Vuonna 1981, monet maailman johtavista cosmologists kokoontuivat Pontifical Academy of Sciences, jäänne yhdistettynä suvusta tieteen ja teologian sijaitsee tyylikäs villa puutarhoissa Vatikaani. Stephen Hawking valitsi elokuussa asetus esittää, mitä hän haluaisi myöhemmin huomioon kuin hänen tärkein ajatus: ehdotuksen siitä, miten maailmankaikkeus on voinut syntyä tyhjästä.,

ennen Hawkingin puhetta kaikki kosmologiset alkuperätarinat, tieteelliset tai teologiset, olivat kutsuneet vastaajan, ” mitä tapahtui ennen sitä?”The Big Bang theory, esimerkiksi — edelläkävijä 50 vuotta ennen Hawking on luento Belgian fyysikko ja Katolinen pappi Georges Lemaître, joka myöhemmin toimi presidenttinä Vatikaanin academy of sciences — kelaa laajeneminen maailmankaikkeuden takaisin kuuma, tiheä nippu energiaa. Mutta mistä alkuenergia tuli?

Alkuräjähdysteoriassa oli muitakin ongelmia., Fyysikot ymmärsivät, että laajeneva nippu energia kasvaa rypistynyt sotku sijaan valtava, sileä cosmos, että moderni tähtitieteilijät tarkkailla. Vuonna 1980, vuosi ennen Hawking on puhua, kosmologi Alan Guth tajusi, että Big Bang on ongelmia, voisi olla kiinteä kanssa add-on: ensimmäinen, eksponentiaalisen kasvun spurtti tunnetaan kosminen inflaatio, joka olisi tehnyt maailmankaikkeuden valtava, sileä ja tasainen ennen kuin painovoima oli mahdollisuus tuhota se. Inflaatiosta tuli nopeasti kosmisen alkuperämme johtava teoria., Vielä kysymys alkuehdot jäi: Mikä oli lähde hyvin pieni laastari, joka väitetysti paisunut meidän kosmoksen, ja potentiaalienergia, että liioiteltu se?

Hawking, hänen kirkkaimmillaan, näki tapa lopettaa loputon haparoiden ajassa taaksepäin: Hän ehdotti, että ei ole loppua tai alkua, ollenkaan., Mukaan ennätys Vatikaanin konferenssi, fyysikko, sitten 39 ja silti puhua hänen oma äänensä, kertoi väkijoukkoon, ”Siellä pitäisi olla jotain hyvin erikoista reunaehdot maailmankaikkeuden, ja mitä voi olla enemmän erityistä kuin ehdolla, että siellä on mitään rajaa?”

”ei-raja-ehdotus”, joka Hawking ja hänen usein työtoveri, James Hartle, täysin muotoiltu 1983 paperi, visioi kosmoksen, joka on muodoltaan sulkapallo., Aivan kuten sulkapallo on halkaisijaltaan nolla sen alimman pisteen ja vähitellen laajentaa matkalla ylös, maailmankaikkeus, mukaan ei-raja-ehdotus, sujuvasti laajeni pisteestä nolla. Hartle ja Hawking johdettu kaava, jossa kuvataan koko sulkapallo — niin sanottu ”aaltofunktion maailmankaikkeuden”, joka kattaa koko menneisyyden, nykyisyyden ja tulevaisuuden kerralla — jolloin kiistanalainen kaikki mietiskelyn siemeniä luominen, luoja, tai siirtyminen aikaa, ennen kuin.,

”Pyydä, mitä oli ennen Big Bang on merkityksetön, mukaan ei-raja-ehdotusta, koska ei ole ajan käsitettä saatavilla viitata,” Hawking sanoi toinen luento klo Pontifical Academy vuonna 2016, vuosi ja puoli ennen hänen kuolemaansa. ”Se olisi kuin kysyisi, mitä etelänavan eteläpuolella on.”

