w 1981 r.wielu czołowych kosmologów na świecie zgromadziło się w Papieskiej Akademii Nauk, pozostałości połączonych linii nauki i teologii mieszczącej się w eleganckiej willi w ogrodach Watykanu. Stephen Hawking wybrał sierpniową scenerię, aby przedstawić to, co później uznał za swoją najważniejszą ideę: propozycję o tym, jak wszechświat mógł powstać z niczego.,
przed rozmową Hawkinga wszystkie opowieści o kosmologicznym pochodzeniu, naukowe lub teologiczne, zapraszały do lektury: „co się stało wcześniej?”Na przykład teoria Wielkiego Wybuchu — zapoczątkowana 50 lat przed wykładem Hawkinga przez belgijskiego fizyka i katolickiego księdza Georges 'a Lemaître' a, który później pełnił funkcję prezesa Watykańskiej Akademii Nauk — przewija ekspansję wszechświata z powrotem do gorącej, gęstej wiązki energii. Ale skąd się wzięła początkowa energia?
Teoria wielkiego podrywu miała inne problemy., Fizycy zrozumieli, że rozszerzająca się wiązka energii przerośnie się w zmięty bałagan, a nie ogromny, gładki kosmos, który obserwują współcześni astronomowie. W 1980 roku, rok przed przemówieniem Hawkinga, kosmolog Alan Guth zdał sobie sprawę, że problemy Wielkiego Wybuchu można naprawić za pomocą dodatku: początkowego, wykładniczego wzrostu znanego jako kosmiczna inflacja, która sprawiłaby, że wszechświat byłby ogromny, gładki i płaski, zanim grawitacja miałaby szansę go zniszczyć. Inflacja szybko stała się wiodącą teorią naszego kosmicznego pochodzenia., Pozostaje jednak kwestia warunków początkowych: jakie było źródło drobnej łatki, która rzekomo przedostała się do naszego kosmosu, i potencjalnej energii, która go napompowała?
Hawking w swojej błyskotliwości widział sposób na zakończenie niekończącego się cofania w czasie: zaproponował, że nie ma końca, ani początku, w ogóle., Zgodnie z zapisem konferencji Watykańskiej, fizyk z Cambridge, wówczas 39 i wciąż zdolny do mówienia własnym głosem, powiedział tłumowi: „powinno być coś szczególnego w Warunkach granicznych wszechświata i co może być bardziej szczególnego niż warunek, że nie ma granicy?”
” propozycja bez granic”, którą Hawking i jego częsty współpracownik, James Hartle, w pełni sformułowali w artykule z 1983 roku, wyobraża sobie kosmos o kształcie wahadłowca., Tak jak lotka ma średnicę zera w najniższym punkcie i stopniowo rozszerza się w drodze do góry, wszechświat, zgodnie z propozycją bez granic, płynnie rozszerza się z punktu O rozmiarze zerowym. Hartle i Hawking wyprowadzili formułę opisującą cały lotek-tak zwaną „funkcję falową wszechświata”, która obejmuje całą przeszłość, teraźniejszość i przyszłość jednocześnie-czyniąc spornym wszelkie kontemplacje nasion stworzenia, Stwórcy lub jakiegokolwiek przejścia z czasu poprzedniego.,
„pytanie o to, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem, jest bez znaczenia, zgodnie z propozycją no-boundary, ponieważ nie ma pojęcia o czasie, do którego można się odnieść”, powiedział Hawking w innym wykładzie na Papieskiej Akademii w 2016 roku, półtora roku przed śmiercią. „To byłoby jak pytanie, co leży na południe od bieguna południowego.”
