V roce 1981, mnoho světových kosmologů se sešli na Papežské Akademie Věd, pozůstatek spolu linií vědy a teologie se nachází v elegantní vile v zahradách Vatikánu. Stephen Hawking si vybral srpna nastavení představit, co by se později považují za jeho nejdůležitější myšlenky: návrh o tom, jak vesmír mohl vzniknout z ničeho.,
Před Hawking mluvit, všechny kosmologické příběhy původu, vědecký nebo teologický, pozval repliku, „to, Co se stalo před tím?“The Big Bang theory, například — propagoval 50 let, než Hawking je přednáška Belgický fyzik a Katolický kněz Georges Lemaître, který později sloužil jako prezident Vatikánské akademie věd — přetočí rozpínání vesmíru zpět do horké, husté svazek energie. Ale odkud pochází počáteční energie?
Teorie velkého třesku měla jiné problémy., Fyzici pochopili, že rozšiřující se svazek energie vyroste spíše do zmačkaného nepořádku než do obrovského, hladkého vesmíru, který moderní astronomové pozorují. V roce 1980, rok před Hawking mluvit, kosmolog Alan Guth si uvědomil, že Velký Třesk problémy by mohla být stanovena s add-on: počáteční, exponenciální růst spurt známý jako kosmické inflace, což by způsobilo, že by vesmír obrovský, hladký a rovný, než gravitace měl šanci zničit. Inflace se rychle stala vedoucí teorií našeho kosmického původu., Přesto zůstala otázka počátečních podmínek: jaký byl zdroj nepatrné náplasti, která údajně pronikla do našeho vesmíru, a potenciální energie, která ji nafoukla?
Hawking ve své brilanci viděl způsob, jak ukončit nekonečné tápání dozadu v čase: navrhl, že neexistuje žádný konec, nebo začátek, vůbec., Podle záznamu z Vatikánu konference, Cambridge fyzik, pak 39 a stále je schopen mluvit s jeho vlastní hlas, řekl davu, „Tam by měl být něco velmi zvláštního o okrajové podmínky vesmíru, a co může být lepší než ten stav, který tam je žádné hranice?“
„ne-hranice návrh“, který Hawking a jeho časté spolupracovníka, James Hartle, plně formulován v roce 1983 papíru, představuje vesmír má tvar pérák., Stejně jako pérák má průměr nula na jeho nejspodnější bod a postupně se rozšiřuje na cestě nahoru, vesmír, podle ne-hranice návrh, plynule rozšířila z bodu o nulové velikosti. Hartle a Hawking odvodil vzorec popisující celý pérák — tzv. „vlnové funkce vesmíru“, který zahrnuje minulost, současnost a budoucnost najednou — což diskutabilní všechny rozjímání semena stvoření, stvořitel, nebo jakýkoliv přechod z doby předtím.,
„Ptát se co bylo před Velkým Třeskem, je nesmyslné, podle ne-hranice návrh, protože tam není žádný pojem o čase k dispozici,“ Hawking řekl, že v další přednášce na Pontifikální Akademii v roce 2016, rok a půl před jeho smrtí. „Bylo by to jako ptát se, co leží jižně od jižního pólu.“
Hartleův a Hawkingův návrh radikálně rekonceptualizoval čas., Každý okamžik, ve vesmíru se stává průřez pérák, zatímco my vnímáme vesmír jako rozšiřující a vyvíjející se od jednoho okamžiku k druhému, čas opravdu skládá z korelace mezi vesmírem je velikost v každém průřezu a další vlastnosti, zejména její entropie, nebo poruchy. Entropie se zvyšuje z korku na peří a zaměřuje se na vznikající šipku času. V blízkosti zaobleného dna raketoplánu jsou však korelace méně spolehlivé; čas přestává existovat a je nahrazen čistým prostorem., Jak Hartle, nyní 79 a profesor na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, to nedávno telefonicky vysvětlili: „neměli jsme ptáky ve velmi raném vesmíru; máme ptáky později. … Neměli jsme čas v raném vesmíru, ale máme čas později.“
návrh bez hranic fascinoval a inspiroval fyziky téměř čtyři desetiletí. „Je to úžasně krásné a provokativní nápad,“ řekl Neil Turok, kosmolog v Perimeter Institute for Theoretical Physics ve Waterloo, Kanada, a bývalý spolupracovník Hawking., Návrh představoval první odhad kvantového popisu vesmíru-vlnové funkce vesmíru. Brzy se celé pole, kvantové kosmologie, vyskočil jako vědci vymysleli alternativní představy o tom, jak vesmír mohl vzniknout z ničeho, analyzovat teorie, různé předpovědi a způsoby, jak testovat je, a interpretovat jejich filozofický význam. Bezhraniční vlnová funkce podle Hartla „byla v některých ohledech nejjednodušším možným návrhem.,“
