În 1981, multe dintre lider mondial cosmologii s-au adunat la Academia Pontificală de Științe, un vestigiu al cuplat linii de știință și teologie situat într-o vilă elegantă în grădinile de la Vatican. Stephen Hawking a ales setarea din august pentru a prezenta ceea ce va considera mai târziu drept cea mai importantă idee a sa: o propunere despre cum Universul ar fi putut să apară din nimic.,înainte de discursul lui Hawking, toate poveștile de origine cosmologică, științifice sau teologice, au invitat duplica: „ce s-a întâmplat înainte de asta?”Teoria Big Bang-ului, de exemplu — pionier 50 de ani înaintea lui Hawking curs de Belgiene fizician și preot Catolic Georges Lemaître, care mai târziu a servit ca președinte al Vaticanului academia de științe — este derulat de expansiune a universului înapoi la o fierbinte, dens pachet de energie. Dar de unde a venit energia inițială?Teoria Big Bang-ului a avut și alte probleme., Fizicienii au înțeles că un pachet de energie în expansiune ar crește într-o mizerie cruțată, mai degrabă decât cosmosul imens și neted pe care astronomii moderni îl observă. În 1980, cu un an înainte Hawking vorbim, cosmolog Alan Guth a dat seama că Big Bang-ul e probleme pot fi fixate cu un add-on: inițial, o creștere exponențială puseu cunoscut ca inflația cosmică, care ar fi făcut ca universul imens, netedă și plană înainte de gravitate a avut o șansă de a distruge. Inflația a devenit rapid teoria principală a originilor noastre cosmice., Cu toate acestea, problema condițiilor inițiale a rămas: care a fost sursa peticului minuscul care se presupune că a explodat în cosmosul nostru și a energiei potențiale care l-a umflat?Hawking, în strălucirea sa, a văzut o modalitate de a pune capăt interminabilului bâjbâit înapoi în timp: el a propus că nu există niciun sfârșit sau început., În conformitate cu procesul-verbal al Vaticanului conferință, Cambridge fizician, atunci 39 de ani și încă în măsură să vorbească cu propria voce, a spus mulțimii, „Nu ar trebui să fie ceva foarte special despre condițiile la limită a universului, și ce poate fi mai special decât condiția că nu există nici o limită?”propunerea no-boundary”, pe care Hawking și colaboratorul său frecvent, James Hartle, au formulat-o pe deplin într-o lucrare din 1983, prevede că cosmosul are forma unei navete., La fel cum o navetă are un diametru de zero în punctul său cel mai de jos și se lărgește treptat pe drum, universul, conform propunerii fără limită, s-a extins fără probleme dintr-un punct de dimensiune zero. Hartle și Hawking derivat o formulă care descrie întregul acoperiș, așa-numitele „funcția de undă a universului”, care cuprinde întregul trecut, prezent și viitor, la o dată — efectuarea de discuție toate contemplare de semințe de creație, un creator, sau orice tranziție de la un timp înainte.,
„a întreba ce a venit înainte de Big Bang nu are sens, conform propunerii fără limită, pentru că nu există nicio noțiune de timp la care să se facă referire”, a spus Hawking într-o altă prelegere la Academia Pontificală din 2016, cu un an și jumătate înainte de moartea sa. „Ar fi ca și cum ai întreba ce se află la sud de Polul Sud.”
propunerea lui Hartle și Hawking a reconceptualizat radical timpul., Fiecare moment în universul devine o secțiune transversală de volan, în timp ce noi percepem universul ca extinde și evoluează de la un moment la altul, de timp într-adevăr este formată din corelațiile dintre universul este dimensiunea în fiecare secțiune transversală și alte proprietăți — în special entropie, sau de tulburare. Entropia crește de la Plută la pene, vizând o săgeată emergentă a timpului. În apropierea fundului rotunjit al navetei, totuși, corelațiile sunt mai puțin fiabile; timpul încetează să mai existe și este înlocuit de spațiul pur., După cum Hartle, acum în vârstă de 79 de ani și profesor la Universitatea din California, Santa Barbara, a explicat-o prin telefon recent: „nu am avut păsări în universul foarte timpuriu; avem păsări mai târziu. … Nu am avut timp în universul timpuriu, dar avem timp mai târziu.”