propozycja Hartle ' a i Hawkinga, Każda chwila we wszechświecie staje się przekrojem wahadłowca; podczas gdy postrzegamy wszechświat jako rozszerzający się i ewoluujący z jednej chwili na drugą, czas tak naprawdę składa się z korelacji między wielkością wszechświata w każdym przekroju i innymi właściwościami-szczególnie jego entropią lub zaburzeniem. Entropia wzrasta od korka do piór, celując w wyłaniającą się strzałę czasu. W pobliżu zaokrąglonego DNA wahadłowca korelacje są jednak mniej wiarygodne; czas przestaje istnieć i zostaje zastąpiony czystą przestrzenią., Jak Hartle, obecnie 79 lat i profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, wyjaśnił to niedawno telefonicznie: „nie mieliśmy ptaków we wczesnym Wszechświecie; mamy ptaki później. … Nie mieliśmy czasu we wczesnym Wszechświecie, ale mamy czas później.”
propozycja no-boundary fascynuje i inspiruje fizyków od prawie czterech dekad. „To oszałamiająco piękny i prowokacyjny pomysł” – powiedział Neil Turok, kosmolog z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie i były współpracownik Hawking ' s., Propozycja stanowiła pierwsze przypuszczenie o kwantowym opisie kosmosu — funkcji falowej wszechświata. Wkrótce cała dziedzina, kosmologia kwantowa, powstała, gdy naukowcy opracowali alternatywne pomysły na temat tego, w jaki sposób wszechświat mógł powstać z niczego, przeanalizowali różne przewidywania teorii i sposoby ich testowania oraz zinterpretowali ich filozoficzne znaczenie. Funkcja falowa bez granic, według Hartle 'a,” była w pewnym sensie najprostszą możliwą propozycją.,”
jednak dwa lata temu w artykule Turoka, Joba Feldbrugge 'a z Instytutu Fizyki grawitacyjnej i Jean-Luca Lehnersa z Instytutu Maxa Plancka w Niemczech propozycja Hartle' a-Hawkinga została zakwestionowana. Propozycja jest oczywiście możliwa tylko wtedy, gdy wszechświat, który wykrzywia się z punktu bezwymiarowego w sposób, w jaki Hartle i Hawking wyobrażali sobie naturalnie, przekształci się w wszechświat taki jak nasz. Hawking i Hartle twierdzili, że rzeczywiście tak będzie — że wszechświaty bez granic będą miały tendencję do bycia ogromnymi, zapierającymi dech w piersiach gładkimi, imponująco płaskimi i rozszerzającymi się, tak jak rzeczywisty kosmos., „Problem z podejściem Stephena i Jima jest taki, że było ono niejednoznaczne” – powiedział Turok — ” głęboko niejednoznaczne.”
w swojej pracy z 2017 roku, opublikowanej w Physical Review Letters, Turok i jego współautorzy zwrócili się do Hartle ' a i Hawkinga z propozycją no-boundary z nowymi technikami matematycznymi, które ich zdaniem sprawiają, że przewidywania są znacznie bardziej konkretne niż wcześniej. „Odkryliśmy, że po prostu nie powiodło się” – powiedział Turok. „Nie było po prostu możliwe mechanicznie kwantowe rozpoczęcie wszechświata w sposób, w jaki sobie wyobrażali.,”Trio sprawdziło ich matematykę i zakwestionowało ich podstawowe założenia przed upublicznieniem, ale „niestety”, powiedział Turok, „wydawało się nie do uniknięcia, że propozycja Hartle' a-Hawkinga była katastrofą.”
Gazeta wywołała kontrowersje. Inni eksperci podjęli energiczną obronę idei no-boundary i obalenie rozumowania Turoka i kolegów. „Nie zgadzamy się z jego argumentami technicznymi” – powiedział Thomas Hertog, fizyk z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven w Belgii, który ściśle współpracował z Hawkingiem przez ostatnie 20 lat jego życia., „Ale bardziej zasadniczo, nie zgadzamy się również z jego definicją, jego ramami, jego wyborem zasad. I to jest bardziej interesująca dyskusja.”
Po dwóch latach sparingów, grupy Gorąca — ale przyjazna-debata pomogła ugruntować pomysł, który najbardziej łaskotał Hawkinga., Nawet krytycy specyficznej formuły jego i Hartle ' a, w tym Turok i Lehners, tworzą konkurencyjne modele kwantowo-kosmologiczne, które starają się uniknąć rzekomych pułapek oryginału, zachowując jego nieograniczony urok.
