1981-Ben, a világ számos vezető kozmológusok gyűlt össze a Pápai tudományos Akadémia, egy maradt meg a párosított-vonalak segítségével a tudományos teológia található, egy elegáns villában, a kertben, a Vatikán. Stephen Hawking az augusztusi beállítást választotta, hogy bemutassa azt, amit később a legfontosabb ötletének tekint: egy javaslatot arról, hogy az univerzum Hogyan keletkezhetett a semmiből.,
Hawking beszéde előtt minden kozmológiai eredetű történet, tudományos vagy teológiai, meghívta a viszonválaszt: “mi történt azelőtt?”Az ősrobbanás elmélete például — 50 évvel Hawking előadása előtt-Georges Lemaître belga fizikus és katolikus pap, aki később a Vatikáni Tudományos Akadémia elnökeként szolgált-visszatekeri az univerzum kiterjesztését egy forró, sűrű energiacsomagba. De honnan származik a kezdeti energia?
A Big Bang elméletnek más problémái voltak., A fizikusok megértették, hogy egy bővülő energiacsomag összeomlik, nem pedig a hatalmas, sima kozmosz, amelyet a modern csillagászok megfigyelnek. 1980-ban, egy évvel korábban Hawking beszélni, a cosmologist Alan Guth rájött, hogy a Nagy Bumm problémáit lehet megoldani egy add-on: egy kezdeti, exponenciális növekedése ismert kozmikus infláció, ami azt valószínűsíti, hogy az univerzum hatalmas, sima, lapos, mielőtt a gravitáció egy esélyt adni. Az infláció gyorsan vált kozmikus eredetünk vezető elméletévé., A kezdeti feltételek kérdése azonban megmaradt: mi volt a forrása annak az apró foltnak, amely állítólag a kozmoszunkba került, és a potenciális energiának, amely felfújta?
Hawking ragyogásában látta a módját, hogy véget vessen a végtelenített tapogatózásnak az időben: azt javasolta, hogy egyáltalán ne legyen vége vagy kezdete., A Vatikáni konferencia feljegyzése szerint az akkor 39 éves Cambridge-i fizikus, aki még mindig képes a saját hangjával beszélni, azt mondta a tömegnek: “valami nagyon különlegesnek kell lennie az univerzum határfeltételeivel kapcsolatban, és mi lehet különlegesebb, mint az a feltétel, hogy nincs határ?”
the “no-boundary proposal”, which Hawking and his törzsvendége, James Hartle, fully formed in a 1983 paper, environmental the cosmos having the shuttlecock., Csakúgy, mint egy tollaslabda átmérője nulla a legalsó pontján, és fokozatosan kiszélesedik az úton felfelé, az univerzum, a no-boundary javaslat szerint, simán kibővült egy nulla méretű pontról. Hartle meg Hawking levezetett képlet leírja az egész tollaslabda — az úgynevezett “hullámfüggvény a világegyetem”, amely magában foglalja az egész múlt, jelen, jövő egyszerre—, hogy vitás mind a szemlélődés, a magot a teremtés, a teremtő, vagy minden átmenet egy idő előtt.,
“az a kérdés, hogy mi történt az Ősrobbanás előtt, értelmetlen, a no-boundary javaslat szerint, mert nincs olyan fogalom, amelyre hivatkozni lehetne” – mondta Hawking egy másik előadásában a pápai Akadémián 2016-ban, másfél évvel halála előtt. “Olyan lenne, mintha megkérdeznénk, mi fekszik a déli-sarktól délre.”
Hartle és Hawking javaslata radikálisan egyezteti az időt., Minden egyes pillanat a világegyetemben válik keresztmetszete a tollaslabda; amíg megértettük, hogy az univerzum tágul, illetve fejlődik, egyik pillanatról a másikra, idő áll összefüggések között, hogy az univerzum mérete az egyes keresztmetszeti, illetve egyéb tulajdonságok — különösen az entrópia, vagy betegség. Az entrópia a parafától a tollakig növekszik, az idő feltörekvő nyílát célozva. Közel a tollaslabda lekerekített alsó, bár, a korrelációk kevésbé megbízható; idő megszűnik létezni, helyébe tiszta tér., Mint Hartle, a most 79 éves, a Kaliforniai Egyetem professzora, Santa Barbara, nemrégiben telefonon elmagyarázta: “nem voltak madarak a nagyon korai univerzumban; később madaraink vannak. … Nem volt időnk a korai univerzumban, de van időnk később.”
