I 1981, mange av verdens ledende cosmologists samlet ved det Pavelige vitenskapsakademi, en rest av den tilsvarande linjene av vitenskap og teologi ligger i en elegant villa i hagene til Vatikanet. Stephen Hawking valgte august innstillingen til å vise hva han ville senere anser som sin viktigste idé: et forslag om hvordan universet kan ha oppstått fra ingenting.,

Før Hawking ‘ s talk, alle kosmologiske opprinnelse historier, vitenskapelige eller teologisk, hadde invitert replikk, «Hva skjedde før det?»The Big Bang theory, for eksempel — pioner 50 år før Hawking’ s foredrag av den Belgiske fysikeren og Katolsk prest Georges Lemaître, som senere var president i Vatikanet ‘ s academy of sciences — spoler tilbake utvidelsen av universet tilbake til en varm, tett bunt av energi. Men hvor ble det av den opprinnelige energien kommer fra?

The Big Bang theory hadde andre problemer., Fysikere forstått at en voksende samling av energi vil vokse inn i en sammenkrøllet rot heller enn store, glatte kosmos som moderne astronomer observere. I 1980, året før Hawking ‘ s talk, den cosmologist Alan Guth innså at Big Bang-problemer kan bli løst med en add-on: et første, eksponentiell vekst sprute kjent som kosmisk inflasjon, noe som ville ha gjort den enorme universet, glatt og flat før tyngdekraften hadde en sjanse til å ta knekken på det. Inflasjonen ble raskt den ledende teorien om våre kosmisk opprinnelse., Men problemet initialtilstander vært: Hva var kilden til de ørsmå patch som angivelig ballooned i vårt kosmos, og av den potensielle energien som oppblåst det?

Hawking, i hans glans, så en måte å avslutte endeløs famlende bakover i tid: Han foreslo at det er ingen ende, eller er i ferd, i det hele tatt., I henhold til oppføring av Vatikanet konferanse, Cambridge fysiker, deretter 39 og er fortsatt i stand til å snakke med sin egen stemme, fortalte publikum, «Det burde være noe veldig spesielt om grensebetingelser av universet, og det kan være mer spesielle enn den forutsetning at det er ingen grense?»

«ingen-grenser forslag», som Harker og hans hyppige samarbeidspartner, James Hartle, fullt formulert i et 1983 papir, ser kosmos ha form av en kasteball., Akkurat som en kasteball har en diameter på null på det nederste punktet og gradvis ut på vei opp, universet, i henhold til de ikke-grensen forslag, jevnt utvidet fra et punkt på null størrelse. Hartle og Harking utledet en formel som beskriver hele kasteball — den såkalte «bølgefunksjonen av universet» som omfatter hele fortid, nåtid og fremtid på en gang — noe som gjør åpent spørsmål i alle kontemplasjon av frø av skaperverket, en skaper, eller noen overgang fra en time før.,

«å Spørre hva som kom før the Big Bang er meningsløst, i henhold til de ikke-grensen forslag, fordi det er ingen oppfatningen av tid til å se,» sa Hawking i et annet foredrag ved det Pavelige Akademi i 2016, et og et halvt år før hans død. «Det ville være som å spørre hva som ligger sør for Sydpolen.»

Hartle og Harking forslag radikalt reconceptualized tid., Hvert øyeblikk i universet blir et tverrsnitt av kasteball, mens vi tenker på universet som utvider og utvikler seg fra ett øyeblikk til det neste, er tiden virkelig består av sammenhenger mellom universets størrelse i hvert tverrsnitt og andre egenskaper — spesielt dens entropi, eller lidelse. Entropi øker fra cork til fjær, som tar sikte på en emergent pil tid. Nær kasteball er rundet av bunnen, men korrelasjoner er mindre pålitelig; tid opphører å eksistere, og er erstattet av ren plass., Som Hartle, nå 79 og en professor ved University of California, Santa Barbara, forklarte det med telefonen nylig, «Vi ville ikke ha fugler i de tidlige universet, vi har fugler senere. … Vi hadde ikke tid i det tidlige universet, men vi har tid senere.»