Garden of Cosmic Delights
Hartle i Hawking widywali się bardzo często od lat 70.XX wieku, zazwyczaj gdy spotykali się w Cambridge na długie okresy współpracy. Teoretyczne badania czarnych dziur i tajemniczych osobliwości w ich centrach skłoniły ich do zastanowienia się nad naszym kosmicznym pochodzeniem.,
w 1915 roku Albert Einstein odkrył, że koncentracje materii lub energii wypaczają strukturę czasoprzestrzeni, powodując grawitację. W latach 60. Hawking i fizyk z Uniwersytetu Oksfordzkiego Roger Penrose udowodnili, że kiedy czasoprzestrzeń pochyla się wystarczająco stromo, na przykład wewnątrz czarnej dziury lub podczas Wielkiego Wybuchu, nieuchronnie zapada się, zakrzywiając się nieskończenie stromo w kierunku osobliwości, gdzie równania Einsteina załamują się i potrzebna jest nowa kwantowa teoria grawitacji. Teoria osobliwości Penrose ' a-Hawkinga oznaczała, że nie ma sposobu, aby czasoprzestrzeń zaczęła się płynnie, niedramatycznie w pewnym punkcie.,
Hawking i Hartle rozważali więc możliwość, że wszechświat zaczął się jako czysta przestrzeń, a nie dynamiczna czasoprzestrzeń. I to doprowadziło ich do geometrii wahadłowca. Zdefiniowali oni funkcję falową bezgraniczną opisującą taki wszechświat za pomocą podejścia wymyślonego przez bohatera Hawkinga, fizyka Richarda Feynmana. W 1940 roku Feynman opracował schemat obliczania najbardziej prawdopodobnych wyników kwantowych zdarzeń mechanicznych., Aby przewidzieć, powiedzmy, najbardziej prawdopodobnych wyników zderzenia cząstek, Feynman odkrył, że można zsumować wszystkie możliwe ścieżki, które zderzające się cząstki mogą przyjąć, ważąc proste ścieżki bardziej niż zawiłe w sumie. Obliczenie tej „całki ścieżki” daje funkcję falową: rozkład prawdopodobieństwa wskazujący różne możliwe Stany cząstek po zderzeniu.
podobnie, Hartle i Hawking wyrazili funkcję falową wszechświata — która opisuje jego prawdopodobne Stany — jako sumę wszystkich możliwych sposobów, że mógł on płynnie rozszerzyć się z punktu., Nadzieja była taka, że suma wszystkich możliwych „historii ekspansji”, gładkodnych wszechświatów o różnych kształtach i rozmiarach, da funkcję falową, która daje duże prawdopodobieństwo dla ogromnego, gładkiego, płaskiego wszechświata, takiego jak nasz. Jeśli ważona suma wszystkich możliwych historii ekspansji daje jakiś inny rodzaj wszechświata jako najbardziej prawdopodobny wynik, propozycja bez granic nie powiedzie się.
problem polega na tym, że Całka ścieżki dla wszystkich możliwych historii rozszerzeń jest zbyt skomplikowana, aby dokładnie ją obliczyć. Możliwe są niezliczone różne kształty i rozmiary wszechświatów, a każdy z nich może być brudny., „Murray Gell-Mann pytał mnie,” powiedział Hartle, odnosząc się do nieżyjącego już Noblisty, fizyka: „jeśli znasz funkcję falową wszechświata, dlaczego nie jesteś bogaty?”Oczywiście, aby faktycznie rozwiązać funkcję falową za pomocą metody Feynmana, Hartle i Hawking musieli drastycznie uprościć sytuację, ignorując nawet konkretne cząstki, które zaludniają nasz świat (co oznaczało, że ich formuła nie była bliska przewidywania rynku akcji)., Uważali oni, że ścieżka jest integralna dla wszystkich możliwych wszechświatów zabawek w „minisuperspace”, zdefiniowanej jako zbiór wszystkich wszechświatów z pojedynczym polem energetycznym, które przepływa przez nie: energią, która napędza Kosmiczną inflację. (Na zdjęciu Hartle ' a i Hawkinga, ten początkowy okres balonowania odpowiada szybkiemu wzrostowi średnicy w pobliżu dna korka.)