propunerea fără limită i-a fascinat și inspirat pe fizicieni timp de aproape patru decenii. „Este o idee incredibil de frumoasă și provocatoare”, a spus Neil Turok, cosmolog la Institutul perimetru pentru Fizică Teoretică din Waterloo, Canada și fost colaborator al lui Hawking., Propunerea a reprezentat o primă presupunere la descrierea cuantică a cosmosului-funcția de undă a universului. În curând un întreg domeniu, cosmologia cuantică, sări în sus ca cercetatorii au conceput idei alternative despre cum universul ar fi putut veni din nimic, a analizat teorii diferite predicții și modalități de a le testa, și interpretarea lor în sens filozofic. Funcția de undă fără limită, potrivit lui Hartle, „a fost în unele privințe cea mai simplă propunere posibilă pentru asta.,dar acum doi ani, o lucrare a lui Turok, Job Feldbrugge de la Institutul perimetru și Jean-Luc Lehners de la Institutul Max Planck pentru Fizică gravitațională din Germania au pus sub semnul întrebării propunerea Hartle-Hawking. Propunerea este, desigur, viabilă numai dacă un univers care se curbează dintr-un punct fără dimensiuni în modul în care Hartle și Hawking și-au imaginat în mod natural crește într-un univers ca al nostru. Hawking și Hartle au susținut că într-adevăr ar fi-că universurile fără limite vor tinde să fie uriașe, uluitoare netede, impresionant de plate și în expansiune, la fel ca cosmosul real., „Problema cu abordarea lui Stephen și Jim este că a fost ambiguă—, a spus Turok -” profund ambiguă.în lucrarea lor din 2017, publicată în Physical Review Letters, Turok și coautorii săi au abordat propunerea fără limită a lui Hartle și Hawking cu noi tehnici matematice care, în opinia lor, fac predicțiile sale mult mai concrete decât înainte. „Am descoperit că tocmai a eșuat mizerabil”, a spus Turok. „Pur și simplu nu a fost posibil mecanic cuantic ca un univers să înceapă așa cum și-au imaginat.,”Trio-ul și-a verificat matematica și și-a interogat ipotezele de bază înainte de a merge public, dar „din păcate”, a spus Turok, „părea să fie inevitabil ca propunerea Hartle-Hawking să fie un dezastru.”
lucrarea a aprins o controversă. Alți experți au montat o apărare viguroasă a ideii fără limită și o respingere a raționamentului lui Turok și al colegilor. „Nu suntem de acord cu argumentele sale tehnice”, a declarat Thomas Hertog, fizician la Universitatea Catolică din Leuven din Belgia, care a colaborat îndeaproape cu Hawking în ultimii 20 de ani ai vieții acestuia din urmă., „Dar, mai fundamental, nu suntem de acord și cu definiția sa, cu cadrul său, cu alegerea principiilor sale. Și asta e discuția mai interesantă.”
după doi ani de sparring, grupurile și-au urmărit dezacordul tehnic la convingeri diferite despre modul în care funcționează natura. Dezbaterea încălzită – dar prietenoasă-a ajutat la consolidarea ideii că cel mai mult a gâdilat fantezia lui Hawking., Chiar și criticii formulei sale specifice și Hartle, inclusiv Turok și Lehners, creează modele cuantice-cosmologice concurente care încearcă să evite presupusele capcane ale originalului, menținând în același timp atracția sa nelimitată.Hartle și Hawking s-au văzut foarte mult din anii 1970, de obicei când s-au întâlnit la Cambridge pentru perioade lungi de colaborare. Investigațiile teoretice ale duo-ului despre găurile negre și singularitățile misterioase din centrele lor le-au îndreptat spre problema originii noastre cosmice.,în 1915, Albert Einstein a descoperit că concentrațiile de materie sau energie deformează țesătura spațiului-timp, provocând gravitația. În 1960, Hawking și Universitatea Oxford fizicianul Roger Penrose s-a dovedit că atunci când spațiul-timp curbe destul de abrupt, cum ar fi în interiorul unei găuri negre sau, poate, timpul Big Bang-ului, acesta se prăbușește în mod inevitabil, curbare infinit abrupt spre o singularitate, în cazul în care ecuațiile lui Einstein rupe în jos și o nouă teorie cuantică a gravitației este nevoie. Teoremele „singularității” Penrose-Hawking au însemnat că nu există nicio cale ca spațiul-timp să înceapă fără probleme, nedramatic la un moment dat.,Hawking și Hartle au fost astfel conduși să reflecteze la posibilitatea ca universul să înceapă ca spațiu pur, mai degrabă decât ca spațiu-timp dinamic. Și asta i-a condus la geometria navetei. Ei au definit funcția de undă fără limită care descrie un astfel de univers folosind o abordare inventată de eroul lui Hawking, fizicianul Richard Feynman. În anii 