Hartlen ja Hawkingin ehdotus muokkasi ajan radikaalisti uudelleen., Jokainen hetki universumi tulee poikkileikkaus sulkapallo; kun havaitsemme, että universumi laajenee ja kehittyy hetki hetkeltä, aika todella koostuu korrelaatioita universumin kokoa kunkin poikkileikkaus ja muut ominaisuudet, erityisesti sen entropia, tai häiriö. Entropia kasvaa korkista höyheniin ja tähtää ajan kasvavaan nuoleen. Lähellä sulkapallo on pyöristetty-off pohja, vaikka korrelaatiot ovat vähemmän luotettavia; aika lakkaa olemasta ja korvataan puhdasta tilaa., Kuten Hartle, nyt 79 ja professori University of California, Santa Barbara, selitti puhelimitse äskettäin, ”Meillä ei ollut lintuja hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa; meillä on lintuja myöhemmin. … Meillä ei ollut aikaa varhaisuniversumissa, mutta meillä on aikaa myöhemmin.”

rajaton ehdotus on kiehtonut ja inspiroinut fyysikoita lähes neljä vuosikymmentä. ”Se on häikäisevän kaunis ja provosoiva ajatus”, sanoi Neil Turok, on kosmologi Kehä Institute for Teoreettinen Fysiikka, Waterloo, Kanada, ja entinen yhteistyökumppani Hawking., Ehdotus oli ensimmäinen arvailla quantum kuvaus cosmos — aaltofunktion maailmankaikkeuden. Pian koko kentän, kvanttikosmologia, hyppäsi ylös kuin tutkijat kehittäneet vaihtoehtoisia ideoita siitä, miten maailmankaikkeus on voinut tulla mitään, analysoi teorioita eri ennusteita ja tapoja testata niitä, ja tulkita niiden filosofinen merkitys. Rajaton aaltofunktio oli Hartlen mukaan ” jollain tapaa yksinkertaisin mahdollinen ehdotus siihen.,”

Mutta kaksi vuotta sitten, paperi -, Turok, Työ Feldbrugge Kehä-Instituutti, ja Jean-Luc Lehners Max Planck Institute for Gravitational Fysiikan Saksassa kutsutaan Hartle-Hawking ehdotus kyseenalaiseksi. Ehdotus on, tietenkin, vain kannattavia, jos universumi, joka kaartaa pois dimensioton vaiheessa tavalla Hartle ja Hawking kuvitellut luonnollisesti kasvaa maailmankaikkeuden kuin meidän. Hawking ja Hartle väittivät, että todellakin olisi-että universumit, joilla ei ole rajoja, ovat yleensä valtavia, hengästyttävän sileitä, vaikuttavasti litteitä ja laajenevia, aivan kuten todellinen Kosmos., ”Ongelma Stephenin ja Jimin lähestymistavassa on se, että se oli epäselvä”, Turok sanoi – ” syvästi epäselvä.”

Vuoden 2017 paperi, julkaistu Physical Review Letters, Turok ja hänen co-kirjoittajat lähestyivät Hartle ja Hawking on ei-raja-ehdotuksen uusia matemaattisia tekniikoita, jotka heidän mielestään tekevät sen ennusteita paljon konkreettisempia kuin ennen. ”Huomasimme, että se vain epäonnistui surkeasti,” Turok sanoi. ”Ei ollut mahdollista kvanttimekaanisesti, että maailmankaikkeus alkaisi sillä tavalla kuin he kuvittelivat.,”Kolmikko tarkisti matematiikkansa ja tiedusteli taustaoletuksiaan ennen julkisuuteen menoa, mutta” valitettavasti”, Turok sanoi, ” tuntui vain olevan väistämätöntä, että Hartle-Hawkingin ehdotus oli katastrofi.”

lehti sytytti kohun. Muut asiantuntijat asennettu voimakas puolustus ei-raja-ajatus ja vastaväitteitä Turok ja kollegoideni perusteluja. ”Olemme eri mieltä hänen teknisiä argumentteja”, sanoi Thomas Hertog, fyysikko Catholic University of Leuven Belgiassa, joka tiiviisti yhteistyötä Hawking viimeisen 20 vuoden jälkimmäinen on elämä., ”Mutta perusteellisemmin, olemme eri mieltä myös hänen määritelmänsä, hänen puitteensa, hänen periaatevalintansa. Se on kiinnostavampi keskustelu.”

kahden vuoden sparraus, ryhmät ovat jäljittää niiden tekninen erimielisyyttä erilaisia uskomuksia siitä, miten luonto toimii. Kiivas mutta ystävällinen keskustelu on auttanut vahvistamaan ajatusta, että eniten kutkutti Hawkingin fancy., Jopa kriitikot hänen ja Hartle tiettyä kaavaa, kuten Turok ja Lehners, ovat askartelu kilpailevat kvantti-kosmologisen malleja, jotka yrittävät välttää väitetyn sudenkuoppia alkuperäinen säilyttäen sen rajaton allure.