nawet obliczenia minisuperspace są trudne do rozwiązania, ale fizycy wiedzą, że istnieją dwie możliwe historie rozszerzeń, które potencjalnie dominują w obliczeniach., Te rywalizujące ze sobą kształty wszechświata zakotwiczają dwie strony obecnej debaty.
konkurencyjne rozwiązania to dwie „klasyczne” historie ekspansji, które może mieć wszechświat. Po początkowym wybuchu kosmicznej inflacji od rozmiaru zero, wszechświaty te stale się rozszerzają zgodnie z teorią grawitacji i czasoprzestrzeni Einsteina. Dziwniejsze historie ekspansji, takie jak światy w kształcie piłki nożnej czy gąsienice, w większości eliminują się w obliczeniach kwantowych.
jedno z dwóch klasycznych rozwiązań przypomina nasz wszechświat., W dużych skalach jest gładka i losowo obdarzona energią, z powodu fluktuacji kwantowych podczas inflacji. Podobnie jak we wszechświecie rzeczywistym, różnice gęstości między regionami tworzą krzywe dzwonka wokół zera. Jeśli to możliwe rozwiązanie rzeczywiście zdominuje funkcję falową dla minisuperspace, staje się prawdopodobne, aby wyobrazić sobie, że znacznie bardziej szczegółowa i dokładna wersja funkcji falowej bez granic może służyć jako realny model kosmologiczny rzeczywistego wszechświata.
drugi potencjalnie dominujący kształt wszechświata nie przypomina rzeczywistości., W miarę jak się rozszerza, nasycająca go energia zmienia się coraz bardziej, tworząc ogromne różnice gęstości z jednego miejsca na drugie, które grawitacja stale się pogarsza. Różnice gęstości tworzą odwróconą krzywą dzwonka, gdzie różnice między regionami zbliżają się nie do zera, ale do nieskończoności. Jeśli jest to termin dominujący w funkcji falowej bezgranicznej dla minisuperspace, to propozycja Hartle ' a-Hawkinga wydaje się być błędna.
dwie dominujące historie rozszerzeń przedstawiają wybór w jaki sposób powinna być wykonana Całka ścieżki., Jeśli dominującymi historiami są dwa miejsca na mapie, megamiasta w sferze wszystkich możliwych kwantowych wszechświatów mechanicznych, pytanie brzmi, którą ścieżką powinniśmy przejść przez teren. Która Dominująca historia ekspansji, i może być tylko jedna, powinna się podnieść nasza „kontur integracji”? Naukowcy rozwidlali różne ścieżki.
w swojej pracy z 2017 roku Turok, Feldbrugge i Lehners wybrali drogę przez ogród możliwych historii ekspansji, która doprowadziła do drugiego dominującego rozwiązania., Ich zdaniem jedynym sensownym konturem jest taki, który przecina wartości rzeczywiste (w przeciwieństwie do wartości urojonych, które obejmują pierwiastki kwadratowe liczb ujemnych) dla zmiennej o nazwie „lapse.”Lapse to zasadniczo wysokość każdego możliwego wszechświata-odległość, jakiej potrzeba, aby osiągnąć określoną średnicę. Brak elementu przyczynowego, upływ nie jest całkiem naszym zwyczajowym pojęciem czasu. Jednak Turok i współpracownicy twierdzą częściowo na podstawie przyczynowości, że tylko rzeczywiste wartości lapse mają sens fizyczny., A sumowanie wszechświatów o rzeczywistych wartościach upływu prowadzi do szalenie zmiennego, fizycznie nonsensownego rozwiązania.
