Nylig har Stephen Hawkings hovedidee - at universet kunne ha oppstått fra ingenting - blitt utfordret, og kosmologer har måttet velge hvilken side de skal ta. Etter to års konfrontasjon var forskerne enige om at forskjellene deres koker ned til forskjellige syn på hvordan naturen fungerer. Den vennlige debatten bidro til å bevare verdien av Hawkings idé.
I 1981 samlet mange av verdens ledende kosmologer seg ved Pontifical Academy of Sciences, som var vitne til sammensmeltningen av vitenskap og teologi og ligger i en elegant villa i Vatikanets hager. Stephen Hawking valgte augustdag for å presentere det han senere vil kalle sin viktigste idé: hypotesen om at universet kunne ha oppstått av ingenting.
Før Hawkings tale var alle historier av kosmologisk opprinnelse, vitenskapelig eller teologisk, kritikkverdige: "Hva skjedde før det?" For eksempel sier Big Bang-teorien - først foreslått 50 år før Hawkings foredrag av den belgiske fysikeren og den katolske presten Georges Lemaître, som senere fungerte som president for Vatikanets vitenskapsakademi - at før utvidelsen begynte, var universet et hett, tett bunt energi … Men hvor kom den originale energien fra?
Big Bang-teorien hadde andre feil også. Fysikere forsto at den utvidede energibunten heller ville bli til noe krøllet og kaotisk, heller enn til det enorme glatte rommet som moderne astronomer observerer. I 1980, et år før Hawkings tale, innså kosmolog Alan Guth at Big Bangs unøyaktigheter kunne rettes opp med et lite tillegg: en første, eksponentiell pigg i vekst kjent som kosmisk inflasjon som ville gjøre universet enormt, glatt og flatt. før tyngdekraften kunne ødelegge den. Inflasjon ble raskt den ledende teorien for opprinnelsen til kosmos. Og likevel gjensto spørsmålet om hva de opprinnelige forholdene var: hvor ble det bittelille stedet som visstnok svulmet inn i universet vårt, og den potensielle energien som utvidet det fra?
Den praktfulle Hawking fant en måte å få slutt på uendelige forsøk på å se enda lenger inn i fortiden: han antok at det ikke var noen slutt eller begynnelse i det hele tatt. I følge protokollen fra konferansen i Vatikanet, fortalte fysikeren i Cambridge, da 39 år gammel og som fortsatt kunne snakke med sin egen stemme, til publikum: “Det må være noe spesielt i forhold i utkanten av universet, og hva som kan være mer spesielt enn det. en stat der det ikke er noen grense?"
Hawking og James Hartle, som de ofte jobbet sammen med, formulerte endelig sin "grensehypotese" i papiret fra 1983, der de antydet at rommet er formet som en skodde. Akkurat som en skyttelås har en diameter på null på det laveste punktet og gradvis utvides underveis oppover, utvider universet seg, ifølge hypotesen om ingen grenser, fra et punkt med null størrelse. Hartle og Hawking kom med en formel som beskriver hele skyttelbåten - den såkalte "bølgefunksjonen i universet" som omfatter alle fortid, nåtid og fremtid - noe som gjør det meningsløst å søke etter opprinnelsen til skapelse, skaper eller enhver overgang fra en tilstand til en annen i fortiden.
"I samsvar med hypotesen om fravær av grenser, gir det ingen mening å stille spørsmålet om hva som skjedde før Big Bang, siden det ikke er noe tidsbegrep som kan bli et utgangspunkt," sa Hawking under et annet foredrag på Pontifical Academy i 2016, halvannet år før hans død. "Det er som å spørre hva som er sør for Sydpolen."
Hartle-Hawking-hypotesen reviderte tidsbegrepet radikalt. Hvert øyeblikk i universet ble et tverrsnitt av en skyttelukk; mens vi oppfatter universet som utvider og utvikler seg fra øyeblikk til øyeblikk, består tiden faktisk av korrelasjoner mellom størrelsen på universet i hver seksjon og andre egenskaper - spesielt dets entropi eller forstyrrelse. Entropien øker fra kork til fjær, og retter seg mot tidens nye pil. I nærheten av den avrundede bunnen av skyttelen er korrelasjonene mindre pålitelige. tiden slutter å eksistere og erstattes av rent rom. Hartle, professor ved University of California i Santa Barbara, nå 79 år, kommenterte nylig i en telefonsamtale: “Det var ingen fugler i det tidligste universet; deretter dukket fuglene opp. Det var ingen tid i det tidlige universetog tiden dukket opp."
