1981 versammelten sich viele der weltweit führenden Kosmologen an der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften, einem Überbleibsel der gekoppelten Linien von Wissenschaft und Theologie in einer eleganten Villa in den Gärten des Vatikans. Stephen Hawking wählte die August-Einstellung, um zu präsentieren, was er später als seine wichtigste Idee betrachten würde: einen Vorschlag, wie das Universum aus dem Nichts entstanden sein könnte.,
Vor Hawkings Vortrag hatten alle kosmologischen Ursprungsgeschichten, wissenschaftlich oder theologisch, den Rejoinder eingeladen: „Was ist vorher passiert?“The Big Bang Theorie, zum Beispiel — Pionier zu 50 Jahre vor Hawkings Vortrag der belgische Physiker und katholische Priester Georges Lemaître, der später diente als Präsident der Vatikanischen Akademie der Wissenschaften — spult die expansion des Universums wieder zu einem heißen, dichten Bündel von Energie. Aber woher kam die anfängliche Energie?
Die Urknalltheorie hatte andere Probleme., Physiker verstanden, dass ein expandierendes Energiebündel eher zu einem zerknitterten Durcheinander wachsen würde als zu dem riesigen, glatten Kosmos, den moderne Astronomen beobachten. 1980, im Jahr vor Hawkings Vortrag, erkannte der Kosmologe Alan Guth, dass die Probleme des Urknalls mit einem Add-On behoben werden konnten: einem anfänglichen exponentiellen Wachstumsschub, der als kosmische Inflation bekannt ist und das Universum riesig, glatt und flach gemacht hätte, bevor die Schwerkraft die Chance hatte, es zu zerstören. Inflation wurde schnell zur führenden Theorie unserer kosmischen Ursprünge., Doch die Frage der Anfangsbedingungen blieb: Was war die Quelle des winzigen Flecks, der angeblich in unseren Kosmos aufgeblasen wurde, und der potentiellen Energie, die ihn aufgeblasen hat?
Hawking sah in seiner Brillanz einen Weg, das endlose Tappen rückwärts in der Zeit zu beenden: Er schlug vor, dass es überhaupt kein Ende oder Anfang gibt., Nach der Aufzeichnung der vatikanischen Konferenz sagte der Cambridge-Physiker, damals 39 und immer noch in der Lage, mit seiner eigenen Stimme zu sprechen, der Menge: „Es sollte etwas ganz Besonderes an den Randbedingungen des Universums geben, und was kann spezieller sein als die Bedingung, dass es keine Grenze gibt?“
Der „no-boundary-Vorschlag,“ die Hawking und seine häufigen Mitarbeiter James Hartle, vollständig formulierte 1983 Papier, sieht den Kosmos mit der Form eines Federball., So wie ein Federball an seinem untersten Punkt einen Durchmesser von Null hat und sich auf dem Weg nach oben allmählich erweitert, dehnte sich das Universum nach dem Vorschlag ohne Grenzen reibungslos von einem Punkt von Nullgröße aus. Hartle und Hawking leiteten eine Formel ab, die den gesamten Federball beschreibt-die sogenannte „Wellenfunktion des Universums“, die die gesamte Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft auf einmal umfasst — und alle Überlegungen über Samen der Schöpfung, einen Schöpfer oder einen Übergang von einer Zeit zuvor in Frage stellte.,
„Die Frage, was vor dem Urknall geschah, ist nach dem Vorschlag ohne Grenzen bedeutungslos, weil es keine Vorstellung von Zeit gibt, auf die man sich beziehen kann“, sagte Hawking in einem weiteren Vortrag an der Päpstlichen Akademie im Jahr 2016, anderthalb Jahre vor seinem Tod. „Es wäre, als würde man fragen, was südlich des Südpols liegt.“
Hartle und Hawkings Vorschlag versöhnten die Zeit radikal., Jeder Moment im Universum wird zu einem Querschnitt des Federballs; Während wir das Universum von einem Moment zum nächsten als Ausdehnung und Entwicklung wahrnehmen, besteht die Zeit wirklich aus Korrelationen zwischen der Größe des Universums in jedem Querschnitt und anderen Eigenschaften-insbesondere seiner Entropie oder Störung. Die Entropie nimmt vom Korken bis zu den Federn zu und zielt auf einen auftauchenden Pfeil der Zeit. In der Nähe des abgerundeten Bodens des Shuttlecocks sind die Korrelationen jedoch weniger zuverlässig; Die Zeit hört auf zu existieren und wird durch reinen Raum ersetzt., Wie Hartle, jetzt 79 und Professor an der University of California, Santa Barbara, kürzlich telefonisch erklärte: „Wir hatten keine Vögel im sehr frühen Universum; wir haben später Vögel. … Wir nicht haben die Zeit im frühen Universum, aber wir haben später Zeit.“