a határok nélküli javaslat közel négy évtizede lenyűgözte és inspirálta a fizikusokat. “Elképesztően szép és provokatív ötlet” – mondta Neil Turok, a kanadai Waterloo Elméleti Fizikai Intézet kozmológusa és Hawking egykori munkatársa., A javaslat első találgatást jelentett a kozmosz kvantumleírásában-az univerzum hullámfüggvényében. Hamarosan egy egész mező, a kvantum kozmológia, felugrott, mint a kutatók kidolgozott alternatív ötlete, hogy az univerzum jött volna, semmit, elemezték a elméletek különféle előrejelzések módon is kipróbálni őket, majd értelmezni a filozófiai értelmét. Hartle szerint a no-boundary wave funkció ” bizonyos szempontból a lehető legegyszerűbb javaslat volt erre.,”
de két évvel ezelőtt Turok, Job Feldbrugge, A Perimeter Institute munkatársa és Jean-Luc Lehners, a németországi Max Planck gravitációs Fizikai Intézet munkatársa megkérdőjelezte a Hartle-Hawking javaslatot. A javaslat természetesen csak akkor életképes, ha egy olyan univerzum, amely egy dimenzió nélküli pontból kanyarodik ki, ahogy Hartle és Hawking elképzelte, természetesen egy olyan univerzumba nő, mint a miénk. Hawking és Hartle azzal érveltek, hogy valóban az lenne — hogy a határok nélküli univerzumok általában hatalmasak, lélegzetelállítóan simaak, lenyűgözően laposak és tágulnak, akárcsak a tényleges kozmosz., “Az a baj Stephen és Jim megközelítésével, hogy kétértelmű volt” — mondta Turok – ” mélyen kétértelmű.”
A 2017-es papír, megjelent a Physical Review Letters, Turok, valamint a társ-szerzők közeledett Hartle meg Hawking nem-határ javaslat új matematikai technikák, az a nézet, hogy az előrejelzések sokkal konkrétabb, mint korábban. “Rájöttünk, hogy csak szerencsétlenül kudarcot vallott” – mondta Turok. “Egyszerűen nem volt lehetséges kvantummechanikusan, hogy egy univerzum úgy induljon el, ahogy elképzelték.,”A trió ellenőrizte a matekját, és még mielőtt nyilvánosságra került volna, megkérdezte a mögöttes feltételezéseiket, de “sajnos” – mondta Turok -, csak úgy tűnt, hogy elkerülhetetlen, hogy a Hartle-Hawking javaslat katasztrófa volt.”
a papír vitát váltott ki. Más szakértők határozottan védekeztek a határok nélküli eszme ellen, és cáfolták Turok és kollégái érvelését. “Nem értünk egyet a technikai érveivel” – mondta Thomas Hertog, a belga Leuveni Katolikus Egyetem fizikusa, aki szorosan együttműködött Hawking-szal az utóbbi életének utolsó 20 évében., “De alapvetően nem értünk egyet a definíciójával, a keretével, az alapelvek megválasztásával. És ez az érdekesebb beszélgetés.”
két év sparring után a csoportok technikai egyet nem értésüket a természet működésével kapcsolatos eltérő hiedelmekre vezették vissza. A heves-mégis barátságos-vita segített megszilárdítani azt az elképzelést, hogy a legtöbb csiklandozta Hawking képzeletét., Még az ő és Hartle sajátos képletének kritikusai is, köztük Turok és Lehners, versengő kvantum-kozmológiai modelleket készítenek, amelyek megpróbálják elkerülni az eredeti állítólagos buktatóit, miközben fenntartják határtalan vonzerejét.