Garden of Cosmic Herkkuja

Hartle ja Hawking näin paljon toisiaan peräisin 1970-luvulta, tyypillisesti, kun he tapasivat Cambridge pitkään yhteistyötä. Kaksikon teoreettiset tutkimukset mustista aukoista ja niiden keskusten salaperäisistä singulariteeteista olivat kiihottaneet heidät kysymykseen kosmisesta alkuperästämme.,

vuonna 1915 Albert Einstein havaitsi, että aineen tai energian pitoisuudet poimivat aika-avaruuden kankaan aiheuttaen painovoiman. 1960-luvulla, Hawking ja Oxford University fyysikko Roger Penrose osoittivat, että kun aika-avaruus taipuu jyrkästi tarpeeksi, kuten sisällä musta aukko, tai ehkä aikana Big Bang, se väistämättä romahtaa, kaareva äärettömän jyrkästi kohti singulariteetin, missä Einsteinin yhtälöt hajottaa ja uusi, quantum theory ja painovoima tarvitaan. Penrose-Hawkingin ”singulariteettilauseet” tarkoittivat sitä, että aika-avaruus ei voinut alkaa sujuvasti, epädramaattisesti jossain vaiheessa.,

Hawking ja Hartle olivat siis johti pohtimaan mahdollisuutta, että maailmankaikkeus alkoi puhdasta tilaa, pikemminkin kuin dynaaminen aika-avaruus. Tämä johti heidät shuttlecockin geometriaan. He määrittelivät tällaista maailmankaikkeutta kuvaavan rajattoman aaltofunktion Hawkingin sankarin, fyysikko Richard Feynmanin keksimällä lähestymistavalla. 1940-luvulla Feynman kehitti järjestelmän kvanttimekaanisten tapahtumien todennäköisimpien tulosten laskemiseksi., Ennustaa, sanoa, todennäköisin tuloksia hiukkasen törmäys, Feynman totesi, että et voisi tiivistää kaikki mahdolliset polut, että törmäävän hiukkaset voisi ottaa, painotus suoraviivainen polkuja enemmän kuin mutkikas olevista summa. Tämän ”polkuintegraalin” laskeminen antaa aaltofunktion: todennäköisyysjakauman, joka ilmaisee hiukkasten erilaiset mahdolliset tilat törmäyksen jälkeen.

Lisäksi, Hartle ja Hawking ovat ilmaisseet aaltofunktion maailmankaikkeuden — joka kuvaa sen todennäköisesti valtioiden — kuin summa kaikki mahdolliset keinot, että se olisi voinut sujuvasti laajeni pisteestä., Toiveena oli, että summa kaikki mahdollista ”laajennus historia,” sileä pohja universumien kaikki eri muotoisia ja kokoisia, olisi tuotto aalto-toiminto, joka antaa korkea todennäköisyys valtava, sileä, tasainen maailmankaikkeuden kuin meidän. Jos painotettu summa kaikista mahdollisista laajennus historia saadaan jonkin muun universumin todennäköisin lopputulos, ei-raja-ehdotus epäonnistuu.

ongelma on se, että polun integraali kaikkien mahdollisten laajennushistorioiden yli on aivan liian monimutkainen laskettavaksi tarkasti. Lukemattomat eri muodot ja koot universumit ovat mahdollisia, ja jokainen voi olla sotkuinen asia., ”Murray Gell-Mann oli tapana kysyä minulta,” Hartle sanoi, viitaten myöhään Nobel-palkittu fyysikko, ”jos tiedät aaltofunktion maailmankaikkeuden, mikset ole rikas?”Tietenkin, todella ratkaista wave-toiminto käyttää Feynman on menetelmä, Hartle ja Hawking oli merkittävästi yksinkertaistaa tilannetta, välittämättä edes erityisiä hiukkasia, jotka kansoittavat meidän maailmassa (mikä tarkoitti niiden kaava oli minnekään lähellä, että voi ennustaa osakemarkkinoiden)., He pitivät polku kiinteä yli kaikki mahdolliset lelu maailmankaikkeuksia ”minisuperspace,” määritelty asetettu kaikkien universumien yhdellä energia-alalla, joka kulkee niiden kautta: energia, joka virtaa kosminen inflaatio. (Vuonna Hartle ja Hawking sulkapallo kuva, että alkuvaiheen ballooning vastaa nopea kasvu halkaisija alaosassa korkki.)

