I 1981, og mange af verdens førende kosmologer, der indsamles ved den Pavelige videnskabernes Akademi, en levning af den koblede slægter af videnskab og teologi, som ligger i en elegant villa i haven af Vatikanet. Stephen Hawking valgte august indstilling at præsentere, hvad han senere ville betragte som sin vigtigste idé: et forslag om, hvordan universet kunne være opstået fra ingenting.,før Ha ?kings tale havde alle kosmologiske oprindelseshistorier, videnskabelige eller teologiske, inviteret duplikatoren: “Hvad skete der før det?”Big Bang-teorien, for eksempel — pioner 50 år, før Hawking’ s foredrag af den Belgiske fysiker og Katolske præst Georges masser af naturligt lys, der senere tjente som formand for Vatikanets academy of sciences — spoler udvidelse af universet tilbage til en varm, tæt bundt af energi. Men hvor kom den oprindelige energi fra?
Big Bang teorien havde andre problemer., Fysikere forstod, at et ekspanderende bundt af energi ville vokse til et sammenkrøllet rod snarere end det enorme, glatte kosmos, som moderne astronomer observerer. I 1980, året før Hawking ‘ s tal, kosmolog Alan Guth indså, at Big Bang er problemer kunne være fast med en add-on: en indledende, eksponentiel vækst spurt kendt som kosmisk inflation, hvilket ville have gjort enorme univers, glat og flad, før tyngdekraften havde en chance for at ødelægge det. Inflationen blev hurtigt den førende teori om vores kosmiske oprindelse., Men spørgsmålet om de oprindelige forhold forblev: hvad var kilden til den minuscule patch, der angiveligt ballonerede ind i vores kosmos, og af den potentielle energi, der oppustede den?
Ha Hawking så i sin glans en måde at afslutte den uendelige groping bagud i tiden: han foreslog, at der slet ikke er nogen ende eller begyndelse., Ifølge rapporten fra Vatikankonferencen fortalte Cambridge-fysikeren, dengang 39 og stadig i stand til at tale med sin egen stemme, publikum: “der burde være noget meget specielt ved universets grænsebetingelser, og hvad kan være mere specielt end betingelsen om, at der ikke er nogen grænse?”
“ingen-grænse forslag,” som Hawking og hans hyppige samarbejdspartner, James Hartle, fuldt formuleret i 1983 papir, forestiller sig universet har form som en fjerbold., Ligesom en shuttlecock har en diameter på nul ved sit nederste punkt og gradvist udvides på vej op, udvides universet i henhold til no-boundary-forslaget jævnt fra et punkt med nulstørrelse. Hartle og Hawking udledt en formel, der beskriver hele fjerbold — den såkaldte “bølge funktion af universet”, der omfatter hele fortid, nutid og fremtid på en gang — gør det uaktuelt at holde alle kontemplation af frø af skabelsen, en skaber, eller nogen overgang fra en tid før.,
“at Spørge, hvad der kom før Big Bang er meningsløs, i henhold til nogen-grænse forslag, fordi der ikke er nogen opfattelsen af tid til rådighed til at henvise til,” Hawking sagde i et andet foredrag ved det Pavelige Akademi i 2016, halvandet år før hans død. “Det ville være som at spørge, hvad der ligger syd for Sydpolen.”
Hartle og Ha .king forslag radikalt reconceptuali .ed tid., Hvert øjeblik i universet bliver et tværsnit af fjerbold, mens vi oplever det univers, som udvider og udvikler sig fra det ene øjeblik til det næste, tiden er virkelig består af sammenhænge mellem universets størrelse i hvert tværsnit og andre egenskaber — især dens entropi eller uorden. Entropi stiger fra kork til fjer, der sigter mod en fremvoksende pil af tid. I nærheden af fjerboldens afrundede bund er korrelationerne dog mindre pålidelige; tiden ophører med at eksistere og erstattes af rent rum., Som Hartle, nu 79 og en professor ved University of California, Santa Barbara, forklarede det telefonisk for nylig, “vi havde ikke fugle i det meget tidlige univers; vi har fugle senere. … Vi havde ikke tid i det tidlige univers, men vi har tid senere.”