Salgsfremmende video:
Grensehypotesen har fascinert og inspirert fysikere i nesten førti år. "Det er en fantastisk vakker og provoserende idé," sa Neil Turok, kosmolog ved det kanadiske perimeterinstituttet for teoretisk fysikk i Waterloo og en tidligere Hawking-samarbeidspartner. Hypotesen var det første utkastet til en kvantebeskrivelse av kosmos - universets bølgefunksjon. Snart dukket det opp et helt felt av vitenskap, kvantekosmologi, og forskjellige forskere begynte å tilby alternative ideer for hvordan universet kunne komme fra ingenting, analyserte ulike forutsigelser og måter å teste disse teoriene på, og tolket deres filosofiske implikasjoner. Den uendelige bølgefunksjonen "var på noen måter den enkleste forklaringen på dette," sa Hartle.
Men for to år siden utfordret en artikkel av Turok, Job Feldbrugge fra Perimeter Institute og Jean-Luc Lehners fra Max Planck Institute for Gravitational Physics i Tyskland Hartl-Hawking-hypotesen. Denne hypotesen er selvfølgelig bare levedyktig hvis et univers som dukker opp fra et dimensjonsløst punkt, slik Hartle og Hawking så for seg, naturlig vokser til et univers som vårt. Hawking og Hartl hevdet at dette faktisk er tilfelle: univers uten grenser vil sannsynligvis være enorme, utrolig glatte, imponerende flate og ekspanderende, akkurat som selve kosmos. "Problemet med Stephen og Jims tilnærming er at det var tvetydig," sa Turok, "dypt tvetydig."
I en artikkel fra 2017 i Physical Review Letters, nærmet Turok og hans coauthors Hartle-Hawking ingen grensehypotese med nye matematiske metoder som de mener gjør spådommene hans mye mer spesifikke. enn før. "Vi fant ut at det hadde mislyktes elendig," sa Turok. "Når det gjelder kvantemekanikk, kunne universet rett og slett ikke ha vist seg slik de forestilte seg." De tre forskerne sjekket nøye beregningene og de opprinnelige dataene før de ga ut dem, men "dessverre," sa Turok, "det virket uunngåelig at Hartle-Hawking-forslaget var uegnet."
Det kom ut kontrovers om denne artikkelen. Andre eksperter opprettholdt heftig ideen om ingen grenser og tilbakeviste argumentene til Turok og hans kolleger. "Vi er uenige med hans tekniske argumenter," sa Thomas Hertog, en fysiker ved det katolske universitetet i Leuven i Belgia som jobbet tett med Hawking de siste 20 årene av sitt liv.”Men enda viktigere er vi også uenig i definisjonen, konseptet, metodikken. Dette er hva vi ønsker å krangle med i utgangspunktet”.
Etter to års konfrontasjon var gruppene av forskere enige om at forskjellene deres koker ned til forskjellige syn på hvordan naturen fungerer. En opphetet, men samtidig vennlig debatt bidro til å bevare verdien av ideen som begeistret Hawking. Til og med deres kritikere med Hartl av den spesielle formelen, og inkludert Turok og Lehner, utvikler konkurrerende kvante-kosmologiske modeller, og prøver å unngå de påståtte fallgruvene til originalen, samtidig som de opprettholder sjarmen til ideen om uendelig.
Hagen med kosmiske herligheter
Siden 1970-tallet møttes Hartle og Hawking ofte, vanligvis når de hadde lange samarbeid på Cambridge. Teoretiske studier av sorte hull og mystiske singulariteter ved deres sentre tvang dem til å henvende seg til spørsmålet om opprinnelsen til vårt univers.
I 1915 oppdaget Albert Einstein at konsentrasjoner av materie eller energi deformerer stoffet i romtiden og produserer tyngdekraften. På 1960-tallet beviste fysikeren Hawking og Oxford University Roger Penrose at når romtid bøyer seg skarpt nok, for eksempel inne i et svart hull eller kanskje under Big Bang, kollapser det uunngåelig og bøyer seg uendelig bratt inn i side av singulariteten, der Einsteins ligninger ikke fungerer og en ny, kvanteteori om tyngdekraft er nødvendig. The Penrose-Hawking Singularity Theorems sier at romtid ikke kan oppstå jevnt, uhelt på et tidspunkt.