Der grenzenlose Vorschlag fasziniert und inspiriert Physiker seit fast vier Jahrzehnten. „Es ist eine erstaunlich schöne und provokative Idee“, sagte Neil Turok, Kosmologe am Perimeter Institute for Theoretical Physics in Waterloo, Kanada, und ehemaliger Mitarbeiter von Hawking., Der Vorschlag stellte eine erste Vermutung bei der Quantenbeschreibung des Kosmos dar — der Wellenfunktion des Universums. Bald entstand ein ganzes Feld, die Quantenkosmologie, als Forscher alternative Ideen darüber entwickelten, wie das Universum aus dem Nichts hätte kommen können, die verschiedenen Vorhersagen und Möglichkeiten der Theorien analysierten, sie zu testen, und ihre philosophische Bedeutung interpretierten. Die grenzenlose Wellenfunktion, so Hartle, „war in gewisser Weise der einfachste mögliche Vorschlag dafür.,“
Aber vor zwei Jahren stellten ein Papier von Turok, Job Feldbrugge vom Perimeter Institute und Jean-Luc Lehners vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland den Hartle-Hawking-Vorschlag in Frage. Der Vorschlag ist, Na sicher, nur dann lebensfähig, wenn ein Universum, das sich aus einem dimensionslosen Punkt in der Art und Weise krümmt, wie Hartle und Hawking es sich vorgestellt haben, natürlich in ein Universum wie das unsere hineinwächst. Hawking und Hartle argumentierten, dass es in der Tat so wäre — dass Universen ohne Grenzen dazu neigen, riesig, atemberaubend glatt, beeindruckend flach und sich ausdehnend zu sein, genau wie der eigentliche Kosmos., „Das Problem mit Stephen und Jims Ansatz ist, dass er mehrdeutig war“, sagte Turok — “ zutiefst zweideutig.“
In ihrem 2017 in Physical Review Letters veröffentlichten Papier näherten sich Turok und seine Co-Autoren Hartle und Hawkings No-Boundary-Vorschlag mit neuen mathematischen Techniken, die ihrer Ansicht nach ihre Vorhersagen viel konkreter als zuvor machen. „Wir haben festgestellt, dass es einfach kläglich gescheitert ist“, sagte Turok. „Es war einfach nicht möglich, quantenmechanisch für ein Universum so zu beginnen, wie sie es sich vorgestellt hatten.,“Das Trio überprüfte ihre Mathematik und fragte ihre zugrunde liegenden Annahmen ab, bevor es an die Öffentlichkeit ging, aber „leider“, sagte Turok, „schien es unausweichlich zu sein, dass der Hartle-Hawking-Vorschlag eine Katastrophe war.“
Das Papier entzündete eine Kontroverse. Andere Experten montierten eine energische Verteidigung der grenzenlosen Idee und eine Widerlegung der Argumentation von Turok und Kollegen. „Wir sind mit seinen technischen Argumenten nicht einverstanden“, sagte Thomas Herzog, Physiker an der Katholischen Universität Leuven in Belgien, der in den letzten 20 Jahren seines Lebens eng mit Hawking zusammengearbeitet hat., „Aber grundlegender sind wir auch mit seiner Definition, seinem Rahmen, seiner Wahl der Prinzipien nicht einverstanden. Und das ist die interessantere Diskussion.“
Nach zwei Jahren Sparring haben die Gruppen ihre technischen Meinungsverschiedenheiten auf unterschiedliche Überzeugungen über die Funktionsweise der Natur zurückgeführt. Die hitzige — aber freundliche-Debatte hat dazu beigetragen, die Idee zu festigen, die Hawkings Phantasie am meisten kitzelte., Selbst Kritiker der spezifischen Formel von his und Hartle, einschließlich Turok und Lehners, erstellen konkurrierende quantenkosmologische Modelle, die versuchen, die angeblichen Fallstricke des Originals zu vermeiden und gleichzeitig seinen grenzenlosen Reiz beizubehalten.