forslaget om ingen grænser har fascineret og inspireret fysikere i næsten fire årtier. “Det er et utroligt smukt og provokerende idé,” sagde Neil Turok, kosmolog på Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, og en tidligere samarbejdspartner Hawking ‘ s., Forslaget repræsenterede et første gæt på kvantebeskrivelsen af kosmos-universets bølgefunktion. Snart et helt felt, quantum kosmologi, sprang op som forskerne har udtænkt, alternative ideer om, hvordan universet kunne være kommet fra intet, analyseret, teorier’ forskellige forudsigelser og måder at teste dem, og fortolket deres filosofiske betydning. No-boundary waveave-funktionen, ifølge Hartle, “var på nogle måder det enkleste mulige forslag til det.,”
Men for to år siden, en artikel af Turok, Job Feldbrugge af Perimeter Institute, og Jean-Luc Lehners af Max Planck Institute for Gravitational Physics i Tyskland kaldes den Hartle-Hawking forslag til spørgsmål. Forslaget er selvfølgelig kun levedygtigt, hvis et univers, der kurver ud af et dimensionsløst punkt i den måde, som Hartle og Ha .king forestillede sig, naturligt vokser til et univers som vores. Ha .king og Hartle hævdede, at det faktisk ville — at universer uden grænser vil have tendens til at være enorme, betagende glatte, imponerende flade og ekspanderende, ligesom den faktiske kosmos., “Problemet med Stephen og Jims tilgang er, at det var tvetydigt,” sagde Turok — “dybt tvetydigt.”
I deres 2017 papir, offentliggjort i Physical Review Letters, Turok og hans co-forfattere nærmede Hartle og Hawking ‘ s ingen-grænse forslag med nye matematiske teknikker, der efter deres opfattelse er, at lave sine forudsigelser meget mere konkret end før. “Vi opdagede, at det bare mislykkedes elendigt,” sagde Turok. “Det var bare ikke muligt kvantemekanisk for et univers at starte på den måde, de forestillede sig.,”Trioen kontrollerede deres matematik og spurgte deres underliggende antagelser, før de blev offentliggjort, men “desværre” sagde Turok, “det syntes bare at være uundgåeligt, at Hartle-Ha .king-forslaget var en katastrofe.”
papiret antændte en kontrovers. Andre eksperter monteret en kraftig forsvar af No-grænse ID and og en tilbagevisning af Turok og kolleger ‘ ræsonnement. “Vi er uenige med hans tekniske argumenter,” sagde Thomas Hertog, en fysiker ved det Katolske Universitet i Leuven i Belgien, som nøje sammen med Hawking for de sidste 20 år af dennes liv., “Men mere grundlæggende er vi uenige også med hans definition, hans rammer, hans valg af principper. Og det er den mere interessante diskussion.”
efter to års sparring har grupperne sporet deres tekniske uenighed til forskellige overbevisninger om, hvordan naturen fungerer. Den opvarmede — men venlige-debat har hjulpet med at fastholde ideen om, at de fleste kildede Ha .kings fancy., Selv kritikere af hans og Hartles specifikke formel, herunder Turok og Lehners, laver konkurrerende kvantekosmologiske modeller, der forsøger at undgå de påståede faldgruber i originalen, samtidig med at den opretholder sin grænseløse lokkelse.
Garden of Cosmic Delights
Hartle og Ha .king så mange af hinanden fra 1970 ‘ erne, typisk da de mødtes i Cambridge i lange perioder med samarbejde. Duoens teoretiske undersøgelser af sorte huller og de mystiske singulariteter i deres centre havde vendt dem til spørgsmålet om vores kosmiske oprindelse.,
i 1915 opdagede Albert Einstein, at koncentrationer af stof eller energi kæmmer stoffet i rumtiden og forårsager tyngdekraft. I 1960’erne, Hawking og Oxford University fysiker Roger Penrose bevist, at når rummet-tiden bøjer kraftigt nok, som inde i et sort hul eller måske under Big Bang, er det uundgåeligt kollapser, buede uendeligt meget stejlt mod en singularitet, hvor Einstein ‘ s ligninger bryde ned, og en ny kvanteteori for gravitation er behov for. Penrose-Ha .king” singularity theorems ” betød, at der ikke var nogen måde for rumtiden at begynde glat, udramatisk på et tidspunkt.,ha Hawking og Hartle blev således ført til at overveje muligheden for, at universet begyndte som rent rum snarere end dynamisk rumtid. Og dette førte dem til fjerboldens geometri. De definerede no-boundary waveave-funktionen, der beskriver et sådant univers ved hjælp af en tilgang opfundet af Ha .kings helt, fysikeren Richard Feynman. I 1940 ‘ erne udtænkte Feynman en ordning til beregning af de mest sandsynlige resultater af kvantemekaniske begivenheder., For at forudsige, sige, de mest sandsynlige resultater af en partikelkollision, fandt Feynman, at du kunne opsummere alle mulige stier, som de kolliderende partikler kunne tage, og veje enkle stier mere end indviklede i summen. Beregning af denne “stiintegral” giver dig bølgefunktionen: en sandsynlighedsfordeling, der angiver de forskellige mulige tilstande af partiklerne efter kollisionen.