Jopa minisuperspace laskelma on vaikea ratkaista tarkasti, mutta fyysikot tietävät, on olemassa kaksi mahdollista laajentamista historia, joka mahdollisesti hallitsee laskennan., Nämä kilpailevat universumimuotot ankkuroivat nykyisen keskustelun kaksi puolta.

kilpailija ratkaisut ovat kaksi ”klassista” laajennus historiat, että maailmankaikkeudessa voi olla. Alustavan spurtti kosmisen inflaation koko nolla, nämä universumit tasaisesti laajentaa Einsteinin teorian mukaan painovoima ja aika-avaruutta. Oudompaa laajennus historia, kuten jalkapallo-muotoinen universumeissa tai toukka-kuten ne, enimmäkseen peruuttaa ulos quantum laskenta.

toinen kahdesta klassisesta ratkaisusta muistuttaa universumiamme., Suurilla mittakaavoilla se on sileä ja sattumanvaraisesti täynnä energiaa, johtuen kvanttivaihteluista inflaation aikana. Kuten reaaliuniversumissa, alueiden väliset tiheyserot muodostavat nollan ympärille kellokäyrän. Jos tämä ratkaisu ei todellakin hallitsevat aalto-toiminto minisuperspace, siitä tulee uskottavaa kuvitella, että paljon enemmän yksityiskohtainen ja tarkka versio ei ole rajana aalto-toiminto voisi toimia varteenotettavana kosmologisen mallin todellinen maailmankaikkeus.

toinen mahdollisesti hallitseva universumimuoto ei ole mitään todellisuuden kaltaista., Koska se laajenee, energia-infusing se vaihtelee enemmän ja enemmän erittäin, luoda valtava tiheys erot paikasta seuraavaan, että painovoima tasaisesti pahenee. Tiheysvaihtelut muodostavat käänteisen kellokäyrän, jossa alueiden väliset erot eivät lähesty Nollaa, vaan äärettömyyttä. Jos tämä on määräävä termi minisuperspacen no-boundary-aaltofunktiossa, niin Hartle-Hawkingin ehdotus näyttäisi olevan väärä.

kaksi hallitsevaa laajenemishistoriaa esittävät valinnan siinä, miten polkuintegraali tulisi tehdä., Jos hallitseva historiat ovat kahden paikkoja kartalla, megakaupungeille valtakunnassa kaikki mahdolliset kvanttimekaniikan universumeissa, kysymys on, mikä polku pitäisi viedä läpi maastossa. Minkä hallitsevan laajenemishistorian, ja niitä voi olla vain yksi, pitäisi” integraatiohistoriamme ” piristyä? Tutkijat ovat haarautuneet eri polkuja pitkin.

Vuoden 2017 paperi, Turok, Feldbrugge ja Lehners otti polku läpi puutarhaan mahdollista laajentamista historia, joka johti toinen hallitseva ratkaisu., Heidän mielestään ainoa järkevä ääriviiva on sellainen, joka skannaa reaaliarvojen kautta (toisin kuin kuvitteelliset arvot, joihin liittyy negatiivisten lukujen neliöjuuret) muuttujalle nimeltä ”raukeaminen.”Lapse on pohjimmiltaan korkeus kunkin mahdollisen shuttlecock universe-etäisyys se kestää saavuttaa tietyn halkaisijan. Syy-seuraussuhteen puutteessa raukeaminen ei ole aivan tavanomainen käsityksemme ajasta. Turok ja kollegat kiistävät kuitenkin osittain syy-seuraussuhteen perusteella, että vain todelliset raukeamisarvot ovat fysikaalisesti järkeviä., Ja summaamalla yli universumien todellisia arvoja kulunut johtaa villisti vaihteleva, fyysisesti järjetön ratkaisu.