Garden of Cosmic Delights
Hartle und Hawking sahen ab den 1970er Jahren viel voneinander, typischerweise als sie sich in Cambridge für lange Zeit der Zusammenarbeit trafen. Die theoretischen Untersuchungen des Duos über Schwarze Löcher und die mysteriösen Singularitäten in ihren Zentren hatten sie auf die Frage nach unserem kosmischen Ursprung gebracht.,
1915 entdeckte Albert Einstein, dass Konzentrationen von Materie oder Energie das Gewebe der Raumzeit verziehen und die Schwerkraft verursachen. In den 1960er Jahren bewiesen Hawking und der Physiker der Universität Oxford, Roger Penrose, dass die Raumzeit, wenn sie sich steil genug biegt, wie in einem Schwarzen Loch oder vielleicht während des Urknalls, unweigerlich zusammenbricht und sich unendlich steil in Richtung einer Singularität krümmt, wo Einsteins Gleichungen zusammenbrechen und eine neue Quantentheorie der Schwerkraft benötigt wird. Die Penrose-Hawking „Singularitätssätze“ bedeuteten, dass es keine Möglichkeit für Raum-Zeit gab, reibungslos und undramatisch an einem Punkt zu beginnen.,
Hawking und Hartle wurden daher dazu gebracht, über die Möglichkeit nachzudenken, dass das Universum als reiner Raum und nicht als dynamische Raumzeit begann. Und das führte sie zur Shuttlecock-Geometrie. Sie definierten die grenzenlose Wellenfunktion, die ein solches Universum beschreibt, mit einem Ansatz, der von Hawkings Helden, dem Physiker Richard Feynman, erfunden wurde. In den 1940er Jahren entwickelte Feynman ein Schema zur Berechnung der wahrscheinlichsten Ergebnisse quantenmechanischer Ereignisse., Um beispielsweise die wahrscheinlichsten Ergebnisse einer Teilchenkollision vorherzusagen, stellte Feynman fest, dass Sie alle möglichen Pfade, die die kollidierenden Teilchen nehmen könnten, zusammenfassen und einfache Pfade mehr als gewundene in der Summe gewichten konnten. Wenn Sie dieses „Pfadintegral“ berechnen, erhalten Sie die Wellenfunktion: eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die die verschiedenen möglichen Zustände der Teilchen nach der Kollision angibt.
Ebenso drückten Hartle und Hawking die Wellenfunktion des Universums — die seine wahrscheinlichen Zustände beschreibt — als Summe aller möglichen Möglichkeiten aus, wie es sich von einem Punkt aus reibungslos erweitert haben könnte., Die Hoffnung war, dass die Summe aller möglichen „Expansionsgeschichten“, glatten Bodenuniversen aller verschiedenen Formen und Größen, eine Wellenfunktion ergeben würde, die eine hohe Wahrscheinlichkeit für ein riesiges, glattes, flaches Universum wie unseres gibt. Wenn die gewichtete Summe aller möglichen Expansionshistorien als wahrscheinlichstes Ergebnis eine andere Art von Universum ergibt, schlägt der Vorschlag ohne Grenzen fehl.
Das Problem ist, dass das Pfadintegral über alle möglichen Expansionshistorien viel zu kompliziert ist, um es genau zu berechnen. Unzählige verschiedene Formen und Größen von Universen sind möglich, und jede kann eine chaotische Angelegenheit sein., „Murray Gell-Mann hat mich immer gefragt“, sagte Hartle und bezog sich auf den verstorbenen Nobelpreisträger: „Wenn Sie die Wellenfunktion des Universums kennen, warum sind Sie dann nicht reich?“Um die Wellenfunktion mit Feynmans Methode tatsächlich zu lösen, mussten Hartle und Hawking die Situation drastisch vereinfachen und sogar die spezifischen Teilchen ignorieren, die unsere Welt bevölkern (was bedeutete, dass ihre Formel nicht annähernd in der Lage war, den Aktienmarkt vorherzusagen)., Sie betrachteten den Weg Integral über alle möglichen Spielzeuguniversen im „Minisuperspace“, definiert als die Menge aller Universen mit einem einzigen Energiefeld, das sie durchläuft: die Energie, die die kosmische Inflation antreibt. (In Hartle und Hawkings Federballbild entspricht diese anfängliche Ballonzeit der schnellen Zunahme des Durchmessers in der Nähe des Korkenbodens.)