ingen-grense forslaget har fascinert og inspirert fysikere for nesten fire tiår. «Det er et fantastisk vakkert og provoserende idé,» sa Neil Turok, en cosmologist i Perimeter Institutt for Teoretisk Fysikk i Waterloo, Canada, og en tidligere samarbeidspartner av Hawking er., Forslaget representerte et første gjette på quantum beskrivelse av kosmos — bølgefunksjonen av universet. Snart en hel feltet, quantum kosmologi, spratt opp som forskere utviklet alternative ideer om hvordan universet kunne ha kommet fra ingenting, analysert teorier’ ulike spådommer og måter å teste dem, og tolket sitt filosofiske betydning. Den ikke-grensen bølgefunksjonen, i henhold til Hartle, «var på noen måter den enkleste mulige forslag for det.,»

Men for to år siden, en artikkel av Turok, Jobb Feldbrugge av Perimeter Institutt, og Jean-Luc Lehners av Max Planck Institute for Gravitasjonsfelt Fysikk i Tyskland kalt Hartle-Hawking forslag til spørsmål. Forslaget er, selvfølgelig, bare levedyktig hvis et univers som kurver ut av en dimensionless punkt på den måten Hartle og Harking forestilt seg naturlig vokser inn i et univers som vårt. Hawking og Hartle hevdet at ja det ville — som univers uten grenser har en tendens til å være enorme, overveldende glatt, imponerende flat, og utvide, akkurat som selve kosmos., «Problemet med Stephen og Jim’ s tilnærming er at det var tvetydig,» Turok sa: «dypt tvetydig.»

I deres 2017 papir, publisert i Physical Review Letters, Turok og hans medforfattere nærmet Hartle og Hawking er ingen grense forslag med nye matematiske teknikker som, etter deres syn, gjøre sine spådommer mye mer konkret enn før. «Vi oppdaget at det bare mislyktes totalt,» Turok sa. «Det var bare ikke mulig quantum mekanisk for et univers å starte på den måten de har forestilt seg.,»Trioen sjekket sitt matematikk og spørres deres underliggende forutsetninger før du går offentlig, men «dessverre,» Turok sa, «det bare syntes å være uunngåelig at Hartle-Hawking forslaget var en katastrofe.»

papiret antent en kontrovers. Andre eksperter montert en kraftig forsvar av ikke-grensen idé og en imøtegåelse av Turok og kolleger’ resonnement. «Vi er uenige med sin tekniske argumenter,» sa Thomas Hertog, en fysiker ved det Katolske Universitetet i Leuven i Belgia som samarbeidet tett med Hawking for de siste 20 årene av sistnevnte liv., «Men mer fundamentalt, vi er uenige også med hans definisjon, hans rammeverk, hans valg av prinsipper. Og det er det som er mer interessant diskusjon.»

Etter to år med sparring, gruppene har undersøkt deres tekniske uenighet forskjellige oppfatninger om hvordan naturen fungerer. Oppvarmet — men vennlig — debatten har bidratt til fast opp tanken om at de fleste kilte Hawking ‘ s fancy., Selv kritikere av hans og Hartle er bestemt formel, inkludert Turok og Lehners, er å lage konkurrerende quantum-kosmologiske modeller som prøver å unngå den påståtte fallgruvene av den opprinnelige samtidig opprettholde sin grenseløse allure.

Garden av Kosmisk Herligheter

Hartle og Harking så mye av hverandre fra 1970-tallet på, vanligvis når de møttes i Cambridge for lange perioder av samarbeidet. Duoen teoretiske undersøkelser av sorte hull og den mystiske singularities på sine sentre hadde slått dem på spørsmål om våre kosmisk opprinnelse.,

I 1915, Albert Einstein oppdaget at konsentrasjoner av materie eller energi warp stoffet av rom-tid, som forårsaker gravitasjon. I 1960-årene, Harking og Oxford University fysikeren Roger Penrose viste seg at når space-time svinger bratt nok, for eksempel inne i et sort hull, eller kanskje under Big Bang, er det uunngåelig kollapser, buede uendelig bratt mot en singularitet, hvor Einsteins ligninger bryte ned og en ny, quantum theory of gravity er nødvendig. Den Penrose-Hawking «singularitet teoremer» mente det var ingen vei for plass-på tide å begynne jevnt, undramatically på et punkt.,