”ihmiset asettavat valtavan uskon Tapanin intuitioon”, Turok sanoi puhelimitse. ”Hyvästä syystä-tarkoitan, hän oli luultavasti paras intuitio ketään näistä aiheista. Mutta hän ei ollut aina oikeassa.”

Kuvitteellinen Universumien

Jonathan Halliwell, fyysikko Imperial College London, on opiskellut ei-raja-ehdotusta, koska hän oli Hawking on opiskelija 1980-luvulla. Hän ja Hartle analysoitiin kysymys ääriviivat integraatio vuonna 1990., Heidän mielestään sekä Hertog on, ja ilmeisesti Hawking, ääriviivat ei ole olennainen, vaan matemaattinen työkalu, joka voidaan sijoittaa suurin etu. Se on samanlainen kuin miten kehityskaari planeetta auringon ympärillä voi olla ilmaistuna matemaattisesti sarjan näkökulmista, kuten useita kertoja, tai mitä tahansa useita muita kätevä parametrit. ”Sen parametrisoinnin voi tehdä monella eri tavalla, mutta mikään niistä ei ole sen fyysisempi kuin toinen”, Halliwell sanoi.,

Hän ja hänen kollegansa väittävät, että minisuperspace tapauksessa, vain ääriviivat, jotka poimia hyvä laajennus historia järkeä. Kvanttimekaniikka edellyttää todennäköisyydet lisää 1, tai olla ”normalizable,” mutta villisti vaihteleva maailmankaikkeus, että Turok: n joukkue laskeutui ei ole. Tämä ratkaisu on järjetön, vaivannut äärettömiä ja kieltänyt quantum lait — selviä merkkejä, mukaan n-raja on puolustajia, kävellä toiseen suuntaan.

Se on totta, että ääriviivat kulkee hyvä ratkaisu tiivistää mahdollista universumien kanssa kuvitteellinen arvot niiden raueta muuttujia., Turokin ja firman lisäksi harva pitää sitä ongelmana. Kuvitteelliset numerot läpäisevät kvanttimekaniikan. Team Hartle-Hawkingille kriitikot vetoavat perättömään syy-seuraussuhdekäsitykseen vaatiessaan, että raukeaminen on todellista. ”Se on periaate, jota ei ole kirjoitettu tähtiin, ja jota emme täysin eri mieltä,” Hertog sanoi.

Mukaan Hertog, Hawking harvoin mainittu polku kiinteä muotoilu ei ole rajana aalto-toiminto, hänen myöhempinä vuosina, mikä johtuu osittain epäselvyys noin valinta ääriviivat., Hän piti normalizable laajennus historia, jossa polku kiinteä oli vain auttoi paljastaa, koska ratkaisu on enemmän perustavanlaatuinen yhtälö maailmankaikkeudesta aiheutti vuonna 1960 fyysikko John Wheeler ja Bryce DeWitt. Wheeler ja DeWitt — kun ihmetellään asiaa sen aikana välilasku klo Raleigh-Durham International väitti, että aaltofunktion maailmankaikkeuden, mitä se on, ei voi riippua aikaan, koska ei ole ulkoinen kello, jonka avulla voidaan mitata sitä., Ja näin ollen energian määrän maailmankaikkeudessa, kun lasketaan yhteen aineen ja gravitaation positiiviset ja negatiiviset osuudet, täytyy pysyä nollassa ikuisesti. Ei-raja-wave-toiminto täyttää Wheeler-DeWitt-yhtälö minisuperspace.

lopullinen vuotta elämästään, ymmärtää paremmin aalto-toiminto, enemmän yleisesti, Hawking ja hänen avustajansa alkoivat soveltaa holografia — blockbuster uusi lähestymistapa, joka käsittelee aika-avaruuden kuin hologrammi., Hawking etsi holografista kuvausta shuttlecock-muotoisesta universumista, jossa koko menneisyyden geometria projisoitaisiin pois nykyhetkestä.

