Sean Carroll: Avlägsen tid och antydan av ett multiversum

Vid TEDxCaltech ger sig kosmologen Sean Carroll - i en underhållande och tänkeväckande resa genom tidens och universums natur - på en bedrägligt enkel fråga: Varför existerar tid överhuvudtaget? De tänkbara svaren visar på en överraskande syn på universums natur, och vår plats i den.

Universum

är riktigt stort.

Vi bor i en galax, Vintergatan.

Det finns ungefär ett hundra miljarder stjärnor i Vintergatan.

Riktar du en kamera

mot en slumpmässig del av himlen,

med öppen slutare, så kommer det,

så länge kameran sitter på rymdteleskopet Hubbles,

se ut så här.

Varenda en av de här små plumparna

är en galax av ungefär samma storlek som vintergatan -

hundra miljarder stjärnor i varje plump.

Det finns ungefär hundra miljarder galaxer

i det synliga universum.

100 miljarder är det enda nummer man behöver känna till.

Universums ålder mellan nu och Big Bang

är ett hundra miljarder i hundår.

(Skratt)

Vilket säger något om vår plats i universum.

Det är lätt att beundra en sådan här bild.

Det är väldigt vackert.

Jag har ofta undrat vilka evolutionära påtryckningar

som fick våra förfäder att anpassa sig och utvecklas

att verkligen njuta av bilder av galaxer

när de inte hade några.

Men vi vill också förstå det.

Som kosmolog vill jag fråga, varför är universum så här?

En stor ledtråd är att universum förändras med tiden.

Om du tittade på en av dessa galaxer och mätte dess hastighet,

skulle den röra sig bort från dig.

Och ser du på en galax ännu längre bort

skulle den röra sig bortåt snabbare.

Så vi säger att universum expanderar.

Det innebär förstås att i det förflutna

var saker mycket närmare varandra.

Förr i tiden var universum mycket tätare

och mycket hetare.

Pressar du ihop saker stiger temperaturen.

Det låter vettigt.

Det som inte låter lika vettigt

är att universum i början, nära Big Bang,

också var väldigt, väldigt utjämnat.

Du kanske tror att det inte är förvånande.

Luften i det här rummet är väldigt utjämnad.

Du kanske säger, "Nå, kanske jämnade saker bara ut sig".

Men förhållandena nära Big Bang är väldigt, väldigt annorlunda

från luftens förhållanden i det här rummet.

Särskilt att saker var mycket tätare.

Sakers gravitationella dragningskraft

var mycket starkare nära Big Bang.

Vad du måste tänka på är

att vi har ett universum med hundra miljarder galaxer,

var och en med hundra miljarder stjärnor.

I början var dessa hundra miljarder galaxer

sammanpressade i ett ungefär så här stort område -

bokstavligen.

Och du måste föreställa dig att pressa ihop det

utan skavanker,

utan några små fläckar

där det fanns några fler atomer än någon annanstans.

Hade det funnits skulle de kollapsat under gravitationskraften

och bildat ett svart hål.

Att hålla universum väldigt, väldigt jämnt i början

är inte lätt, det är ett ömtåligt arrangemang.

Det är en ledtråd

att det tidiga universum inte är ett slumpmässigt val.

Någonting gjorde att det blev så.

Vi vill gärna veta vad.

En del av vår förståelse fick vi av Ludwig Boltzmann,

en österikisk fysiker på 1800-talet.

Boltzmanns bidrag var att han hjälpte oss att förstå entropi.

Ni har hört talas om entropi.

Det är det slumpmässiga, oordnade och kaotiska i vissa system.

Boltzmann gav oss en formel -

inristad på hans gravsten -

som verkligen kvantifierar vad entropi är.

Och den säger i stort sett bara

att entropi är det antal sätt

vi kan arrangera om delarna av ett system så att du inte märker det,

så att det makroskopiskt sett ser likadant ut.

Om ni tar luften i det här rummet,

så märker ni inte av varje enskild atom.

En konfiguration med låg entropi

är en där det endast finns ett fåtal arrangemang som ser ut på det sättet.

En konfiguration med hög entropi

är ett där det finns många arrangemang som ser ut på det sättet.

Det är en insikt av avgörande vikt

för den hjälper oss förstå

termodynamikens andra lag -

lagen som säger att entropin ökar i universum,

eller i en isolerad bit av universum.