Ale před dvěma lety, papír Turok, Práci Feldbrugge Obvodu Ústav, a Jean-Luc Lehners Maxe Plancka pro Gravitační Fyziku v Německu nazývá Hartle-Hawking návrh na otázku. Návrh je, samozřejmě, pouze životaschopné, kdyby vesmír, že křivky z bezrozměrný bod v cestě Hartle a Hawking si představovala přirozeně roste do vesmíru, jako je ten náš. Hawking a Hartle tvrdili, že skutečně ano-že vesmíry bez hranic budou mít tendenci být obrovské, úžasně hladké, působivě ploché a rozšiřující se, stejně jako skutečný vesmír., „Problém se Stephenem a Jimovým přístupem je, že byl nejednoznačný,“ řekl Turok – “ hluboce nejednoznačný.“
V jejich 2017 papír, publikoval ve Physical Review Letters, Turok a jeho spoluautoři přiblížil Hartle a Hawking je ne-hranice návrh nové matematické techniky, které, podle jejich názoru, aby jeho předpovědi mnohem více betonu, než předtím. „Zjistili jsme, že to prostě nešťastně selhalo,“ řekl Turok. „Prostě nebylo možné, aby vesmír začal tak, jak si představovali.,“Trio zkontrolovat své matematické a dotazovány na jejich základní předpoklady, než jít na veřejnost, ale „bohužel“ Turok řekl, „se mi to zdálo být nevyhnutelné, že Hartle-Hawking návrh byl katastrofa.“
papír vyvolal kontroverzi. Další odborníci namontované aktivní obrany č.-hranice nápad a vyvracení Turok a kolegů uvažování. „Nesouhlasíme s jeho technickými argumenty,“ řekl Thomas Hertog, fyzik na Katolické Univerzitě v Lovani v Belgii, který úzce spolupracoval s Hawking za posledních 20 let jeho života., „Ale zásadněji nesouhlasíme také s jeho definicí, jeho rámcem, výběrem principů. A to je o to zajímavější diskuse.“
po dvou letech sparringu sledovaly skupiny svůj technický nesouhlas s rozdílnými přesvědčeními o tom, jak příroda funguje. Vyhrocená — přesto přátelská-debata pomohla upevnit myšlenku, že většina lechtala hawkingovu fantazii., I kritici jeho a Hartle je konkrétní vzorec, včetně Turok a Lehners, jsou crafting konkurenční kvantové kosmologické modely, které se snaží, aby se zabránilo údajné úskalí originálu při zachování jeho bezmezné šarm.
Zahradní Kosmického Lahůdky
Hartle a Hawking viděl hodně navzájem od 1970 na, obvykle, když se setkali v Cambridge za dlouhou dobu spolupráce. Teoretické zkoumání černých děr a tajemných singularit v jejich centrech je obrátilo na otázku našeho kosmického původu.,
v roce 1915 Albert Einstein zjistil, že koncentrace hmoty nebo energie deformují strukturu časoprostoru a způsobují gravitaci. V roce 1960, Hawking a Oxford University fyzik Roger Penrose ukázal, že když časoprostoru ohýbá dost strmě, jako je uvnitř černé díry, nebo možná během Velkého Třesku, to nevyhnutelně zhroutí, zakřivení nekonečně strmě směrem k singularitě, kde Einsteinovy rovnice rozebrat a nové, kvantové teorii gravitace je potřeba. Penrose-Hawking „singularity věty“ znamenalo, že neexistuje žádný způsob, jak prostor-čas začít hladce, nedramaticky v bodě.,
Hawking a Hartle byli tedy vedeni k zamyšlení nad možností, že vesmír začal jako čistý prostor, spíše než dynamický časoprostor. A to je vedlo k geometrii raketoplánu. Definovali funkci bezhraniční vlny popisující takový vesmír pomocí přístupu vynalezeného Hawkingovým hrdinou, fyzikem Richardem Feynmanem. V roce 1940 Feynman vymyslel schéma pro výpočet nejpravděpodobnějších výsledků kvantových mechanických událostí., Předvídat, říkají, že nejpravděpodobnější výsledky srážce částic, Feynman zjistil, že byste mohli sečíst všechny možné cesty, které srážející se částice může trvat, vážení přímočaré cesty více než spletitý ty, které v součtu. Výpočet tohoto „path integral“ vám dává vlnovou funkci: rozdělení pravděpodobnosti označující různé možné stavy částic po kolizi.