Dermed funderte Hawking og Hartl på muligheten for at universet oppstod som rent rom i stedet for dynamisk rom-tid. Og dette førte dem til ideen om skyttelukkens geometri. De definerte en grenseløs bølgefunksjon for å beskrive et slikt univers ved hjelp av en tilnærming oppfunnet av Hawkings idolfysiker Richard Feynman. På 1940-tallet utviklet Feynman et opplegg for å beregne de mest sannsynlige utfallene av kvantemekaniske hendelser. Feynman fant ut at for å forutsi de mest sannsynlige resultatene av en kollisjon av partikler, kunne man oppsummere alle mulige stier som kolliderende partikler kunne ferdes, noe som gir rette stier mer betydning enn svingete stier. Beregning av dette "baneintegralet" gir bølgefunksjonen: sannsynlighetsfordelingen,som indikerer de forskjellige mulige tilstandene til partiklene etter kollisjon.
På samme måte presenterte Hartle og Hawking universets bølgefunksjon - og beskrev dets sannsynlige tilstander - som summen av alle mulige stier der det jevnt kunne utvides fra et punkt. De håpet at summen av alle mulige "ekspansjonshistorier", glattbunnet univers i alle former og størrelser, ville produsere en bølgefunksjon som sannsynligvis vil generere et enormt, glatt, flatt univers som vårt. Hvis den vektede summen av alle mulige ekspansjonshistorier er det mest sannsynlige utfallet av et annet univers, er hypotesen uten grenser inkonsekvent.
Problemet er at integralen over alle mulige ekspansjonshistorier er for kompleks til å kunne beregnes nøyaktig. Det er utallige variasjoner i former og størrelser på universer, og hver av dem kan vise seg å være en veldig forvirrende historie. "Murray Gell-Mann pleide å spørre meg," sa Hartle om den avdøde nobelprisvinnende fysikeren, "hvis du kjenner bølgefunksjonen til universet, hvorfor ble du ikke rik?" For å faktisk finne bølgefunksjonen ved å bruke Feynmans metode, måtte Hartl og Hawking selvfølgelig radikalt forenkle situasjonen, og ignorere selv de spesifikke partiklene som bebor vår verden (noe som betydde at formelen deres var veldig langt fra å forutsi aksjemarkedene). De mente at banen er integrert for alle mulige leketøyunivers i "mini-superspace",det vil si i aggregatet av alle universer med et enkelt energifelt som passerer gjennom dem: energien som ga næring til kosmisk inflasjon. (I Hartle-Hawking-skyttelås tilsvarer denne første utvidelsesperioden en rask økning i diameter ved bunnen av pluggen.)
Selv minisuperspace er vanskelig å beregne nøyaktig, men fysikere vet at det er to mulige ekspansjonshistorier som kan være de mest sannsynlige resultatene av disse beregningene. Disse konkurrerende formene for universet tilsvarer to sider av den aktuelle debatten.
Disse to konkurrerende teoriene representerer to "klassiske" historier om utvidelsen av universet som kunne ha funnet sted. Etter en første utbrudd av størrelse null kosmisk inflasjon, utvides disse universene jevnlig i samsvar med Einsteins teori om tyngdekraft og romtid. Mer komplekse ekspansjonshistorier, som fotballball og larveunivers, blir i stor grad negert med kvanteberegning.
En av de to klassiske løsningene ligner vårt univers. I større skala er den jevn, og energi er tilfeldig spredt gjennom det på grunn av kvantumsvingninger under inflasjonen. Som i det virkelige universet, danner tetthetsforskjellene mellom dets forskjellige regioner en Gaussisk kurve nær null. Hvis denne mulige løsningen faktisk er den mest sannsynlige når du beregner bølgefunksjonen for minisuperspace, er det mulig å forestille seg at en mye mer detaljert og nøyaktig versjon av den uendelige bølgefunksjonen kan tjene som en levedyktig kosmologisk modell av det virkelige universet.