ligeledes udtrykte Hartle og Ha .king universets bølgefunktion — som beskriver dets sandsynlige tilstande — som summen af alle mulige måder, som det måske har glat udvidet fra et punkt., Håbet var, at summen af alle mulige “ekspansionshistorier”, glatbundede universer af alle forskellige former og størrelser, ville give en bølgefunktion, der giver en høj sandsynlighed for et enormt, glat, fladt univers som vores. Hvis den vægtede sum af alle mulige ekspansionshistorier giver en anden slags univers som det mest sandsynlige resultat, Nej-grænseforslaget mislykkes.
problemet er, at stien integreret over alle mulige udvidelseshistorier er alt for kompliceret til at beregne nøjagtigt. Utallige forskellige former og størrelser af universer er mulige, og hver kan være en rodet affære., “Murray Gell-Mann plejede at spørge mig,” sagde Hartle og henviste til den afdøde Nobelprisvindende fysiker, “hvis du kender universets bølgefunktion, hvorfor er du ikke rig?”Selvfølgelig, for faktisk at løse for bølgefunktionen ved hjælp af Feynmans metode, måtte Hartle og Ha .king drastisk forenkle situationen og ignorere selv de specifikke partikler, der befolker vores verden (hvilket betød, at deres formel ikke var tæt på at kunne forudsige aktiemarkedet)., De betragtede stien integreret over alle mulige legetøjsuniverser i “minisuperspace”, defineret som sæt af alle universer med et enkelt energifelt, der løber gennem dem: den energi, der drev kosmisk inflation. (I Hartle and Ha .kings fjerboldbillede svarer den indledende periode med ballonering til den hurtige stigning i diameter nær bunden af korken.selv minisuperspace-beregningen er svært at løse nøjagtigt, men fysikere ved, at der er to mulige ekspansionshistorier, der potentielt dominerer beregningen., Disse rivaliserende universformer forankrer de to sider af den aktuelle debat.
de rivaliserende løsninger er de to “klassiske” ekspansionshistorier, som et univers kan have. Efter en indledende spurt af kosmisk inflation fra størrelse nul udvides disse universer støt i henhold til Einsteins teori om tyngdekraft og rumtid. Weireirder ekspansionshistorier, som fodboldformede universer eller caterpillar-lignende, annullerer for det meste i kvanteberegningen.
en af de to klassiske løsninger ligner vores univers., På store skalaer er det glat og tilfældigt dappled med energi på grund af kvantesvingninger under inflationen. Som i det virkelige univers danner tæthedsforskelle mellem regioner en klokkekurve omkring nul. Hvis denne løsning faktisk dominerer den bølge funktion for minisuperspace, bliver det plausibelt at forestille sig, at en langt mere detaljeret og præcis version af ingen-grænse bølgefunktionen kan tjene som en levedygtig kosmologiske model af den virkelige univers.
den anden potentielt dominerende universform er intet som virkeligheden., Efterhånden som den udvides, varierer energien, der tilføres den, mere og mere ekstremt, hvilket skaber enorme tæthedsforskelle fra det ene sted til det næste, at tyngdekraften støt forværres. Densitetsvariationer danner en omvendt klokkekurve, hvor forskelle mellem regioner nærmer sig ikke nul, men uendelig. Hvis dette er det dominerende udtryk i no-boundary waveave-funktionen for minisuperspace, så synes Hartle-Ha .king-forslaget at være forkert.