Selbst die Minisuperraumberechnung ist schwer genau zu lösen, aber Physiker wissen, dass es zwei mögliche Expansionshistorien gibt, die möglicherweise die Berechnung dominieren., Diese rivalisierenden Universumsformen verankern die beiden Seiten der aktuellen Debatte.
Die rivalisierenden Lösungen sind die beiden „klassischen“ Expansionsgeschichten, die ein Universum haben kann. Nach einem anfänglichen Anstieg der kosmischen Inflation von der Größe Null aus dehnen sich diese Universen nach Einsteins Gravitations-und Raumzeittheorie stetig aus. Seltsamere Expansionsgeschichten, wie fußballförmige Universen oder raupenartige, brechen meist in der Quantenberechnung auf.
Eine der beiden klassischen Lösungen ähnelt unserem Universum., Auf großen Skalen ist es glatt und zufällig mit Energie bedeckt, aufgrund von Quantenschwankungen während der Inflation. Wie im realen Universum bilden Dichteunterschiede zwischen Regionen eine Glockenkurve um Null. Wenn diese mögliche Lösung tatsächlich die Wellenfunktion für den Minisuperraum dominiert, wird es plausibel, sich vorzustellen, dass eine weit detailliertere und genauere Version der grenzenlosen Wellenfunktion als tragfähiges kosmologisches Modell des realen Universums dienen könnte.
Die andere potenziell dominante Universumsform ist nichts wie die Realität., Wenn es sich erweitert, variiert die Energie, die es infundiert, immer extremer und erzeugt enorme Dichteunterschiede von einem Ort zum nächsten, so dass sich die Schwerkraft stetig verschlechtert. Dichteschwankungen bilden eine umgekehrte Glockenkurve, bei der sich Unterschiede zwischen Regionen nicht Null, sondern Unendlich nähern. Wenn dies der dominierende Begriff in der grenzenlosen Wellenfunktion für den Minisuperraum ist, scheint der Hartle-Hawking-Vorschlag falsch zu sein.
Die beiden dominanten Expansionsgeschichten stellen eine Wahl dar, wie das Pfadintegral durchgeführt werden soll., Wenn die dominanten Geschichten zwei Orte auf einer Karte sind, Megastädte im Bereich aller möglichen quantenmechanischen Universen, ist die Frage, welchen Weg wir durch das Gelände gehen sollten. Welche dominante Expansionsgeschichte, und es kann nur eine geben, sollte unsere „Kontur der Integration“ aufgreifen? Forscher haben unterschiedliche Wege eingeschlagen.
Turok, Feldbrugge und Lehners haben in ihrem 2017-Paper einen Weg durch den Garten möglicher Expansionsgeschichten eingeschlagen, der zur zweiten dominierenden Lösung führte., Ihrer Ansicht nach ist die einzige sinnvolle Kontur eine, die reale Werte (im Gegensatz zu imaginären Werten, die die Quadratwurzeln negativer Zahlen beinhalten) nach einer Variablen namens „lapse“ durchsucht.“Lapse ist im Wesentlichen die Höhe jedes möglichen Shuttlecock-Universums — die Entfernung, die benötigt wird, um einen bestimmten Durchmesser zu erreichen. Ohne ein kausales Element ist das Verfallen nicht ganz unsere übliche Vorstellung von Zeit. Doch Turok und Kollegen argumentieren zum Teil aus Kausalitätsgründen, dass nur reale Werte des Verfalls physischen Sinn machen., Und das Summieren über Universen mit realen Werten des Verfalls führt zu der wild schwankenden, körperlich unsinnigen Lösung.
