten. (Ich denke, die Brasen sind immer noch eine wirklich unterschiedliche Vorstellung.)

Auf den ersten Blick scheint es verrückt zu sein - oder zumindest war das meine erste Reaktion. Wenn Kosmologen von „Multiversum“ sprechen, ist dies ein leicht poetischer Begriff. Wir meinen eigentlich nur verschiedene Regionen der Raumzeit, weit weg, damit wir sie nicht beobachten können, aber trotzdem immer noch Teil dessen, was man vernünftigerweise als "das Universum" bezeichnen möchte. In der inflationären Kosmologie können diese verschiedenen Regionen jedoch relativ sein in sich geschlossen - "Taschenuniversen", wie Alan Guth sie nennt. Wenn Sie dies mit der Stringtheorie kombinieren, können die aufkommenden lokalen Gesetze der Physik in den verschiedenen Taschenuniversen sehr unterschiedlich sein. Sie können unterschiedliche Teilchen, unterschiedliche Kräfte und sogar unterschiedliche Dimensionen haben. Es gibt also einen guten Grund, sie als getrennte Universen zu betrachten, auch wenn sie alle Teil derselben Raumzeit sind.

Die Situation in der Quantenmechanik ist oberflächlich anders. Denken Sie an Schrödingers Katze. Die Quantenmechanik beschreibt die Realität in Form von Wellenfunktionen, die den verschiedenen Möglichkeiten, was wir bei einer Beobachtung sehen können, Zahlen (Amplituden) zuordnen. Die Katze lebt weder noch ist sie tot; es ist eine Überlagerung von lebendigen + toten. Zumindest bis wir es beobachten. In der simplen Kopenhagener Interpretation "bricht" die Wellenfunktion im Moment der Beobachtung auf eine tatsächliche Möglichkeit zusammen. Wir sehen entweder eine lebendige Katze oder eine tote Katze; die andere Möglichkeit existiert einfach nicht mehr. In der Many-Worlds- oder Everett-Interpretation existieren beide Möglichkeiten weiterhin, aber „wir“ (die makroskopischen Beobachter) sind in zwei Teile aufgeteilt, eines, das eine lebende Katze beobachtet, und eines, das einen toten beobachtet. Es gibt jetzt zwei von uns, beide gleich real, um nie wieder in Kontakt zu kommen.

Diese beiden Ideen klingen völlig unterschiedlich. Im kosmologischen Multiversum sind die anderen Universen einfach weit weg; In der Quantenmechanik sind sie hier genau richtig, aber in verschiedenen möglichen Räumen (dh verschiedenen Teilen des Hilbert-Raums, wenn Sie technische Informationen erhalten möchten). Aber einige Physiker haben eine Weile darüber nachgedacht, dass sie tatsächlich gleich sein könnten, und jetzt gibt es ein paar neue Papiere von mutigen Denkern aus der Bay Area, die diese Idee explizit machen.

Physikalische Theorien, ewige Inflation und das Quantenuniversum Yasunori Nomura

Die Multiversum-Interpretation der Quantenmechanik, Raphael Bousso und Leonard Susskind

Verwandte Ideen wurden kürzlich unter der Rubrik "Wie man Quantenmechanik in einem unendlich großen Universum durchführt" diskutiert. siehe Papiere von Don Page und eine andere von Anthony Aguirre, David Layzer und Max Tegmark. Diese beiden neuen Themen beziehen sich jedoch explizit auf das Thema "Multiversum = Viele Welten".

Nach dem Lesen dieser Papiere bin ich von einem verwirrten Skeptiker zu einem vorsichtigen Gläubigen geworden. Dies geschah aus einem sehr gewöhnlichen Grund: Ich erkannte, dass diese Ideen sehr gut zu anderen Ideen passen, an die ich über mich nachgedacht habe! Also werde ich versuchen, ein wenig zu erklären, was los ist. Meine Interpretation dieser Papiere ist jedoch zum Guten oder Schlechten stark von meinen eigenen Ideen geprägt. Ich werde also erklären, was meiner Meinung nach wahr ist. Ich glaube, es ist ziemlich nahe an dem, was in diesen Papieren vorgeschlagen wird, aber machen Sie die Autoren nicht für etwas Dummes verantwortlich, das ich am Ende sage.

Es gibt zwei Ideen, die zusammenpassen, um diesen verrückt klingenden Vorschlag sinnvoll zu gestalten. Der erste ist der Quantenvakuumzerfall .

Wenn Teilchenphysiker "Vakuum" sagen, meinen sie nicht "leerer Raum", meinen sie "einen Zustand einer Theorie, der die niedrigste Energie aller ähnlich aussehenden Zustände hat." Nehmen wir also an, Sie haben Skalar Ein Feld füllt das Universum, das unterschiedliche Werte annehmen kann, und jeder andere Wert hat eine unterschiedliche potentielle Energie. Im Laufe der normalen Evolution möchte sich das Feld auf ein Minimum seiner potentiellen Energie niederlassen - das ist ein "Vakuum". Aber es kann das "wahre Vakuum" geben, bei dem die Energie wirklich die niedrigste und allerlei ist "False vacua", wo Sie sich in einem lokalen Minimum befinden, aber nicht wirklich in einem globalen Minimum.