de to dominerende ekspansionshistorier giver et valg i, hvordan stiintegralet skal udføres., Hvis de dominerende historier er to steder på et kort, megaciteter inden for alle mulige kvantemekaniske universer, er spørgsmålet, Hvilken Vej vi skal tage gennem terrænet. Hvilken dominerende ekspansionshistorie, og der kan kun være en, skal vores “kontur af integration” samle op? Forskere har kløvet ned forskellige veje.
i deres 2017-papir tog Turok, Feldbrugge og Lehners en sti gennem haven med mulige ekspansionshistorier, der førte til den anden dominerende løsning., Efter deres opfattelse er den eneste fornuftige kontur en, der scanner gennem reelle værdier (i modsætning til imaginære værdier, der involverer firkantede rødder af negative tal) for en variabel kaldet “lapse.”Lapse er i det væsentlige højden på hvert muligt skyttelunivers-den afstand, det tager for at nå en bestemt diameter. Mangler et årsagselement, bortfalder er ikke helt vores sædvanlige opfattelse af tid. Alligevel argumenterer Turok og kolleger delvist på grund af kausalitet, at kun reelle værdier af bortfald giver fysisk mening., Og opsummering over universer med reelle værdier af lapse fører til den vildt svingende, fysisk meningsløse løsning.
“folk sætter stor tro på Stephens intuition,” sagde Turok telefonisk. “Med god grund-jeg mener, han havde sandsynligvis den bedste intuition af nogen om disse emner. Men han havde ikke altid ret.”
Imaginære Universer
Jonathan Halliwell, en fysiker ved Imperial College London har studeret ingen-grænse forslag, da han var Hawking ‘ s studerende i 1980’erne. Han og Hartle analyseret spørgsmålet om konturen af integration i 1990., Efter deres opfattelse, såvel som Hertog ‘s, og tilsyneladende Ha .king’ s, konturen er ikke grundlæggende, men snarere et matematisk værktøj, der kan placeres til størst fordel. Det svarer til, hvordan bane af en planet omkring solen kan udtrykkes matematisk som en række vinkler, som en række gange, eller i form af en af flere andre praktiske parametre. “Du kan gøre denne parameterisering på mange forskellige måder, men ingen af dem er mere fysiske end en anden,” sagde Halli .ell.,
han og hans kolleger hævder, at i minisuperspace-sagen er det kun konturer, der henter den gode ekspansionshistorie, der giver mening. Kvantemekanik kræver sandsynligheder for at tilføje til 1 eller være” normaliserbare”, men det vildt svingende univers, som Turoks hold landede på, er det ikke. Denne løsning er meningsløs, plaget af uendeligheder og afvist af kvantelove — åbenlyse tegn, ifølge no-boundary ‘ s forsvarere, at gå den anden vej.
det er rigtigt, at konturer, der passerer gennem den gode løsning, opsummerer mulige universer med imaginære værdier for deres bortfaldsvariabler., Men bortset fra Turok og selskab, få mennesker tror, det er et problem. Imaginære tal gennemsyrer kvantemekanik. Til team Hartle-Ha .king påberåber kritikerne en falsk forestilling om kausalitet ved at kræve, at lapse er reel. “Det er et princip, som ikke er skrevet i stjernerne, og som vi er dybt uenige i,” sagde Hertog.
ifølge Hertog nævnte Ha .king sjældent path integral formulering af no-boundary waveave-funktionen i sine senere år, dels på grund af tvetydigheden omkring valg af kontur., Han anså det normalizable udvidelse historie, som stien integreret blot havde hjulpet med at afdække, som løsningen på et mere grundlæggende ligning omkring universet stillet i 1960’erne af fysikerne John Wheeler og Bryce DeWitt. Afterheeler og de .itt-efter mulling over spørgsmålet under en layover på Raleigh — Durham International-argumenterede for, at universets bølgefunktion, uanset hvad det er, ikke kan afhænge af tiden, da der ikke er noget eksternt ur til at måle det., Og således skal mængden af energi i universet, når du tilføjer de positive og negative bidrag af stof og tyngdekraft, forblive på nul for evigt. No-grænse bølge funktion opfylder equationheeler-de .itt ligning for minisuperspace.