Garden of Cosmic Delights
Hartle és Hawking az 1970-es évektől sokat látták egymást, jellemzően akkor, amikor Cambridge-ben találkoztak hosszú ideig. A duó elméleti vizsgálata a fekete lyukakról és a központjaik titokzatos szingularitásairól a kozmikus eredetünk kérdésére fordította őket.,
1915-ben Albert Einstein felfedezte, hogy az anyag vagy az energia koncentrációja a téridő szövetét torzítja, ami gravitációt okoz. Az 1960-as években, Hawking pedig az Oxfordi Egyetem fizikus Roger Penrose bebizonyította, hogy mikor tér-idő kanyarban elég meredeken, mint egy fekete lyukban, vagy talán során a Nagy Bumm, ez elkerülhetetlenül összeomlik, kanyargós végtelenül meredeken felé egy szingularitás, ahol Einstein egyenletek lebontják, valamint egy új, kvantumelmélet a gravitáció van szükség. A Penrose-Hawking “szingularitás tételek” azt jelentette, hogy a téridőnek nem volt módja zökkenőmentesen, undramatikusan kezdeni egy ponton.,
Hawking és Hartle így elgondolkodtak azon a lehetőségen, hogy az univerzum tiszta térként kezdődött, nem pedig dinamikai téridőként. Ez vezette őket a tollaslabda geometriájához. Meghatározták a no-boundary wave funkciót, amely egy ilyen univerzumot ír le Hawking hősének, Richard Feynman fizikus által feltalált megközelítéssel. Az 1940-es években Feynman kidolgozott egy rendszert a kvantummechanikai események legvalószínűbb eredményeinek kiszámítására., Ahhoz, hogy megjósoljuk, mondjuk, a részecskék ütközésének legvalószínűbb kimenetelét, Feynman úgy találta, hogy összefoglalhatja az összes lehetséges utat, amelyet az ütköző részecskék megtehetnek, súlyozva az egyszerű utakat, mint az összegben. Ennek a “path integral” – nak a kiszámítása megadja a hullámfüggvényt: egy valószínűségi eloszlást, amely jelzi a részecskék különböző lehetséges állapotát az ütközés után.
hasonlóképpen Hartle és Hawking is kifejezte az univerzum hullámfüggvényét — amely a valószínű állapotait írja le -, mint az összes lehetséges mód összegét, amely egy pontról simán kibővülhetett volna., A remény az volt, hogy az összes lehetséges “tágulási történet”, a különböző formájú és méretű, sima fenekű univerzumok összege olyan hullámfüggvényt eredményez, amely nagy valószínűséggel ad egy olyan hatalmas, sima, lapos univerzumot, mint a miénk. Ha az összes lehetséges expanziós történet súlyozott összege valamilyen más típusú univerzumot eredményez, mint a legvalószínűbb eredményt, akkor a Határ nélküli javaslat kudarcot vall.
a probléma az, hogy az összes lehetséges kiterjesztési előzményhez tartozó útvonal túlságosan bonyolult ahhoz, hogy pontosan kiszámítsuk. Számtalan különböző formájú és méretű univerzumok lehetséges, és mindegyik lehet egy rendetlen ügy., “Murray Gell-Mann engem kérdezett” -mondta Hartle a néhai Nobel-díjas fizikusra utalva: “ha ismeri az univerzum hullámfüggvényét, miért nem vagy gazdag?”Természetesen ahhoz, hogy ténylegesen megoldja a hullám funkció segítségével Feynman módszer, Hartle és Hawking volt, hogy drasztikusan egyszerűsítse a helyzetet, figyelmen kívül hagyva még a konkrét részecskék, amelyek lakják a világot (ami azt jelentette, hogy a képlet nem volt közel, hogy képes megjósolni a tőzsdén)., Úgy vélték, az út szerves át az összes lehetséges játék univerzumban, “minisuperspace,” meghatározása a készlet egész univerzum egyetlen energia mező átjárja őket: az energia meghajtású kozmikus infláció. (Hartle és Hawking tollaslabda-képein ez a kezdeti ballonozási időszak a parafa aljához közeli átmérő gyors növekedésének felel meg.)
még a minisuperspace számítást is nehéz pontosan megoldani, de a fizikusok tudják, hogy két lehetséges bővítési történet van, amelyek potenciálisan uralják a számítást., Ezek a rivális világegyetemi formák rögzítik a jelenlegi vita két oldalát.
a rivális megoldások a két” klasszikus ” tágulási történet, amely egy univerzumban lehet. A kozmikus infláció kezdeti zéró méretű kilövését követően ezek az univerzumok Einstein gravitációs és téridő-elmélete szerint folyamatosan bővülnek. A furcsa tágulási előzmények, mint például a futball alakú univerzumok vagy a hernyószerűek, többnyire visszavonják a kvantumszámítást.
a két klasszikus megoldás egyike hasonlít az univerzumunkra., Nagy léptékű, sima és véletlenszerűen dapped az energia miatt kvantum ingadozások infláció. Mint a valódi univerzumban, a régiók közötti sűrűségi különbségek nulla körüli haranggörbét alkotnak. Ha ez a lehetséges megoldás valóban uralja a minisuperspace hullámfüggvényét, akkor valószínűvé válik elképzelni, hogy a Határ nélküli hullámfüggvény sokkal részletesebb és pontosabb változata a valódi univerzum életképes kozmológiai modelljeként szolgálhat.