Hawking og Hartle ble ledet dermed til å overveie muligheten for at universet startet som ren plass, snarere enn dynamiske rom-tid. Og dette ledet dem til kasteball geometri. De definerte ikke-grensen bølge funksjon som beskriver en slik universet ved hjelp av en tilnærming oppfunnet av Hawking er helten, fysikeren Richard Feynman. I 1940-årene, Feynman utarbeidet et skjema for beregning av den mest sannsynlige utfall av kvantemekaniske hendelser., Å forutsi, sier du, det mest sannsynlige utfall av en partikkel kollisjon, Feynman funnet ut at du kunne oppsummere alle mulige veier at kollidere partikler kan ta, vekting grei veier mer enn convoluted de i sum. Beregning av denne «banen integrert» gir deg bølgefunksjonen: en sannsynlighetsfordeling som indikerer de ulike mulige tilstander av partikler etter kollisjonen.

på samme måte, Hartle og Harking uttrykt bølgefunksjonen i universet, som beskriver den sannsynlige stater — som summen av alle mulige måter at det kan ha jevnt utvidet fra et punkt., Håpet var at summen av alle mulige «utvidelse historier,» glatt bunner befolket av alle forskjellige former og størrelser, ville føre til en bølge-funksjonen som gir en høy sannsynlighet for et stort, jevnt, flatt univers som vårt. Hvis den veide summen av alle mulig utvidelse historier gir en annen form for universet som den mest sannsynlige utfallet, no-grensen forslag mislykkes.

problemet er at banen integrert over alle mulig utvidelse historier er altfor komplisert å beregne nøyaktig. Utallige forskjellige former og størrelser av universer er mulig, og i hvert kan bli en rotete affære., «Murray Gell-Mann pleide å spørre meg,» Hartle sagt, med henvisning til slutten av Nobels Fredspris-vinner fysiker, «hvis du vet bølgefunksjonen av universet, hvorfor er ikke du rik?»Selvfølgelig, å faktisk løse for bølgen funksjon ved hjelp av Feynman metode, Hartle og Hawking hadde til å drastisk forenkle situasjonen, ignorerer selv bestemte partikler som fyller vår verden (som betydde at deres formel var ingen i nærheten av å være i stand til å forutsi aksjemarkedet)., De betraktet banen integrert over alle mulige leketøy universer i «minisuperspace,» definert som mengden av alle universer med en enkelt energifeltet løpe gjennom dem: den energien som drevet kosmisk inflasjon. (I Hartle og Hawking er kasteball bilde, som første perioden av utposning tilsvarer rask økning i diameter nær bunnen av cork.)

Selv minisuperspace beregningen er vanskelig å løse akkurat, men fysikere vet det er to mulig utvidelse historier som potensielt dominere beregningen., Disse rival universet former forankre to sider av dagens debatt.

rival løsninger er de to «klassiske» utvidelse historier at universet kan ha. Etter et første spørsmål av kosmisk inflasjon fra størrelse null, disse universene stadig utvides i henhold til Einsteins relativitetsteori og rom-tid. Enda rarere utvidelse historier, som fotball-formet universer eller caterpillar-som de, for det meste kansellere ut i quantum beregning.

En av de to klassiske løsninger ligner vårt univers., På store skalaer, det er glatt og tilfeldig flekket med energi, på grunn av quantum svingninger i inflasjonen. Som i den virkelige universet, tetthet forskjeller mellom regioner danner en klokkekurve rundt null. Hvis dette mulig løsning gjør faktisk dominerer bølgefunksjonen for minisuperspace, blir det rimelig å tenke seg at en langt mer detaljert og nøyaktig versjon av den ikke-grensen bølgefunksjonen kan tjene som en levedyktig kosmologisk modell av den virkelige universet.

Den andre potensielt dominerende universet formen er ingenting som virkeligheten., Som det vider seg ut, energi infusjonen det varierer mer og mer ekstremt, skape enorm tetthet forskjeller fra et sted til det neste som tyngdekraften stadig forverres. Tetthet variasjoner danner en omvendt bell-kurve, hvor forskjeller mellom regioner tilnærming ikke er null, men infinity. Hvis dette er den dominerende begrepet i den ikke-grensen bølgefunksjonen for minisuperspace, så Hartle-Hawking forslaget synes å være feil.