että ponnistus jatkuu Hawkingin poissa ollessa. Turok näkee painotuksen muutoksen kuitenkin sääntömuutoksena. Vetäytyessään polkuintegraalin muotoilusta, hän sanoo, että rajattoman idean kannattajat ovat tehneet siitä huonosti määritellyn. Mitä he ovat opiskelu ei ole enää Hartle-Hawking, hänen mielestään — vaikka Hartle itse on eri mieltä.,

viime vuonna, Turok ja hänen Perimeter Institute kollegansa Latham Boyle ja Kieran Finn on kehittänyt uuden kosmologisen mallin, joka on paljon yhteistä ei-raja-ehdotus. Mutta sen sijaan yksi sulkapallo, se visioi kaksi, järjestetään cork cork eräänlainen tiimalasi kuva, jossa aika virtaa molempiin suuntiin., Vaikka malli ei ole vielä kehittynyt tarpeeksi, jotta ennusteita, sen viehätys piilee siinä, miten sen lohkoa ymmärtää, CPT-symmetria, näennäisesti olennainen peili luonnossa, että samanaikaisesti heijastaa materia ja antimateria, vasen ja oikea ja eteen-ja taaksepäin ajassa. Yksi haitta on, että maailmankaikkeus on peili-kuva lohkoa tavata singulariteetti, hyppysellinen aika-avaruudessa, joka vaatii tuntematon quantum theory ja painovoima ymmärtää. Boyle, Finn ja Turok iskevät yhteen singulariteetin kanssa, mutta tällainen yritys on luontaisesti spekulatiivinen.,

on myös ollut elpymistä kiinnostus ”tunnelointi ehdotus,” vaihtoehtoinen tapa, että maailmankaikkeus saattaisi olla syntynyt tyhjästä, suunniteltu 80-luvulla itsenäisesti venäjän-Amerikkalainen cosmologists Alexander Vilenkin ja Andrei Linde. Ehdotus, joka eroaa ei-raja-wave-toiminto ensisijaisesti tapa miinusmerkki, heittää syntymän universumi on kvanttimekaaninen ”tunnelointi” tapahtuma, samanlainen kun hiukkanen ponnahtaa ylös kuin este kvantti mekaaninen koe.,

Kysymyksiä on runsaasti siitä, miten eri ehdotukset leikkaavat antrooppisesta päättelyä ja surullisen multiverse idea. Esimerkiksi rajaton aaltofunktio suosii tyhjiä universumeja, kun taas voiman halaamiseen ja monimutkaisuuteen tarvitaan merkittävää ainetta ja energiaa. Hawking väittää, että laaja leviäminen mahdollisia maailmankaikkeuksia sallittua aaltofunktion on oltava tajusi, joissakin suurempi multiverse, jonka kuluessa vain monimutkainen maailmankaikkeuksia, kuten meidän on asukkaita pystyy tekemään havaintoja., (Viimeaikainen keskustelu koskee sitä, ovatko nämä monimutkaiset, asumiskelpoiset universumit sujuvia vai villisti vaihtelevia.) Etu tunnelointi ehdotus on, että se suosii asia – ja energia-täynnä maailmankaikkeuksia, kuten meidän, turvautumatta antrooppisesta päättely — vaikka universumeissa, että tunnelin olemassaoloon voi olla muita ongelmia.

Ei ole väliä kuinka asiat menevät, ehkä me jätetään joitakin ydin kuva Hawkingin ensimmäinen maalattu, Pontifical Academy of Sciences 38 vuotta sitten., Tai ehkä, sen sijaan Etelä-Napa-kuin non-alusta, maailmankaikkeuden syntyneen singulariteetin jälkeen kaikki vaativat erilaisia aalto-toiminnon kokonaan. Takaa-ajo jatkuu joka tapauksessa. ”Jos puhumme kvanttimekaanisesta teoriasta, mitä muuta on löydettävissä kuin aaltofunktio?”kysyi Juan Maldacena, arvostettu teoreettinen fyysikko Institute for Advanced Study Princetonissa, New Jerseyssä, joka on enimmäkseen pysynyt erossa viimeaikaisista riidoista., Kysymys aaltofunktion maailmankaikkeuden ”on oikea aika kysyä,” sanoi Maldacena, joka, muuten, on jäsen, Pontifical Academy. ”Onko löydämme oikean aaltofunktion, tai miten meidän pitäisi ajatella aaltofunktiota — se on vähemmän selvää.”

Korjaus: Tämä artikkeli on tarkistettu 6. kesäkuuta 2019, luetella Latham Boyle ja Kieran Finn kuin co-kehittäjät CPT-symmetrinen universumin idea.

Tämä artikkeli on uusintapainos Wired.com.