a másik potenciálisan domináns világegyetemi forma nem olyan, mint a valóság., Ahogy kiszélesedik, a benne lévő energia egyre szélsőségesebben változik, óriási sűrűségi különbségeket teremtve egyik helyről a másikra, hogy a gravitáció folyamatosan romlik. A sűrűségváltozások fordított haranggörbét alkotnak, ahol a régiók közötti különbségek nem nullához, hanem végtelenhez közelednek. Ha ez a domináns kifejezés a no-boundary wave funkció minisuperspace, akkor a Hartle-Hawking javaslat úgy tűnik, hogy rossz.
a két domináns bővítési történet választást mutat az útvonal integráljának elvégzésében., Ha a domináns történet két hely a térképen, megacitások az összes lehetséges kvantummechanikai univerzum birodalmában, a kérdés az, hogy melyik utat kell átvennünk a terepen. Melyik domináns terjeszkedés története, és csak egy lehet, fel kell-e vennünk az “integráció kontúrját”? A kutatók különböző utakat fedeztek fel.
2017-es tanulmányukban Turok, Feldbrugge és Lehners a lehetséges terjeszkedési előzmények kertjében járt, ami a második domináns megoldáshoz vezetett., Véleményük szerint az egyetlen értelmes kontúr az, amely valós értékeken (szemben a képzeletbeli értékekkel, amelyek a negatív számok négyzetgyökét foglalják magukban) a “lapse” nevű változóra.”A Lapse lényegében minden lehetséges shuttlecock univerzum magassága-az a távolság, amely egy bizonyos átmérő eléréséhez szükséges. Ok-okozati elem hiányában az elévülés nem egészen a szokásos időfogalom. Turok és kollégái azonban részben az ok-okozati összefüggés alapján érvelnek, hogy csak az elévülés valódi értékeinek van fizikai értelme., És a világegyetemek valós értékekkel való összegzése a vadul ingadozó, fizikailag értelmetlen megoldáshoz vezet.
“az emberek hatalmas hitet Szent István intuíciójában” – mondta Turok telefonon. “Jó okból-úgy értem, valószínűleg a legjobb intuíciója volt bárkinek ezeken a témákon. De nem volt mindig igaza.”
Imaginary Universes
Jonathan Halliwell, az Imperial College London fizikusa az 1980-as évek óta tanulmányozta a határok nélküli javaslatot. ő és Hartle elemezték az integráció kontúrjának kérdését 1990-ben., Véleményük szerint a kontúr nem alapvető, hanem egy matematikai eszköz, amelyet a legnagyobb előnyre lehet helyezni. Ez hasonló ahhoz, hogy egy bolygó pályája a Nap körül matematikailag kifejezhető szögek sorozataként, sorozatként, vagy számos más kényelmes paraméter szempontjából. “Ezt sokféle módon meg lehet csinálni, de egyikük sem fizikai, mint egy másik” – mondta Halliwell.,
kollégáival azt állítják, hogy a minisuperspace-ügyben csak a jó terjeszkedési előzményeket felvevő kontúroknak van értelme. A kvantummechanika valószínűségeket igényel az 1-hez való hozzáadáshoz, vagy “normalizálható”, de a vadul ingadozó univerzum, amelyre Turok csapata landolt,nem. Ez a megoldás értelmetlen, a végtelenségektől sújtott és a kvantumtörvények által nem engedélyezett-nyilvánvaló jelek, a no-boundary védelmezői szerint, a másik irányba járni.
igaz, hogy a jó megoldáson áthaladó kontúrok a lehetséges univerzumokat képzeletbeli értékekkel összegzik a lapse változók számára., De Turokon és cégeken kívül kevesen gondolják, hogy ez probléma. A képzeletbeli számok áthatolják a kvantummechanikát. A Hartle-Hawking csapathoz a kritikusok hamis ok-okozati fogalmat idéznek fel, követelve, hogy ez az elévülés valódi legyen. “Ez egy olyan elv, amely nem szerepel a csillagokban, és amellyel mélységesen nem értünk egyet” – mondta Hertog.
Hertog szerint Hawking a későbbi években ritkán említette a no-boundary wave függvény útvonalát, részben a kontúrválasztás körüli kétértelműség miatt., A normalizálható tágulási történelmet, amelyet az integrál ösvény csak segített feltárni, a megoldás egy alaposabb egyenletre az univerzumról, amelyet az 1960-as években John Wheeler és Bryce DeWitt fizikusok jelentettek. Wheeler és DeWitt-miután a Raleigh-Durham International-I elbocsátás során átgondolták a kérdést-azzal érvelt, hogy az univerzum hullámfunkciója, bármi is legyen, nem függhet az időtől, mivel nincs külső óra, amellyel meg lehet mérni., És így az energia mennyisége az univerzumban, amikor összeadjuk az anyag és a gravitáció pozitív és negatív hozzájárulásait, örökre nulla marad. A no-boundary wave függvény megfelel a Wheeler-DeWitt egyenlet minisuperspace.