podobně Hartle a Hawking vyjádřili vlnovou funkci vesmíru-která popisuje jeho pravděpodobné stavy-jako součet všech možných způsobů, které by se z bodu mohly hladce rozšířit., Doufalo se, že součet všech možných „rozšíření historie,“ hladký-dna vesmírů všech různých tvarů a velikostí, by výnos vlnová funkce, která dává vysokou pravděpodobností velký, hladký, plochý vesmír jako je ten náš. Pokud vážený součet všech možných expanzních dějin přinese nějaký jiný druh vesmíru jako nejpravděpodobnější výsledek, návrh bez hranic selže.
problém je v tom, že cesta integrální přes všechny možné historie expanze je příliš složité přesně vypočítat. Nespočet různých tvarů a velikostí vesmírů jsou možné, a každý může být chaotický záležitost., „Murray Gell-Mann se mě ptal,“ řekl Hartle s odkazem na zesnulého fyzika, který získal Nobelovu cenu, “ pokud znáte vlnovou funkci vesmíru, proč nejste bohatí?“Samozřejmě, řešení pro vlnové funkce pomocí Feynmanova metoda, Hartle a Hawking měl výrazně zjednodušit situaci, ignoruje i specifické částice, které obývají náš svět (což znamenalo, že jejich vzorec byl nikde blízko, že je schopen předpovědět akciový trh)., Oni za cestu integrál přes všechny možné hračky vesmírů v „minisuperspace,“ definována jako soubor všech vesmírů s jednotného energetického pole proudí v nich: energie, která poháněla kosmické inflace. (V Hartle a Hawkingův shuttlecock obrázku, že počáteční období ballooning odpovídá rychlému nárůstu průměru v blízkosti dna korku.)
dokonce i výpočet minisuperprostoru je těžké přesně vyřešit, ale fyzici vědí, že existují dvě možné historie rozšíření, které potenciálně dominují výpočtu., Tyto soupeřící tvary vesmíru ukotvují obě strany současné debaty.
soupeřící řešení jsou dvě“ klasické “ expanze historie, že vesmír může mít. Po počátečním spurtu kosmické inflace od velikosti nula se tyto vesmíry neustále rozšiřují podle Einsteinovy teorie gravitace a časoprostoru. Podivnější historie expanze, jako jsou vesmíry ve tvaru fotbalu nebo housenky podobné, se většinou v kvantovém výpočtu ruší.
jedno ze dvou klasických řešení připomíná náš vesmír., Na velkých měřítcích je hladká a náhodně dappled s energií, kvůli kvantovým výkyvům během inflace. Stejně jako v reálném vesmíru tvoří rozdíly hustoty mezi regiony zvonovou křivku kolem nuly. Pokud toto možné řešení skutečně ovládnout vlnové funkce pro minisuperspace, to věrohodně představit, že mnohem podrobnější a přesné verze ne-mezní vlnová funkce může sloužit jako životaschopná kosmologický model skutečného vesmíru.
druhý potenciálně dominantní tvar vesmíru není nic jako realita., Jak se rozšiřuje, energie, která ji zaplavuje, se stále více mění a vytváří obrovské rozdíly v hustotě z jednoho místa na druhé, které se gravitace neustále zhoršuje. Variace hustoty tvoří obrácenou zvonovou křivku, kde se rozdíly mezi regiony nepřibližují nule, ale nekonečnu. Pokud se jedná o dominantní termín ve funkci bez hranic vln pro minisuperspace, pak se zdá, že návrh Hartle-Hawking je špatný.