Das Schicksal des falschen Vakuums wurde in den 70er Jahren in einer Reihe berühmter Zeitungen von Sidney Coleman und Mitarbeitern ausgearbeitet. Kurzfassung der Story: Felder unterliegen Quantenfluktuationen. Das Skalarfeld sitzt also nicht einfach in seinem Vakuumzustand; Wenn Sie es beobachten, kann es sein, dass es ein wenig dahinfährt. Irgendwann streut es so weit, dass es in Richtung des wirklichen Vakuums direkt über die Barriere steigt. Das passiert nicht überall im Weltall auf einmal; Es passiert einfach in einer winzigen Region - einer „Blase“. Aber sobald es passiert, möchte das Feld wirklich im richtigen Vakuum sein und nicht im falschen - es ist energetisch günstig. Die Blase wächst also. Andere Blasen bilden sich anderswo und wachsen auch. Irgendwann prallen alle Blasen aufeinander und Sie haben erfolgreich einen Übergang vom falschen Vakuum zum echten Vakuum vollendet. (Wenn das Universum sich nicht so schnell ausdehnt, dass sich die Blasen niemals erreichen, ist es wirklich so, als würde sich Wasser durch die Blasenbildung in Dampf verwandeln.

So spricht jeder über das Schicksal des falschen Vakuums, aber es passiert nicht wirklich . Quantenfelder schwanken nicht wirklich; Das ist die poetische Sprache, die dazu dient, uns mit unserer klassischen Intuition zu verbinden. Was schwankt, sind unsere Beobachtungen - wir können mehrmals auf dasselbe Feld schauen und verschiedene Werte messen.

Wenn wir sagen, dass sich eine Blase bildet und wächst, ist das nicht genau richtig. Was wirklich passiert, ist, dass es eine Quantenamplitude für das Vorhandensein einer Blase gibt und dass diese mit der Zeit zunimmt. Wenn wir auf das Feld schauen, sehen wir eine Blase oder wir tun es nicht, genau wie wenn wir Schrödingers Box öffnen, sehen wir entweder eine lebende Katze oder eine tote Katze. Aber tatsächlich gibt es eine Quantenwellenfunktion, die alle Möglichkeiten gleichzeitig beschreibt.

Denken Sie daran, und lassen Sie uns nun den zweiten Schlüsselbestandteil einführen: Horizontkomplementarität .

Die Idee der Horizont-Komplementarität ist eine Verallgemeinerung der Idee der Komplementarität des Schwarzen Lochs, die wiederum ein Spiel mit der Idee der Quanten-Komplementarität ist. (Noch verwirrt?) Komplementarität wurde von Niels Bohr eingeführt, um im Grunde zu sagen: "Man kann sich ein Elektron als Teilchen oder als Welle vorstellen, aber nicht als beides gleichzeitig." Das heißt, es gibt unterschiedliche aber gleichermaßen gültige Möglichkeiten, etwas zu beschreiben, aber Möglichkeiten, die Sie nicht gleichzeitig aufrufen können.

Bei Schwarzen Löchern wurde Komplementarität in etwa so verstanden: „Sie können darüber reden, was im Schwarzen Loch oder im Freien vor sich geht, aber nicht beide gleichzeitig.“ Dies ist ein Weg, um dem Paradoxon des Informationsverlusts zu entgehen Schwarze Löcher verdunsten. Sie werfen ein Buch in ein schwarzes Loch, und wenn Informationen nicht verloren gehen, sollten Sie (im Prinzip!) Rekonstruieren können, indem Sie die gesamte Hawking-Strahlung einsammeln, in der das Schwarze Loch verdampft. Das klingt plausibel, auch wenn Sie nicht genau wissen, durch welchen Mechanismus dies geschieht. Das Problem ist, dass Sie durch die Raumzeit ein „Slice“ zeichnen können, das sowohl das fallende Buch als auch die ausgehende Strahlung enthält! Also, wo ist die Information wirklich? (Es ist nicht an beiden Orten gleichzeitig - das ist verboten durch den Satz des Klonens ohne Klonen.)

Susskind und Gerard 't Hooft schlugen Komplementarität als Lösung vor: Sie können entweder darüber sprechen, dass das Buch innerhalb des Schwarzen Lochs in die Singularität gerät, oder Sie sprechen draußen über die Hawking-Strahlung, aber Sie können nicht gleichzeitig über beides sprechen . Es scheint ein wenig Wunschdenken zu sein, um die Physik vor der ungenießbaren Gefahr zu retten, dass Informationen verloren gehen, während Schwarze Löcher verdampfen. Als Theoretiker jedoch immer mehr darüber nachdachten, wie Schwarze Löcher funktionieren, sammelten sich Beweise dafür, dass etwas wie Komplementarität wirklich wahr ist. (Siehe zum Beispiel.)