„Die Menschen vertrauen sehr auf Stephens Intuition“, sagte Turok telefonisch. „Aus gutem Grund – ich meine, er hatte wahrscheinlich die beste Intuition von jedem zu diesen Themen. Aber er hatte nicht immer Recht.“
Imaginary Universes
Jonathan Halliwell, Physiker am Imperial College London, hat den No-Boundary-Vorschlag untersucht, seit er Hawkings Student in den 1980er Jahren war. Er und Hartle analysierten das Problem der Kontur der Integration im Jahr 1990., Aus ihrer Sicht ist die Kontur ebenso wie die von Hertog und anscheinend Hawking nicht grundlegend, sondern ein mathematisches Werkzeug, das zum größten Vorteil eingesetzt werden kann. Es ist ähnlich, wie die Flugbahn eines Planeten um die Sonne mathematisch als eine Reihe von Winkeln, als eine Reihe von Zeiten oder in Bezug auf einen von mehreren anderen geeigneten Parametern ausgedrückt werden kann. „Sie können diese Parametrierung auf viele verschiedene Arten durchführen, aber keiner von ihnen ist physischer als ein anderer“, sagte Halliwell.,
Er und seine Kollegen argumentieren, dass im Fall Minisuperspace nur Konturen sinnvoll sind, die die gute Expansionsgeschichte aufgreifen. Die Quantenmechanik erfordert Wahrscheinlichkeiten, um 1 hinzuzufügen oder“ normalisierbar “ zu sein, aber das stark schwankende Universum, auf dem Turoks Team gelandet ist, ist es nicht. Diese Lösung ist unsinnig, von Unendlichkeiten geplagt und durch Quantengesetze nicht zulässig — offensichtliche Zeichen, so die Verteidiger von No-boundary, in die andere Richtung zu gehen.
Es stimmt, dass Konturen, die die gute Lösung durchlaufen, mögliche Universen mit imaginären Werten für ihre Lapse-Variablen zusammenfassen., Aber abgesehen von Turok und Company denken nur wenige Leute, dass das ein Problem ist. Imaginäre Zahlen durchdringen die Quantenmechanik. Zum Team Hartle-Hawking berufen sich die Kritiker auf eine falsche Vorstellung von Kausalität, wenn sie fordern, dass Lapse real ist. „Das ist ein Prinzip, das nicht in den Sternen steht und dem wir zutiefst widersprechen“, sagte Hertog.
Laut Hertog erwähnte Hawking in seinen späteren Jahren selten die pathogene Formulierung der grenzenlosen Wellenfunktion, teilweise aufgrund der Mehrdeutigkeit bei der Wahl der Kontur., Er betrachtete die normalisierbare Expansionsgeschichte, die das Path Integral nur aufgedeckt hatte, als die Lösung für eine grundlegendere Gleichung über das Universum, die in den 1960er Jahren von den Physikern John Wheeler und Bryce DeWitt gestellt wurde. Wheeler und DeWitt argumentierten — nachdem sie während eines Aufenthalts in Raleigh-Durham International über das Thema nachgedacht hatten—, dass die Wellenfunktion des Universums, was auch immer es ist, nicht von der Zeit abhängen kann, da es keine externe Uhr gibt, mit der es gemessen werden kann., Und so muss die Energiemenge im Universum, wenn Sie die positiven und negativen Beiträge von Materie und Schwerkraft addieren, für immer bei Null bleiben. Die grenzfreie Wellenfunktion erfüllt die Wheeler-DeWitt-Gleichung für den Minisuperraum.
In den letzten Jahren seines Lebens begannen Hawking und seine Mitarbeiter, Holographie anzuwenden, um die Wellenfunktion allgemeiner zu verstehen — einen neuen Blockbuster-Ansatz, der Raumzeit als Hologramm behandelt., Hawking suchte eine holographische Beschreibung eines Shuttlecock-förmigen Universums, in dem die Geometrie der gesamten Vergangenheit aus der Gegenwart projizieren würde.