dvě dominantní historie expanze představují volbu v tom, jak by měl být integrál cesty proveden., Pokud jsou dominantní historie dvě místa na mapě, megacity v říši všech možných kvantových mechanických vesmírů, je otázkou, kterou cestou bychom měli projít terénem. Která dominantní historie expanze a může existovat pouze jedna, by se měla zvednout naše „obrys integrace“? Vědci se vydali různými cestami.
ve svých novinách z roku 2017 se Turok, Feldbrugge a Lehners vydali cestou zahradou možných expanzních dějin, které vedly k druhému dominantnímu řešení., Podle jejich názoru je jediným rozumným obrysem ten, který prohledává skutečné hodnoty (na rozdíl od imaginárních hodnot, které zahrnují čtvercové kořeny záporných čísel) pro proměnnou nazvanou „lapse“.“Lapse je v podstatě výška každého možného vesmíru raketoplánu-vzdálenost, kterou je zapotřebí k dosažení určitého průměru. Chybí kauzální prvek, lapse není úplně náš obvyklý pojem času. Ještě Turok a jeho kolegové argumentují, částečně na základě kauzality, že pouze skutečné hodnoty uplynutí fyzický smysl., A shrnutí vesmírů se skutečnými hodnotami výpadku vede k divoce kolísajícímu, fyzicky nesmyslnému řešení.
„lidé vkládají velkou víru do Stephenovy intuice,“ řekl Turok telefonicky. „Z dobrého důvodu-myslím, že pravděpodobně měl nejlepší intuici kohokoli o těchto tématech. Ale neměl vždycky pravdu.“
Imaginární Vesmíry
Jonathan Halliwellová, fyzik na Imperial College v Londýně, studoval ne-hranice návrh, protože on byl Hawking je student v roce 1980. On a Hartle analyzoval problém obrysu integrace v roce 1990., Podle jejich názoru, stejně jako Hertogova a zřejmě Hawkingova, není obrys zásadní, ale spíše matematický nástroj, který lze využít k největší výhodě. Je to podobné, jak trajektorie planety kolem slunce lze vyjádřit matematicky jako řada úhlů, jako série krát, nebo, pokud jde o některý z několika jiných vhodných parametrů. „Tuto parametrizaci můžete provést mnoha různými způsoby, ale žádná z nich není o nic fyzičtější než jiná,“ řekl Halliwell.,
on a jeho kolegové tvrdí, že v případě minisuperspace mají smysl pouze obrysy, které zachycují dobrou historii expanze. Kvantová mechanika vyžaduje pravděpodobnosti přidat do 1, nebo být „normalizable,“ ale divoce kolísající vesmíru, že Turok je tým přistál na není. Toto řešení je nesmyslné, sužované nekonečnostmi a nepovolené kvantovými zákony-zjevné znaky, podle obránců no-boundary, chodit opačně.
je pravda, že obrysy procházející dobrým řešením shrnují možné vesmíry s imaginárními hodnotami pro jejich proměnné lapse., Ale kromě Turoku a společnosti si jen málo lidí myslí, že je to problém. Imaginární čísla prostupují kvantovou mechanikou. Pro tým Hartle-Hawking se kritici dovolávají falešné představy o kauzalitě a požadují, aby byl tento výpadek skutečný. „To je princip, který není napsán ve hvězdách a se kterým hluboce nesouhlasíme,“ řekl Hertog.
Podle Hertog, Hawking zřídka zmínil cestu integrální formulace ne-mezní vlnová funkce v jeho pozdějších letech, částečně kvůli nejasnosti kolem výběru obrysu., On za to, že normalizable rozšíření historie, která cesta nedílnou měl jen pomohl odhalit, jak řešení pro více základní rovnice o vesmíru, které představuje v roce 1960, které fyzikové John Wheeler a Bryce DeWitt. Wheeler a DeWitt — po dumání nad otázkou během mezipřistání v Raleigh-Durham International — tvrdil, že vlnová funkce vesmíru, ať je to cokoliv, nemůže záviset na čase, protože tam je žádné externí hodiny, podle které chcete měřit., A tak množství energie ve vesmíru, když sečtete pozitivní a negativní příspěvky hmoty a gravitace, musí zůstat navždy na nule. Funkce no-boundary wave splňuje Wheeler-Dewittovu rovnici pro minisuperspace.