i de sidste år af hans liv, for bedre at forstå bølgefunktionen mere generelt, begyndte Ha .king og hans samarbejdspartnere at anvende holografi — en blockbuster ny tilgang, der behandler rumtid som et hologram., Ha .king søgte en holografisk beskrivelse af et fjerboldformet univers, hvor hele fortidens geometri ville projicere ud af nutiden.
denne indsats fortsætter i Ha .kings fravær. Men Turok ser dette skift i vægt som at ændre reglerne. I opbakning væk fra stien integral formulering, han siger, fortalere for no-grænse id have har gjort det dårligt defineret. Hvad de studerer er ikke længere Hartle-Ha .king, efter hans mening — selvom Hartle selv er uenig.,
i det forløbne år har Turok og hans Perimeter Institute-kolleger Latham Boyle og Kieran Finn udviklet en ny kosmologisk model, der har meget til fælles med no-boundary-forslaget. Men i stedet for en fjerbold forestiller den sig to, arrangeret kork til kork i en slags timeglasfigur med tiden, der flyder i begge retninger., Mens model er endnu ikke udviklet nok til at gøre forudsigelser, sin charme ligger i den måde, dens lapper indse, CPT symmetrien, en tilsyneladende grundlæggende spejl i naturen, der samtidig afspejler stof og antistof, venstre og højre, og frem og tilbage i tid. En ulempe er, at universets spejlbilledlober mødes i en singularitet, en knivspids i rumtiden, der kræver den ukendte kvanteteori om tyngdekraften at forstå. Boyle, Finn og Turok tager et stik på singulariteten, men et sådant forsøg er iboende spekulativt.,
Der har også været en fornyet interesse i “tunneling forslag,” en alternativ måde at universet kunne være opstået fra noget, der er undfanget i 80’erne uafhængigt af den russisk-Amerikanske kosmologer Alexander Vilenkin og Andrei Linde. Forslaget, der adskiller sig fra no-boundary waveave-funktionen primært ved hjælp af et minustegn, kaster universets fødsel som en kvantemekanisk “tunneling” – begivenhed, svarende til når en partikel dukker op ud over en barriere i et kvantemekanisk eksperiment.,
spørgsmål bugner om, hvordan de forskellige forslag skærer hinanden med antropisk ræsonnement og den berygtede multiverse-id.. No-boundary waveave-funktionen favoriserer for eksempel tomme universer, mens der er behov for betydelig materie og energi for at styrke hugeness og kompleksitet. Hawking hævdede, at den store spredning af mulige universer, der er tilladt ved bølgefunktionen skal alle være realiseret i nogle større multivers, inden for hvilke kun komplekse universer som vores, har indbyggerne i stand til at foretage observationer., (Den nylige debat vedrører, om disse komplekse beboelige universer vil være glatte eller vildt svingende.) En fordel ved tunneling – forslaget er, at det favoriserer stof-og energifyldte universer som vores uden at ty til antropisk ræsonnement — selvom universer, der tunneler til eksistens, kan have andre problemer.
uanset hvordan det går, vil vi måske stå tilbage med en essens af billedet Ha .king først malet på Pontifical Academy of Sciences for 38 år siden., Eller måske, i stedet for en Sydpollignende ikke-begyndelse, kom universet trods alt ud af en singularitet og krævede en anden slags bølgefunktion helt. Uanset hvad vil forfølgelsen fortsætte. “Hvis vi taler om en kvantemekanisk teori, hvad er der ellers at finde andet end bølgefunktionen?”spurgte Juan Maldacena, en fremtrædende teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, ne.Jersey, der for det meste har holdt sig ude af den nylige flosse., Spørgsmålet om universets bølgefunktion “er den rigtige slags spørgsmål at stille,” sagde Maldacena, der i øvrigt er medlem af Pontifical Academy. “Uanset om vi finder den rigtige bølgefunktion, eller hvordan vi skal tænke på bølgefunktionen — det er mindre klart.”
korrektion: denne artikel blev revideret den 6.juni 2019 for at liste Latham Boyle og Kieran Finn som medudviklere af ideen om CPT-symmetric universe.
denne artikel blev genoptrykt på Wired.com.