Gemäß der Komplementarität des Schwarzen Lochs sollte jemand außerhalb des Schwarzen Lochs nicht darüber nachdenken, was sich darin befindet. Genauer gesagt, alles, was im Inneren geschieht, kann als Information über den Ereignishorizont selbst „verschlüsselt“ werden. Diese Idee funktioniert sehr gut mit der Holographie und der Tatsache, dass die Entropie des Schwarzen Lochs proportional zur Fläche des Horizonts ist und nicht zum Volumen dessen, was sich darin befindet. Im Grunde ersetzen Sie "im Inneren des Schwarzen Lochs" durch "am Horizont lebende Informationen". (Oder wirklich den "gestreckten Horizont"), direkt außerhalb des realen Horizonts. Dies verbindet sich mit dem Membranparadigma für die Schwarze-Loch-Physik, aber dieser Blogbeitrag lautet schon viel zu lang wie es ist.)

Ereignishorizonte sind nicht die einzigen Horizonte der allgemeinen Relativitätstheorie; Es gibt auch Horizonte in der Kosmologie. Der Unterschied ist, dass wir außerhalb des Schwarzen Lochs stehen können, während wir im Universum sind. Der kosmologische Horizont ist also eine Sphäre, die uns umgibt; Es ist der Punkt, an dem die Dinge so weit weg sind, dass Lichtsignale von ihnen keine Zeit haben, uns zu erreichen.

Dann haben wir Horizont-Komplementarität: Sie können darüber sprechen, was sich in Ihrem kosmologischen Horizont befindet, aber nicht, was sich außerhalb befindet. Vielmehr kann alles, was Ihrer Meinung nach draußen vor sich geht, in Form von Informationen am Horizont selbst kodiert werden, genau wie bei schwarzen Löchern! Dies wird zu einer ziemlich scharfen und glaubwürdigen Aussage im leeren Raum mit einer kosmologischen Konstante (de Sitter-Raum), in der es sogar ein genaues Analogon zur Hawking-Strahlung gibt. Aber die Komplementarität des Horizonts besagt, dass dies allgemeiner zutreffend ist.

Also all diese Taschenuniversen, über die Kosmologen sprechen? Unsinn, sagen die Komplementäre. Zumindest sollten Sie sie nicht wörtlich nehmen; Alles, worüber Sie jemals auf einmal sprechen sollten, ist das, was innerhalb Ihres eigenen Horizonts geschieht. Das ist eine endliche Menge an Material, kein unendlich großes Multiversum. Wie Sie sich vielleicht vorstellen können, hat diese Perspektive sehr tiefe Konsequenzen für die kosmologischen Vorhersagen, und die Debatte darüber, wie alles zusammengefügt werden kann, ist in der Gemeinschaft im Gange. (Ich helfe bei der Organisation eines großen Treffens in diesem Sommer in Perimeter.)

Okay, lassen Sie uns nun die beiden Ideen zusammenfassen: Horizont-Komplementarität („Denken Sie nur an das, was sich in Ihrem beobachtbaren Universum befindet“) und den Quantenvakuumzerfall („Sie befinden sich an einem beliebigen Punkt im Weltraum in einer Quanten-Superposition eines anderen Vakuums) Zustände").

Das Ergebnis ist: Multiverse-in-a-Box. Oder zumindest Multiversum im Horizont. Einerseits bedeutet Komplementarität, dass wir nicht darüber nachdenken sollten, was sich außerhalb unseres beobachtbaren Universums befindet. Jede Frage, die man fragen kann, kann anhand des Geschehens innerhalb eines einzigen Horizonts beantwortet werden. Andererseits sagt die Quantenmechanik, dass eine vollständige Beschreibung dessen, was sich tatsächlich in unserem beobachtbaren Universum befindet, eine Amplitude für verschiedene mögliche Zustände beinhaltet. Wir haben also das kosmologische Multiversum, in dem sich verschiedene Zustände in weit voneinander getrennten Bereichen der Raumzeit befinden, durch ein lokalisiertes Multiversum ersetzt, in dem die verschiedenen Zustände hier genau in verschiedenen Zweigen der Wellenfunktion liegen.

Das ist viel zu schlucken, aber hoffentlich sind die Grundlagen klar. Also: stimmt es? Und wenn ja, was können wir damit machen?

Natürlich wissen wir noch nicht die Antwort auf eine der Fragen, aber es ist aufregend, darüber nachzudenken. Ich neige dazu zu glauben, dass es eine gute Chance hat, tatsächlich wahr zu sein. Und wenn ja, möchte ich natürlich fragen, welche Konsequenzen dies für die kosmologischen Anfangsbedingungen und den Zeitpfeil hat. Ich glaube nicht, dass diese Perspektive eine einfache Antwort auf diese Fragen bietet, aber sie könnte eine relativ stabile Plattform bieten, von der aus eindeutige Antworten entwickelt werden könnten. Es ist ein sehr großes Universum, wir sollten davon ausgehen, dass das Verstehen eine große Herausforderung sein wird.

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