Orsaken till att entropin ökar

är helt enkelt att det finns många fler sätt

att vara hög entropi än låg entropi.

Det är en fantastisk insikt,

men den utelämnar någonting

Insikten att entropin ökar är förresten

det som ligger bakom vad vi kallar tidens pil,

skillnaden mellan det förflutna och framtiden.

Varje skillnad som finns

mellan förflutet och framtid

beror på att entropin ökar -

att du kommer ihåg det förflutna men inte framtiden.

Det faktum att du föds, lever och sedan dör,

alltid i den ordningen,

beror på att entropin ökar.

Boltzmann förklarade att om du börjar med låg entropi,

så är det väldigt naturligt att den ökar,

då det finns fler sätt att vara hög entropi.

Vad han inte förklarade

var varför entropin var låg till att börja med.

Det faktum att entropin i universum var låg

var en återspegling av det faktum

att det tidiga universum var väldigt, väldigt utjämnat.

Vi vill förstå det.

Det är vårt jobb som kosmologer.

Tyvärr är det ett problem

som vi inte ägnat tillräcklig uppmärksamhet.

Det är inte det första någon skulle säga

om du frågade en modern kosmolog,

"Vilka problem tittar ni på?"

En av de som förstod att det var ett problem

var Richard Feynman.

För 50 år sedan gav han en rad olika föreläsningar.

Han gav de allmänna föreläsningar

som blev "The Character of Physical Law" (De fysiska lagarnas karaktär).

Han gav föreläsningar för studenterna vid Caltech

som blev "The Feynman Lectures on Physics" (Feynmans fysikföreläsningar)

Han gav föreläsningar för doktorander vid Caltech

som blev "The Feynman Lectures on Gravitation" (Feynmans gravitationsföreläsningar)

I var av dessa böcker, i var av dessa föreläsningsserier

betonade han detta problem:

Varför hade det tidiga universum så låg entropi?

Så han säger - jag tänker inte göra dialekten -

han säger, "Av någon anledning hade universum vid en tidpunkt

väldigt låg entropi i förhållande till sitt energiinnehåll,

och sedan dess har entropin ökat.

Tidens pil kan inte till fullo förstås

förrän mysteriet med begynnelsen av universums historia

har vidare reducerats

från spekulation till förståelse."

Så det är vårt jobb.

Vi vill veta - det här är för 50 år sedan, så ni tänker

"Vi har säkert förstått det vi det här laget."

Vi har inte förstått det vid det här laget.

Anledningen till att problemet blivit värre,

snarare än bättre,

är för att vi 1998

lärde oss någonting väsentligt om universum som vi inte kände till tidigare.

Vi lärde oss att det accelererar.

Universum inte bara expanderar.

Om du ser på galaxen, den rör sig bort.

Om du kommer tillbaka en miljard år senare och tittar igen,

så rör den sig bort snabbare.

Individuella galaxer far iväg från oss allt fortare.

Så vi säger att universum accelererar.

Till skillnad från den låga entropin i det tidiga universum,

även om vi inte har svaret,

så har vi åtminstone en bra teori som kan förklara det,

om den teorin stämmer,

och det är teorin om mörk materia.

Det är förställningen att tomma rymden i sig har energi.

I varje kubikcentimeter av rymd,

oavsett om det finns något där eller inte,

oavsett om det finns partiklar, materia, strålning eller vadsomhelst,

så finns det fortfarande energi, i själva rymden i sig.

Och denna energi utövar, enligt Einstein,

ett tryck på universum.

Det är en oavbruten impuls

som trycker bort galaxerna från varandra.

För mörk energi, till skillnad från materia eller strålning,

tunnas inte ut när universum expanderar

Mängden energi i varje kubikcentimeter

förblir den samma,

även om universum blir större och större.

Detta medför avgörande konsekvenser

för vad universum kommer göra i framtiden.

För det första kommer universum att expandera för alltid.

När jag var i er ålder

visste vi inte vad universum skulle göra.

Somliga trodde att universum skulle kollapsa i framtiden.

Einstein var anhängare av den idén.

Men finns det mörk energi och den inte försvinner

så kommer universum att expandera för alltid.

14 miljarder år i det förflutna,

100 miljarder hundår,

men ett oändligt antal år in i framtiden.

Samtidigt, när allting kommer kring,

ser rymden ändlig ut för oss.

Rymden kan vara ändlig eller oändlig

men i och att universum accelererar

finns det delar vi inte kan se

och aldrig kommer att se.