V posledních letech svého života, aby lépe pochopit, vlnové funkce, obecněji, Hawking a jeho spolupracovníci začali použití holografie — trhák nový přístup, který léčí prostor-čas jako hologram., Hawking hledal holografický popis vesmíru ve tvaru raketoplánu, ve kterém by geometrie celé minulosti vyčnívala ze současnosti.
toto úsilí pokračuje v Hawkingově nepřítomnosti. Turok však vidí tento posun v důrazu jako změnu pravidel. Při odklonu od cesty podle něj zastánci myšlenky bez hranic udělali špatně definovanou. To, co studují, už není Hartle-Hawking, podle jeho názoru — ačkoli Hartle sám nesouhlasí.,
Za poslední rok, Turok a jeho Okolí Ústav kolegové Latham Boyle a Kieran Finn se vyvíjí nový kosmologický model, který má mnoho společného s ne-hranice návrhu. Ale místo jednoho míčku, to předpokládá dva, uspořádané korku korku do korku v jakési přesýpacích hodin postavu s časem tekoucí v obou směrech., Zatímco model ještě není natolik rozvinuté, aby se předpovědi, jeho kouzlo spočívá ve způsobu, jakým jeho laloky si uvědomit, CPT symetrie, zdánlivě základních zrcadlo v přírodě, které současně odráží hmoty a antihmoty, vlevo a vpravo, a dopředu a dozadu v čase. Jednou z nevýhod je, že zrcadlové obrazové laloky vesmíru se setkávají v singularitě, špetka v časoprostoru, která vyžaduje, aby neznámá kvantová teorie gravitace pochopila. Boyle, Finn a Turok se bodnou v singularitě, ale takový pokus je ze své podstaty spekulativní.,
také došlo k oživení zájmu o „tunelování návrh,“ alternativní způsob, že vesmír mohl vzniknout z ničeho, koncipovaný v 80. letech nezávisle na sobě tím, že rusko-Americké kosmologové Alexander Vilenkin a Andrej Linde. Návrh, který se liší od funkce bez hranic vln především prostřednictvím znaménka mínus, vrhá narození vesmíru jako kvantovou mechanickou událost „tunelování“, podobně jako když částice vyskočí za bariéru v kvantovém mechanickém experimentu.,
otázky přetékají o tom, jak se různé návrhy protínají s antropickým uvažováním a neslavnou multiverse myšlenkou. Funkce bez hranic vlny, například, upřednostňuje prázdné vesmíry, zatímco významná hmota a energie jsou potřebné k napájení hugeness a složitost. Hawking tvrdil, že rozsáhlé šíření možných vesmírů povolených vlnovou funkcí musí být realizováno v některých větších multivesmírech, v nichž pouze složité vesmíry, jako je ta naše, budou mít obyvatele schopné pozorování., (Nedávná debata se týká toho, zda tyto složité, obyvatelné vesmíry budou hladké nebo divoce kolísavé.) Výhodou tunelování je návrh, že je ve prospěch věci – a energie-naplněné vesmírů, jako je ten náš, aniž by se uchylovat k antropický uvažování — když vesmírů, které tunel do existence může mít jiné problémy.
bez ohledu na to, jak to jde, možná nám zůstane nějaká podstata obrazu Hawking, který byl poprvé namalován na Pontifikální Akademii věd před 38 lety., Nebo snad, místo jižního pólu-jako non-začátek, vesmír se vynořil z singularity koneckonců, náročné jiný druh vlnové funkce úplně. Ať tak či onak, pronásledování bude pokračovat. „Pokud mluvíme o kvantové mechanické teorii, co jiného je najít jiné než vlnovou funkci?“zeptal se Juan Maldacena, významný teoretický fyzik na Institutu pro pokročilé studium v Princetonu v New Jersey, který se většinou vyhýbal nedávnému roztržce., Otázka vlnové funkce vesmíru „je správná otázka,“ říká Maldacena, který, mimochodem, je členem Papežské Akademie. „Ať už hledáme správnou funkci vlny nebo jak bychom měli přemýšlet o vlnové funkci-je to méně jasné.“
Korekce: Tento článek byl revidován na 6. června 2019, seznam Latham Boyle a Kieran Finn jako spolutvůrci CPT-symetrický vesmír nápad.
tento článek byl přetištěn na Wired.com.