1940, Feynman a conceput o schemă pentru calcularea rezultatelor cele mai probabile ale evenimentelor mecanice cuantice., Pentru a anticipa, să zicem, cel mai probabil rezultate de o particulă de coliziune, Feynman a constatat că s-ar putea rezuma toate căile posibile că particulele ar putea lua, de ponderare simplu trasee mai complicate decât cele din suma. Calcularea acestei „integrale de cale” vă oferă funcția de undă: o distribuție de probabilitate care indică diferitele stări posibile ale particulelor după coliziune.de asemenea, Hartle și Hawking au exprimat funcția de undă a universului — care descrie stările sale probabile — ca suma tuturor căilor posibile pe care le-ar fi putut extinde fără probleme dintr-un punct., Speranța era că suma tuturor posibilelor „istorii de expansiune”, universuri cu fund neted, de toate formele și dimensiunile diferite, ar produce o funcție de undă care dă o mare probabilitate unui univers imens, neted, plat ca al nostru. Dacă suma ponderată a tuturor Istoriilor de expansiune posibile produce un alt tip de univers ca cel mai probabil rezultat, propunerea fără limită eșuează.
problema este că calea integrală peste toate istoriile posibile de expansiune este mult prea complicat pentru a calcula exact. Nenumărate forme și dimensiuni diferite ale universurilor sunt posibile și fiecare poate fi o aventură dezordonată., „Murray Gell-Mann obișnuia să mă întrebe”, a spus Hartle, referindu-se la fizicianul câștigător al Premiului Nobel, „dacă știi funcția de undă a universului, de ce nu ești bogat?”Desigur, pentru a rezolva de fapt funcția de undă folosind metoda lui Feynman, Hartle și Hawking au trebuit să simplifice drastic situația, ignorând chiar particulele specifice care populează lumea noastră (ceea ce însemna că formula lor nu era nicăieri aproape de a putea prezice piața bursieră)., Ei au considerat calea integrală peste toate universurile posibile de jucărie din „minisuperspațiu”, definit ca setul tuturor universurilor cu un singur câmp energetic care trece prin ele: energia care a alimentat inflația cosmică. (În imaginea navetei Hartle și Hawking, acea perioadă inițială de balon corespunde creșterii rapide a diametrului în apropierea fundului plutei.chiar și calculul minisuperspațiului este greu de rezolvat exact, dar fizicienii știu că există două istorii de expansiune posibile care pot domina calculul., Aceste forme ale universului rival ancorează cele două părți ale dezbaterii actuale.soluțiile rivale sunt cele două istorii de expansiune” clasice ” pe care un univers le poate avea. În urma unui impuls inițial de Inflație cosmică de la dimensiunea zero, aceste universuri se extind constant în conformitate cu teoria gravitației și a spațiului-timp a lui Einstein. Istoriile de expansiune mai ciudate, cum ar fi universurile în formă de fotbal sau cele asemănătoare cu omida, se anulează în mare parte în calculul cuantic.una dintre cele două soluții clasice seamănă cu universul nostru., Pe scări mari, este netedă și la întâmplare dappled cu energie, din cauza fluctuațiilor cuantice în timpul inflației. Ca și în universul real, diferențele de densitate între regiuni formează o curbă de clopot în jurul valorii de zero. Dacă această soluție posibilă domină într-adevăr funcția de undă pentru minisuperspațiu, devine plauzibil să ne imaginăm că o versiune mult mai detaliată și exactă a funcției de undă fără limită ar putea servi drept model cosmologic viabil al universului real.
cealaltă formă a universului potențial dominant nu este nimic asemănător realității., Pe măsură ce se lărgește, energia care o infuzează variază din ce în ce mai mult, creând diferențe enorme de densitate de la un loc la altul, încât gravitația se înrăutățește constant. Variațiile de densitate formează o curbă clopot inversată, unde diferențele dintre regiuni nu se apropie de zero, ci de infinit. Dacă acesta este termenul dominant în funcția de undă fără limită pentru minisuperspace, atunci propunerea Hartle-Hawking ar părea greșită.cele două istorii dominante de expansiune prezintă o alegere în modul în care trebuie făcută integrala căii., Dacă istoriile dominante sunt două locații pe o hartă, megacities în domeniul tuturor universurilor mecanice cuantice posibile, întrebarea este ce cale ar trebui să luăm prin teren. Care este istoria expansiunii dominante și nu poate fi decât una, ar trebui să se ridice „conturul integrării” noastre? Cercetătorii au bifurcat căi diferite.