életének utolsó éveiben, hogy általánosabban megértse a hullámfunkciót, Hawking és munkatársai holográfiát kezdtek alkalmazni-egy blokkoló új megközelítést, amely a téridőt hologramként kezeli., Hawking holografikus leírást keresett egy tollaslabda alakú univerzumról, amelyben az egész múlt geometriája a jelenből vetül ki.
Ez az erőfeszítés Hawking távollétében folytatódik. Turok azonban úgy látja, hogy ez a hangsúlyváltás megváltoztatja a szabályokat. Az ösvényről való visszalépéskor, mondja, a határok nélküli ötlet támogatói rosszul definiálták. Amit tanulnak, az már nem Hartle-Hawking-véleménye szerint -, bár maga Hartle nem ért egyet.,
az elmúlt évben Turok és kollégái, Latham Boyle és Kieran Finn új kozmológiai modellt dolgoztak ki, amely sok közös vonással rendelkezik a határok nélküli javaslattal. De ahelyett, hogy egy tollaslabda, elképzeli két, elrendezett parafa parafa egyfajta homokóra alak idő áramlik mindkét irányban., Bár a modell még nem eléggé fejlett ahhoz, hogy előrejelzéseket készítsen, varázsa abban rejlik, hogy lebenyei felismerik a CPT szimmetriát, egy látszólag alapvető tükör a természetben, amely egyszerre tükrözi az anyagot és az antianyagot, balra és jobbra, előre és hátra az időben. Az egyik hátrány az, hogy az univerzum tükörképének lebenyei szingularitással találkoznak, egy csipetnyi téridőben, amely megköveteli az ismeretlen gravitációs kvantumelmélet megértését. Boyle, Finn és Turok a szingularitásra törekszenek, de egy ilyen kísérlet eredendően spekulatív.,
rengeteg kérdés merül fel arról, hogy a különböző javaslatok hogyan keresztezik egymást az antropikus érveléssel és a hírhedt multiverzális ötlettel. A no-boundary wave funkció például az üres univerzumokat részesíti előnyben, míg a hatalmasság és a komplexitás eléréséhez jelentős anyag és energia szükséges. Hawking azzal érvelt, hogy a hullámfüggvény által megengedett lehetséges világegyetemek hatalmas elterjedését minden nagyobb multiverzumban kell megvalósítani, amelyen belül csak a miénkhez hasonló összetett univerzumoknak lesznek lakói, akik képesek megfigyeléseket végezni., (A legutóbbi vita arról szól, hogy ezek a komplex, lakható univerzumok simák vagy vadul ingadoznak-e.) Az alagútfúrási javaslat egyik előnye, hogy a miénkhez hasonló anyag – és energiával töltött világegyetemeket részesíti előnyben anélkül, hogy antropikus érvelést alkalmazna-bár a létbe vezető alagútnak más problémái is lehetnek.
nem számít, hogy mennek a dolgok, talán marad valami lényege a kép Hawking először festett a Pápai Tudományos Akadémia 38 évvel ezelőtt., Vagy talán, ahelyett, hogy egy déli pólus-szerű nem-kezdet, az univerzum alakult ki a szingularitás elvégre igényes egy másik fajta hullám funkció összesen. Akárhogy is, az üldözés folytatódik. “Ha egy kvantummechanikai elméletről beszélünk, akkor mi van még a hullámfüggvényen kívül?”- kérdezte Juan Maldacena, a New Jersey-i Princeton-i fejlett Tanulmányi Intézet kiemelkedő elméleti fizikusa, aki többnyire kimaradt a közelmúltból., Az univerzum hullámfunkciójának kérdése “a helyes kérdés, amelyet fel kell tenni” – mondta Maldacena, aki egyébként a pápai Akadémia tagja. “Függetlenül attól, hogy megtaláljuk — e a megfelelő hullámfüggvényt, vagy hogyan kell gondolkodnunk a hullámfüggvényről-kevésbé világos.”
Correction: This article was revised on June 6, 2019, to list Latham Boyle and Kieran Finn as co-developers of the CPT-symmetric universe idea.
ezt a cikket újranyomtatták Wired.com.