En annen potensielt dominerende form av universet er slett ikke som det ekte. Når den utvides, varierer energien som fyller den mer og mer kraftig, og skaper enorme tetthetsgradenter fra et sted til et annet, og tyngdekraften øker stadig. Tetthetsendringer danner en omvendt gaussisk kurve, der forskjeller mellom regioner nærmer seg uendelig, snarere enn null. Hvis dette er det dominerende begrepet i den uendelige bølgefunksjonen for minisuperspace, kan Hartle-Hawking-forslaget virke galt.
To dominerende ekspansjonshistorier tvinger oss til å velge hvordan banen integreres skal utføres. Hvis de dominerende historiene er to steder på et kart, megasiteter i riket til alle mulige kvantemekaniske universer, er spørsmålet hvilken bane vi skal ta gjennom disse landene. Hvilken dominerende ekspansjonshistorie, og det kan bare være en, bør vår "integrasjonskontur" velge? Forskere har allerede brent forskjellige veier.
I en artikkel fra 2017 tok Turok, Feldbrugge og Lehner en sti gjennom hagen til mulige ekspansjonshistorier som førte dem til en annen dominerende beslutning. Etter deres mening er den eneste sane konturen en som ser på virkelige verdier (i motsetning til imaginære verdier, som inkluderer kvadratrotene til negative tall) for en variabel som kalles "avstand." I utgangspunktet er avstanden høyden til hvert mulig shuttlecock-univers, avstanden der det når en viss diameter. Siden avviket ikke har noe utgangspunkt, passer det ikke i vår tidsforståelse. Ikke desto mindre refererer Turok og hans kolleger delvis i sin begrunnelse til årsakssammenheng, og hevder at fysiske betydninger bare har reelle verdier av intervallet. Og summering over universer med reelle verdier av denne variabelen fører til en løsning som er svært ustabil og meningsløs fra fysikkens synspunkt.
"Folk legger mye pris på Stevens intuisjon," sa Turok over telefonen. “Av åpenbare grunner - jeg mener, han hadde sannsynligvis den beste intuisjonen i disse sakene. Men han hadde ikke alltid rett."
Fantasiøse verdener
Jonathan Halliwell, fysiker ved Imperial College London, har studert hypotesen uten grenser siden han studerte hos Hawking på 1980-tallet. Sammen med Hartl analyserte de spørsmålet om kontur av integrasjon i 1990. Fra deres synspunkt, så vel som fra Hertog og tilsynelatende Hawking, er konturen ikke grunnleggende, men snarere det matematiske verktøyet som gir mest fordeler. På samme måte kan banen til en planet rundt solen fremstilles matematisk som en serie vinkler, som en serie ganger, eller som en av flere andre praktiske parametere. "Du kan gjøre denne parameterestimeringen på mange måter, men ingen av dem er mer fysiske enn den andre," sa Halliwell.
Han og kollegene hevder at det i tilfelle av minisuperspace bare er skisseringer som fanger riktig ekspansjonshistorie. Kvantemekanikk krever sannsynligheter for å legge opp til 1 eller være "normaliserbar", men det svært ustabile universet som Turoks team kom til er ikke. Denne avgjørelsen er meningsløs, lider av uendelighet og overholder ikke kvantelovgivningen - ifølge talsmenn for ikke-grensehypotesen indikerer dette tydelig behovet for å gå den andre veien.
Det er sant at konturene som passerer gjennom den riktige løsningen oppsummerer de mulige universene med de imaginære verdiene til deres variabler. Men bortsett fra Turok og selskap, er det få som anser dette for et problem. Fantasiøse tall gjennomsyrer kvantemekanikken. Kritikere av Hartle-Hawking-teamet siterer en misforståelse av årsakssammenheng ved å kreve at "intervallet" er reelt. "Dette er et prinsipp som ikke er ordinert av himmelen, og som vi er dypt uenige i," sier Hertog.
Hertog sier at Hawking sjelden har nevnt den integrerte formen for banen til den uendelige bølgefunksjonen de siste årene, delvis på grunn av tvetydighet i valg av kontur. Han så på den normaliserte ekspansjonshistorien, som nylig ble oppdaget ved bruk av den integrerte banen, som en løsning på en mer grunnleggende ligning av universet, som ble stilt på 1960-tallet av fysikerne John Wheeler og Bryce DeWitt. Wheeler og DeWitt, etter å ha fundert på dette spørsmålet mens de stoppet ved Raleigh-Durham International Airport, argumenterte for at bølgefunksjonen til universet, uansett hva det måtte være, ikke kan være tidsavhengig, siden det ikke er noen ekstern klokke som det kan være måle. Derfor må energimengden i universet når du legger opp de positive og negative bidragene fra materie og tyngdekraft alltid forbli null. Den ubegrensede bølgefunksjonen tilfredsstiller Wheeler-DeWitt-ligningen for minisuperspace.