De to dominerende utvidelse historier presentere et valg i hvordan banen integrert som bør gjøres., Hvis det dominerende historier er to steder på et kart, megabyer i riket av alle mulige kvantemekaniske universer, spørsmålet er hvilken vei vi skulle ta gjennom terrenget. Som dominerende utvidelse historie, og det kan bare være én, bør vår «konturen av integrering» plukke opp? Forskere har kløft ned forskjellige baner.

I deres 2017 papir, Turok, Feldbrugge og Lehners tok en sti gjennom hagen til mulig utvidelse historier som førte til den andre dominerende løsning., Etter deres syn, den eneste fornuftige contour er en som skanner gjennom reelle verdier (i motsetning til innbilte verdier, som involverer kvadratrøtter av negative tall) for en variabel kalt «forfalle.»Lapse er i hovedsak høyden av hver mulig kasteball universet — den avstand det tar å nå et bestemt diameter. Mangler en årsakssammenheng element, lapse er ikke helt vår vanlige oppfatning av tid. Ennå Turok og kolleger hevder delvis på grunnlag av kausalitet som eneste virkelige verdier av lapse gjøre fysisk forstand., Og summere over universer med reelle verdier av lapse fører til den svært varierende, fysisk nonsens løsning.

«Folk legger stor tro på Stephen’ s intuisjon,» Turok sa på telefon. «Med god grunn — jeg mener, han hadde sannsynligvis den beste intuisjon av alle brukere på disse emnene. Men han var ikke alltid rett.»

Imaginære Universer

Jonathan Halliwell, en fysiker ved Imperial College London, har studert ikke-grensen forslaget siden han var Hawking er student på 1980-tallet. Han og Hartle analysert spørsmålet om konturene av integrering i 1990., Etter deres syn, så vel som Hertog, og tilsynelatende Hawking er, konturene er ikke grunnleggende, men snarere en matematisk verktøy som kan være plassert til størst nytte. Det ligner på hvordan banen av en planet rundt solen kan uttrykkes matematisk som en serie av vinkler, som en rekke ganger, eller i form av noen av flere andre praktiske parametere. «Du kan gjøre det parameterization på mange forskjellige måter, men ingen av dem er noe mer fysisk enn annen,» Halliwell sa.,

Han og hans kollegaer hevder at i minisuperspace tilfelle, bare konturer som tar opp den gode utvidelse historie fornuftig. Quantum mechanics krever sannsynligheter for å legge til 1, eller være «normalizable,» men den svært varierende universet som Turok team landet på er det ikke. At løsningen er nonsens, plaget av infinities og forbudt av quantum lover — åpenbare tegn, i henhold til ikke-grensen forsvarere, til å gå den andre veien.

Det er sant at konturene passerer gjennom god løsning oppsummere mulige universer med innbilte verdier for sine lapse variabler., Men bortsett fra Turok og selskapet, noen folk tror det er et problem. Imaginære tall gjennomsyre kvantemekanikk. Til team Hartle-Harker, kritikere er å ta i bruk en falsk forestilling om kausalitet i krevende at lapse være ekte. «Det er et prinsipp som er ikke skrevet i stjernene, og som vi dypt uenig med,» Hertog sa.

Ifølge for å Hertog, Hawking sjelden nevnt banen integrert formulering av den ikke-grensen bølgefunksjonen i hans senere år, delvis på grunn av tvetydighet rundt valg av kontur., Han betraktet den normalizable utvidelse historie, som banen integrert bare hadde hjulpet avdekke, som løsningen på et mer grunnleggende ligningen om universet stilte i 1960 av fysikere John Wheeler og Bryce DeWitt. Wheeler og DeWitt — etter funderer over problemet under en layover i Raleigh-Durham Internasjonale — hevdet at bølgefunksjonen av universet, uansett hva det er, kan ikke være avhengig av tid, siden det er ingen ekstern klokke ved å måle det., Og dermed mengden av energi i universet, da legger du opp positive og negative bidrag av saken og gravity, må bo på null for alltid. Den ikke-grensen bølgefunksjonen tilfredsstiller Wheeler-DeWitt ligningen for minisuperspace.