„ludzie pokładają ogromną wiarę w intuicję Stephena” – powiedział Turok telefonicznie. „Nie bez powodu-mam na myśli, że prawdopodobnie miał najlepszą intuicję kogokolwiek na te tematy. Ale nie zawsze miał rację.”
Imaginary Universes
Jonathan Halliwell, fizyk z Imperial College London, badał propozycję no-boundary od czasu, gdy był uczniem Hawkinga w latach 80. XX wieku.wraz z Hartle ' em przeanalizował problem konturu integracji w 1990 roku., Ich zdaniem, podobnie jak Hertoga, i najwyraźniej Hawkinga, kontur nie jest fundamentalnym narzędziem, ale raczej narzędziem matematycznym, które można postawić na największą korzyść. Jest to podobne do tego, w jaki sposób trajektoria planety wokół Słońca może być wyrażona matematycznie jako szereg kątów, szereg razy lub jako dowolna z kilku innych wygodnych parametrów. „Można to parametryzować na wiele różnych sposobów, ale żaden z nich nie jest bardziej fizyczny niż inny”, powiedział Halliwell.,
on i jego koledzy twierdzą, że w przypadku minisuperspace, tylko kontury, które odbierają dobrą historię ekspansji mają sens. Mechanika kwantowa wymaga prawdopodobieństwa, aby dodać do 1 lub być „znormalizowalnym”, ale szalenie zmienny wszechświat, na którym wylądował zespół Turoka, nie jest. To rozwiązanie jest bezsensowne, nękane nieskończonością i wykluczone przez prawa kwantowe-oczywiste znaki, według obrońców no-boundary, aby iść w drugą stronę.
prawdą jest, że kontury przechodzące przez dobre rozwiązanie sumują możliwe wszechświaty z urojonymi wartościami dla ich zmiennych upływowych., Ale poza Turokiem i towarzystwem, niewielu ludzi uważa, że to problem. Liczby urojone przenikają mechanikę kwantową. Do zespołu Hartle-Hawkinga krytycy powołują się na fałszywe pojęcie przyczynowości, domagając się, aby było ono prawdziwe. „To zasada, która nie jest zapisana w gwiazdach, a z którą głęboko się nie zgadzamy” – powiedział Hertog.
według Hertoga, Hawking w późniejszych latach rzadko wspominał o całkowym sformułowaniu funkcji falowej bezgranicznej, częściowo ze względu na niejednoznaczność wokół wyboru konturu., Uważał on znormalizowalną historię ekspansji, którą Całka ścieżki zaledwie pomogła odkryć, jako rozwiązanie bardziej fundamentalnego równania o wszechświecie, postawionego w latach 60. przez fizyków Johna Wheelera i Bryce ' a DeWitta. Wheeler i DeWitt-po rozmyślaniu nad tym problemem podczas postoju w Raleigh — Durham International-twierdzili, że funkcja falowa wszechświata, cokolwiek to jest, nie może zależeć od czasu, ponieważ nie ma zewnętrznego zegara, który mógłby go zmierzyć., I tak ilość energii we wszechświecie, kiedy zsumujesz pozytywny i negatywny wkład materii i grawitacji, musi pozostać na zawsze zerowym poziomie. Funkcja falowa bezgraniczna spełnia równanie Wheelera-DeWitta dla minisuperspace.
W ostatnich latach życia, aby lepiej zrozumieć funkcję falową, Hawking i jego współpracownicy zaczęli stosować holografię — nowe, przebojowe podejście, które traktuje czasoprzestrzeń jak hologram., Hawking poszukiwał holograficznego opisu wszechświata w kształcie wahadłowca, w którym geometria całej przeszłości miałaby rzutować na teraźniejszość.