Vi har tillgång till en avgränsad region av rymden

omgärdad av en horisont.

Så även om tiden fortsätter för alltid

så är rymden begränsad för oss.

Och slutligen har tomma rymden en temperatur.

På 70-talet förklarade Stephen Hawking

att ett svart hål, även om du tror att det är svart,

faktiskt avger strålning

när man tar med kvantmekaniken i beräkningarna.

Rumtidens krökning kring ett svart hål

väcker de kvantmekaniska fluktuationerna till liv,

och det svarta hålet strålar.

En likadan beräkning av Hawking och Gary Gibbons

visade att, om du har mörk energi i tomma rymden,

så strålar hela universum.

Energin i den tomma rymden

väcker kvantfluktuationer till liv.

Så även om universum varar för alltid,

och vanlig materia och strålning tunnas ut och försvinner,

så kommer det för alltid att finnas strålning

och fluktuationer i temperatur

även i tomma rymden.

Så det här betyder

att universum är som en gasbehållare

som varar för alltid.

Vad får det för konsekvenser?

Konsekvenserna studerades av Boltzmann på 1800-talet.

Han sa att entropin ökar

på grund av att det finns väldigt många fler sätt

för universum att ha hög entropi än låg entropi.

Men det är en fråga om sannolikhet.

Det kommer sannolikt att öka

och sannolikheten är enormt hög.

Det är inget ni behöver oroa er över -

att luften i det här rummet samlas i en del och kväver oss.

Det är väldigt, väldigt osannolikt.

Men hade de låst dörrarna

och hållt kvar oss, bokstavligen, för alltid

hade det hänt.

Allt som är tillåtet,

varje konfiguration av molekyler som är tillåten

skulle till slut uppstå.

Så Boltzmann säger att du kan börja med ett universum

med termisk jämvikt.

Han kände inte till Big Bang eller universums expansion.

Han trodde att rum och tid förklarades av Isaac Newton -

de var absoluta - de stannade där för alltid.

Så hans föreställning om ett naturligt universum

var ett där luftmolekyler var utsprida överallt -

allting molekylerna.

Men väntar du tillräckligt länge

kommer molekylernas slumpmässiga fluktuationer

ibland leda till

en lägre entropi tillstånd.

För att sedan, i enlighet med den naturliga ordningen,

åter expandera.

Entropi måste alltså inte öka -

man kan få fluktuationer ner till lägre entropi,

mer organiserade tillstånd.

Men, om det är sant...

Boltzmann fortsätter sedan att utveckla

två modernt klingande idéer -

multiversum och den antropiska principen.

Problemet med termisk jämvikt

är att vi inte kan leva där.

Glöm inte att livet i sig är beroende av tidens pil.

Vi skulle inte klarat av informationshantering

metabolism, att gå och tala,

ifall vi levde i termisk jämvikt.

Så om du föreställer dig ett väldigt stort universum,

ett oändligt stort universum,

med partiklar som slumpmässigt krockar med varandra,

så kommer det ibland uppstå lägre entropitillstånd

som sedan återgår till normalläge.

Men det kommer också finnas stora fluktuationer.

Då och då skapas en planet

eller en stjärna eller en galax

eller hundra miljarder galaxer.

Så Boltzmann säger:

- Vi kommer endast existera i den del av multiversum,

i den del av det oändliga hav av fluktuerande partiklar,

där liv är möjligt.

Det är den region där entropin är låg.

Kanske är vårt universum bara en sådan sak

som händer lite då och då.

Er hemläxa blir

att verkligen fundera på vad det här betyder.

Carl Sagan sa en gång

"För att göra en äppelkaka

måste du först uppfinna universum."

Men han hade fel.

I Boltzmanns scenario gör du en äppelkaka

genom att bara vänta på att atomernas slumpmässiga rörelser

ska skapa en äppelkaka.

Det kommer hända oftare

än att atomernas slumpmässiga rörelse

ger dig en äppelodling,

lite socker och en spis,

och sedan ger dig en äppelkaka.

Så det här scenariot gör förutsägelser.

Och förutsägelserna är

att fluktuationerna som skapar oss är minimala.

Även om du föreställer dig att det här rummet

existerar på riktigt och att vi är här,

och att vi har, inte bara våra minnen,

utan våra intryck av att det finns någonting utanför

som heter Caltech och USA och Vintergatan,

så är det mycket enklare att de intrycken fluktuerar in i din hjärna

än att fluktuationerna faktiskt skapar

Caltech, USA och Vintergatan.