I de siste årene av sitt liv, for å bedre forstå bølgefunksjonen mer generelt, Harking og hans samarbeidspartnere i gang anvendelse av holografi — en kjempesuksess ny tilnærming som behandler plass-tid som et hologram., Hawking søkt en holografisk beskrivelse av en kasteball-formet universet, der geometrien i hele det tidligere ville prosjektet av i dag.

dette arbeidet er videreført i Hawking fravær. Men Turok ser dette skiftet i vektlegging som å endre reglene. I kompet bort fra veien integrert formulering, sier han, talsmenn for ikke-grensen ideen har gjort det dårlig definert. Hva de er å studere er ikke lenger Hartle-Harker, i hans mening — selv om Hartle seg uenig.,

For det siste året, Turok og hans Perimeter Institutt kolleger Latham Boyle og Kieran Finn har vært å utvikle en ny kosmologisk modell som har mye til felles med den ikke-grensen forslaget. Men i stedet for en kasteball, det ser to, arrangert cork cork i en slags timeglass figur med tiden strømmer i begge retninger., Mens modellen er ennå ikke utviklet nok til å gjøre forutsigelser, sin sjarm ligger i måten de lobes innse CPT symmetri, en tilsynelatende grunnleggende speil i naturen som samtidig reflekterer materie og antimaterie, venstre og høyre, og forover og bakover i tid. En ulempe er at universet er speilbilde lobes møtes på en singularitet, en klype i rom-tid som krever ukjent quantum theory of gravity å forstå. Boyle, Finn og Turok ta en stikke på singularitet, men et slikt forsøk er iboende spekulative.,

Det har også vært en vekkelse av interesse i «tunneling forslaget,» en alternativ måte at universet kan ha oppstått fra ingenting, unnfanget i ’80-tallet uavhengig av den russisk-Amerikanske cosmologists Alexander Vilenkin og Andrei Linde. Forslaget, som er forskjellig fra den ikke-grensen bølgefunksjonen først og fremst ved hjelp av et minus-tegn, kaster fødselen av universet som en kvantemekaniske «tunneling» event, som når en partikkel dukker opp utover en barriere i en kvantemekaniske eksperimenter.,

Spørsmål florerer om hvordan de ulike forslag møtes med anthropic resonnement og den beryktede multivers idé. Den ikke-grensen bølgefunksjonen, for eksempel, favoriserer tom universer, mens betydelige materie og energi som trengs for å drive hugeness og kompleksitet. Hawking hevdet at den store spredningen av mulige universer tillatt av bølgefunksjonen må alle bli realisert i noen større multiverse, der bare komplekse univers som vårt, har innbyggerne i stand til å gjøre observasjoner., (Den siste debatten bekymringer om disse komplekse, beboelige universer vil være glatt eller svært varierende.) En fordel av tunnelering for forslaget er at det favoriserer sak – og energi-fylt univers som vårt, uten å ty til anthropic resonnement — selv om universer som tunnel inn i eksistens kan ha andre problemer.

uansett hvordan det går, kanskje vi kommer til å sitte igjen med noen essensen av bildet Hawking første malt ved det Pavelige vitenskapsakademi 38 år siden., Eller kanskje, i stedet for Sydpolen-som ikke-begynnelsen, universet kom fra en singularitet tross alt, som krever en annen type bølge-funksjonen helt. Uansett, arbeidet vil fortsette. «Hvis vi snakker om en kvantemekaniske teorien, hva annet er det å finne andre enn bølgefunksjonen?»spurte Juan Maldacena, en eminent teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, som har for det meste oppholdt seg ut av de siste kampene., Spørsmålet av bølgefunksjonen of the universe «er den riktige typen av spørsmål å stille,» sa Maldacena, som for øvrig er medlem av det Pavelige Akademiet. «Enten er vi å finne den rette bølgen funksjon, eller hvordan vi bør tenke om wave-funksjon — det er mindre klart.»

Rettelse: Denne artikkelen ble revidert juni 6, 2019, å liste Latham Boyle og Kieran Finn co-utviklere av CPT-symmetrisk universet idé.

Denne artikkelen ble gjengitt på Wired.com.