Diese Bemühungen werden in Hawkings Abwesenheit fortgesetzt. Aber Turok sieht diese Verschiebung der Betonung als Änderung der Regeln. In der Abkehr von der Weg integralen Formulierung, sagt er, Befürworter der no-Boundary Idee haben es schlecht definiert. Was sie studieren, ist seiner Meinung nach nicht mehr Hartle-Hawking – obwohl Hartle selbst nicht einverstanden ist.,
Im vergangenen Jahr haben Turok und seine Kollegen vom Perimeter Institute Latham Boyle und Kieran Finn ein neues kosmologisches Modell entwickelt, das viel mit dem No-Boundary-Vorschlag zu tun hat. Aber anstelle eines Federballs sieht es zwei vor, Kork zu Kork in einer Art Sanduhrfigur angeordnet, wobei die Zeit in beide Richtungen fließt., Während das Modell noch nicht genug entwickelt ist, um Vorhersagen zu treffen, liegt sein Reiz in der Art und Weise, wie seine Lappen die CPT-Symmetrie realisieren, einem scheinbar fundamentalen Spiegel in der Natur, der gleichzeitig Materie und Antimaterie links und rechts sowie vorwärts und rückwärts reflektiert in der Zeit. Ein Nachteil ist, dass sich die Spiegelbildlappen des Universums mit einer Singularität treffen, einer Prise Raumzeit, die das Verständnis der unbekannten Quantentheorie der Schwerkraft erfordert. Boyle, Finn und Turok stechen in die Singularität, aber ein solcher Versuch ist von Natur aus spekulativ.,
Es gab auch eine Wiederbelebung des Interesses am“ Tunnelvorschlag“, einer alternativen Art und Weise, wie das Universum aus dem Nichts entstanden sein könnte, die in den 80er Jahren unabhängig von den russisch-amerikanischen Kosmologen Alexander Vilenkin und Andrei Linde konzipiert wurde. Der Vorschlag, der sich hauptsächlich durch ein Minuszeichen von der grenzenlosen Wellenfunktion unterscheidet, wirft die Geburt des Universums als quantenmechanisches „Tunnelereignis“ ab, ähnlich wie wenn ein Teilchen in einem quantenmechanischen Experiment über eine Barriere hinaus auftaucht.,
Es gibt viele Fragen darüber, wie sich die verschiedenen Vorschläge mit anthropischem Denken und der berüchtigten multiversen Idee überschneiden. Die grenzenlose Wellenfunktion begünstigt zum Beispiel leere Universen, während signifikante Materie und Energie benötigt werden, um Größe und Komplexität zu stärken. Hawking argumentierte, dass die weite Verbreitung möglicher Universen, die durch die Wellenfunktion zulässig sind, alle in einem größeren Multiversum realisiert werden muss, in dem nur komplexe Universen wie unsere Beobachtungen machen können., (Die jüngste Debatte betrifft, ob diese komplexen, bewohnbaren Universen glatt oder stark schwankend sein werden.) Ein Vorteil des Tunnelbauvorschlags besteht darin, dass er Materie – und energiegeladene Universen wie unsere bevorzugt, ohne auf anthropisches Denken zurückzugreifen-obwohl Universen, die in Existenz tunneln, andere Probleme haben können.
Egal wie die Dinge laufen, vielleicht bleibt uns ein Teil des Bildes, das Hawking vor 38 Jahren an der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften gemalt hat., Oder vielleicht ist das Universum anstelle eines südpolähnlichen Nichtbeginns schließlich aus einer Singularität hervorgegangen und hat eine ganz andere Art von Wellenfunktion gefordert. So oder so, die Verfolgung wird fortgesetzt. „Wenn wir über eine quantenmechanische Theorie sprechen, was gibt es außer der Wellenfunktion noch zu finden?“fragte Juan Maldacena, ein bedeutender theoretischer Physiker am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, der sich größtenteils aus dem jüngsten Kampf herausgehalten hat., Die Frage nach der Wellenfunktion des Universums „ist die richtige Frage“, sagte Maldacena, der übrigens Mitglied der Päpstlichen Akademie ist. „Ob wir die richtige Wellenfunktion finden oder wie wir über die Wellenfunktion nachdenken sollten — es ist weniger klar.“
Korrektur: Dieser Artikel wurde am 6.Juni 2019 überarbeitet, um Latham Boyle und Kieran Finn als Mitentwickler der CPT-symmetric universe Idea aufzulisten.
Dieser Artikel wurde nachgedruckt auf Wired.com.