I de siste årene av Hawkings liv begynte han og hans medarbeidere å bruke holografi, en ny blockbuster-tilnærming som ser på romtid som et hologram, for bedre å forstå bølgefunksjonen som helhet. Hawking søkte en holografisk beskrivelse av universet i form av en skyttelokk, der geometrien til hele fortiden ville bli projisert fra i dag.
Denne innsatsen fortsetter i Hawkings fravær. Men tyrkerne ser denne vektforskyvningen som en endring i reglene. I følge ham og nektet å formulere banen integrert, gjorde tilhengerne av modellen uten grenser den dårlig definert. Etter hans mening er det de studerer ikke lenger Hartle-Hawking-modellen, selv om Hartl selv ikke er enig i dette.
I løpet av det siste året har Turok og hans kolleger fra Perimeter Institute Latham Boyle og Kieran Finn utviklet en ny kosmologisk modell som har mye til felles med den grenseløse modellen. Men i stedet for en skyttelbuss, består den av to timeglassformede korker der tiden flyter i begge retninger. Selv om modellen ennå ikke er tilstrekkelig utviklet til å forutsi noe, ligger dens skjønnhet i det faktum at kronbladene implementerer CPT-symmetri, tilsynelatende et grunnleggende naturlig speil som samtidig reflekterer materie og antimaterie, venstre og høyre, så vel som fremover og tilbake i tid. En av ulempene er at kronbladene i speilbildet av universet forekommer i entall, i rom-tid,som krever forståelse av den ukjente kvanteteorien om tyngdekraft. Boyle, Finn og Turok satser på singulariteten, men dette forsøket er spekulativt.
Det er også en gjenoppblomstring av interesse for "tunnelmodellen", et alternativt syn på universets opprinnelse ut av ingenting, utviklet på 1980-tallet av uavhengige russisk-amerikanske kosmologer Alexander Vilenkin og Andrey Linde. Modellen, som skiller seg fra den uendelige bølgefunksjonen hovedsakelig av minustegnet, anser fødselen av universet som en kvantemekanisk "tunneling" -hendelse, som ligner på når en partikkel flyter bak en barriere i et kvantemekanisk eksperiment.
Det er mange spørsmål om hvordan de forskjellige modellene forholder seg til antropisk resonnement og den beryktede ideen om en multiverse. For eksempel favoriserer en uendelig bølgefunksjon tomme universer, mens et enormt komplekst univers krever betydelige mengder materie og energi. Hawking hevdet at et stort utvalg av mulige universer som passer inn i bølgefunksjonen, må realiseres i noen større multiverser, hvor bare så komplekse universer som våre vil ha innbyggere som kan observere. (Nyere kontrovers dreier seg om spørsmålet om disse komplekse beboelige universene vil være glatte eller svært svingende.) Fordelen med tunnelmodellen er at den favoriserer universer fylt med materie og energi.som vår, er det ingen grunn til å ty til antropisk resonnement - selv om universer som tunneler seg til eksistens kan ha andre problemer.
Uansett hva som skjer, vil kanskje noe av essensen i maleriet, først malt av Hawking ved Pontifical Academy of Sciences for 38 år siden, fortsatt være. Eller kanskje i stedet for en ikke-begynnelse som Sydpolen, har universet dukket opp fra singulariteten, og det kreves en helt annen type bølgefunksjon. Uansett vil søket fortsette. "Hvis vi snakker om kvantemekanisk teori, hva annet kan du finne i tillegg til bølgefunksjonen?" spurte Juan Maldacena, en fremtredende teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, som stort sett har holdt seg utenfor kontroversene nylig. I følge Maldacena, som forresten er medlem av Pontifical Academy, er spørsmålet om universets bølgefunksjon "det riktige spørsmålet." “Finner vi riktig bølgefunksjon,eller hvordan vi skal forestille oss at bølgefunksjonen ikke er så klar lenger."
Natalie Wolchover