ten wysiłek trwa pod nieobecność Hawkinga. Ale Turok widzi tę zmianę akcentu jako zmianę zasad. W wycofaniu się z Formuły integralnej ścieżki, mówi, zwolennicy idei bez granic uczynili ją źle zdefiniowaną. To, co studiują, nie jest już Hartle-Hawking, jego zdaniem-choć sam Hartle się z tym nie zgadza.,
przez ostatni rok Turok i jego współpracownicy Latham Boyle i Kieran Finn opracowywali nowy model kosmologiczny, który ma wiele wspólnego z propozycją no-boundary. Ale zamiast jednego wahadłowca, zakłada dwa, ułożone korek do korka w rodzaj figury klepsydry z czasem płynącym w obu kierunkach., Chociaż model nie jest jeszcze wystarczająco rozwinięty, aby przewidywać, jego urok tkwi w sposobie, w jaki jego płaty realizują symetrię CPT, pozornie fundamentalne lustro w naturze, które jednocześnie odzwierciedla materię i antymaterię, lewo i prawo, oraz do przodu i do tyłu w czasie. Wadą jest to, że płaty lustrzanego obrazu wszechświata spotykają się w osobliwości, szczypcie w czasoprzestrzeni, które wymaga zrozumienia nieznanej kwantowej teorii grawitacji. Boyle, Finn i Turok atakują osobliwość, ale taka próba jest z natury spekulacyjna.,
nastąpił również odrodzenie zainteresowania „propozycją tunelowania”, alternatywnym sposobem, w jaki wszechświat mógł powstać z niczego, wymyślonym w latach 80.niezależnie przez rosyjsko-amerykańskich kosmologów Aleksandra Wilenkina i Andrieja Linde. Propozycja, która różni się od funkcji falowej bezgranicznej przede wszystkim znakiem minus, rzuca narodziny wszechświata jako kwantowe Zdarzenie mechaniczne „tunelowanie”, podobne do sytuacji, gdy cząstka wyskakuje poza barierę w eksperymencie mechanicznym kwantowym.,
pojawiają się pytania o to, jak różne propozycje przecinają się z antropicznym rozumowaniem i niesławną ideą wieloświata. Na przykład funkcja falowa bez granic sprzyja pustym wszechświatom, podczas gdy znacząca Materia i energia są potrzebne do zasilania ogromności i złożoności. Hawking argumentował, że rozległy rozrzut możliwych wszechświatów dozwolony przez funkcję falową musi być realizowany w jakimś większym wieloświacie, w którym tylko złożone wszechświaty, takie jak nasz, będą miały mieszkańców zdolnych do prowadzenia obserwacji., (Ostatnia debata dotyczy tego, czy te złożone, nadające się do zamieszkania wszechświaty będą płynne czy szalenie zmienne.) Zaletą propozycji tunelowania jest to, że sprzyja ona wszechświatom wypełnionym materią i energią, takim jak nasz, bez uciekania się do antropicznego rozumowania – chociaż wszechświaty, które tunelują do istnienia, mogą mieć inne problemy.
bez względu na to, jak to będzie, być może zostanie nam jakaś esencja obrazu, który Hawking po raz pierwszy namalował na Papieskiej Akademii Nauk 38 lat temu., A może zamiast nie początku podobnego do Bieguna Południowego, wszechświat wyłonił się z osobliwości, domagając się zupełnie innego rodzaju funkcji falowej. Tak czy inaczej, pościg będzie kontynuowany. „Jeśli mówimy o kwantowej teorii mechanicznej, co jeszcze można znaleźć poza funkcją falową?”zapytał Juan Maldacena, wybitny fizyk teoretyczny z Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey, który w większości trzymał się z dala od niedawnej walki., Pytanie o funkcję falową wszechświata „jest właściwym pytaniem”, powiedział Maldacena, który, nawiasem mówiąc, jest członkiem Papieskiej Akademii. „Czy znajdujemy właściwą funkcję falową, czy jak powinniśmy myśleć o funkcji falowej – to mniej jasne.”
poprawka: ten artykuł został zmieniony 6 czerwca 2019 roku, aby wymienić Lathama Boyle ' a i Kierana Finna jako współtwórców idei CPT-symmetric universe.
artykuł został przedrukowany na Wired.com.