Den goda nyheten är att

detta scenario därför inte fungerar - det stämmer inte.

Det förutsäger att vi borde vara en minimal fluktuation.

Även om man utelämnar vår galax

får man inte hundra miljarder andra galaxer.

Och Feynman förstod också detta.

Feynmann säger, "utifrån hypotesen att världen är en fluktuation,

säger alla förutsägelser att

vi, ifall vi tittar på en ny del av världen,

finner den utblandad och inte som den del vi nyss tittade på -

hög entropi.

Om vår ordning berodde på fluktuationer

skulle vi inte förvänta oss ordning någon annanstans än var vi just funnit det.

Vi drar därför slutsatsen att universum inte är en fluktuationer."

Bra. Frågan är då vilket det rätta svaret är?

Om universum inte är en fluktuation,

varför hade det tidiga universum låg entropi?

Jag hade gärna talat om det för er, men jag har ont om tid.

(Skratt)

Här är universum så som vi talar om det

mot universum så som det verkligen är.

Jag visade er den här bilden.

Universum har expanderat i 10 miljarder år.

Det svalnar.

Men vi vet tillräckligt om universums framtid

för att säga mycket mer.

Om den mörka energin finns kvar

kommer stjärnorna bränna allt sitt kärnbränsle och sluta brinna.

De kommer falla ner i svarta hål.

Vi kommer se ett universum

med endast svarta hål.

Det universum kommer vara 10 upphöjt till 100 år -

mycket längre än vårt lilla universum.

Framtiden är mycket längre än det förflutna.

Men inte ens svarta hål varar för alltid.

De kommer avdunsta,

och endast tomma rymden återstår.

Den tomma rymden vara i stort sett för alltid.

Men, märk väl, att då den tomma rymden avger strålning,

finns det faktiskt termisk fluktuation,

och den cirkulerar

genom alla de olika möjliga kombinationer

som är möjliga i tomma rymden.

Så även om universum varar för alltid

finns det ett begränsat antal saker

som kan hända i universum.

De händer alla över en period

motsvarande 10 upphöjt till 10 upphöjt till 120 år.

Här är två frågor till er.

Nummer ett: Om universum varar i 10 upphöjt till 10 upphöjt till 120 år,

varför är vi födda

under de första 14 miljarder åren,

i den varma behagliga efterglöden av Big Bang?

Varför finns vi inte i tomma rymden?

Du kan svara, "För det finns inget levande där,"

men det stämmer inte.

Du kunde vara en slumpmässig fluktuation från tomrummet.

Varför är du inte det?

Mer hemläxor.

Som jag sa så har jag inte inte svaret.

Ni ska få mitt favorit scenario.

Antingen är det bara så. Det finns ingen förklaring.

Det är ett kallt faktum om universum

som du måste lära dig acceptera och sluta fråga.

Eller så är kanske Big Bang

inte begynnelsen av universum.

Ett icke krossat ägg är en låg entropikonfiguration,

men ändå öppnar vi inte våra kylskåp

och utbrister "Oj så överraskande att hitta

denna låga entropikonfiguration i vårt kylskåp."

Det beror på att ett ägg inte är ett slutet system -

det kommer från en höna.

Kanske kommer universum från en kosmisk höna.

Kanske finns det något som naturligt,

genom de fysiska lagarnas utveckling,

ger upphov till universum likt vårt

i låga entropi konfigurationer.

Är det sant händer det mer än en gång -

då är vi del av ett mycket större multiversum.

Det är mitt favorit scenario.

Organisatörerna bad mig avsluta med en vild spekulation.

Min vilda spekulation

är att historien kommer ge mig rätt.

Om 50 år kommer

alla mina nuvarande vilda idéer accepteras som sanningar

av allmänheten och det vetenskapliga gemenskapen.

Vi kommer alla att anse att vårt lilla universum

endast är en liten del av ett mycket större multiversum.

Och vi kommer förstå vad som hände vid Big Bang

i form av en teori

som vi kan jämföra med observationer.

Det är en förutsägelse. Jag kan ha fel.

Men det mänskliga släktet har funderat

på hur universum är

och det kom att bli så som det är, under många, många år.

Det är spännande att föreställa sig att vi till slut en dag kommer ha svaret.

Tack.

(Applåder)