în lucrarea lor din 2017, Turok, Feldbrugge și Lehners au luat o cale prin grădina posibilelor istorii de expansiune care au dus la a doua soluție dominantă., În opinia lor, singurul contur sensibil este cel care scanează prin valori reale (spre deosebire de valorile imaginare, care implică rădăcinile pătrate ale numerelor negative) pentru o variabilă numită „lapse.”Lapse este, în esență, înălțimea fiecărui univers posibil shuttlecock-distanța necesară pentru a ajunge la un anumit diametru. Lipsit de un element cauzal, lapse nu este destul de noțiunea noastră obișnuită de timp. Cu toate acestea, Turok și colegii susțin parțial pe motiv de cauzalitate că numai valorile reale ale expirării au sens fizic., Și însumarea universurilor cu valori reale ale expirării duce la soluția extrem de fluctuantă, fără sens din punct de vedere fizic.
„oamenii au încredere imensă în intuiția lui ștefan”, a spus Turok prin telefon. „Pentru un motiv bun — adică, probabil că a avut cea mai bună intuiție a oricui pe aceste subiecte. Dar nu a avut întotdeauna dreptate.”
universuri imaginare
Jonathan Halliwell, fizician la Imperial College London, a studiat propunerea no-boundary de când a fost studentul lui Hawking în anii 1980. el și Hartle au analizat problema conturului integrării în 1990., În opinia lor, precum și a lui Hertog și, aparent, a lui Hawking, conturul nu este fundamental, ci mai degrabă un instrument matematic care poate fi plasat în cel mai mare avantaj. Este similar cu modul în care traiectoria unei planete în jurul soarelui poate fi exprimată matematic ca o serie de unghiuri, ca o serie de ori sau în termenii oricăruia dintre alți parametri convenabili. „Puteți face această Parametrizare în multe moduri diferite, dar niciuna dintre ele nu este mai fizică decât alta”, a spus Halliwell.,el și colegii săi susțin că, în cazul minisuperspațiului, doar contururile care ridică istoria bună a expansiunii au sens. Mecanica cuantică necesită probabilități pentru a adăuga la 1 sau pentru a fi „normalizabile”, dar universul extrem de fluctuant pe care echipa lui Turok a aterizat nu este. Această soluție este lipsită de sens, afectată de infinități și nepermisă de legile cuantice — semne evidente, potrivit apărătorilor no-boundary, de a merge invers.este adevărat că contururile care trec prin soluția bună însumează universuri posibile cu valori imaginare pentru variabilele lor expirate., Dar, în afară de Turok și companie, puțini oameni cred că este o problemă. Numerele imaginare pătrund în mecanica cuantică. Pentru echipa Hartle-Hawking, criticii invocă o falsă noțiune de cauzalitate în a cere ca lapse să fie real. „Acesta este un principiu care nu este scris în stele și cu care nu suntem de acord profund”, a spus Hertog.potrivit lui Hertog, Hawking a menționat rareori formularea integrală a căii funcției de undă fără limită în ultimii săi ani, parțial din cauza ambiguității în jurul alegerii conturului., El a privit istoria expansiunii normalizabile, pe care integrala path A ajutat-o doar să o descopere, ca soluție la o ecuație mai fundamentală despre univers pusă în anii 1960 de fizicienii John Wheeler și Bryce DeWitt. Wheeler și DeWitt, după ce examinează problema în timpul unui popas la Internațional Raleigh-Durham — a susținut că funcția de undă a universului, oricare ar fi ea, nu poate depinde de timp, deoarece nu există nici un ceas extern prin care să-l măsoare., Și astfel, cantitatea de energie din univers, atunci când adăugați contribuțiile pozitive și negative ale materiei și gravitației, trebuie să rămână la zero pentru totdeauna. Funcția de undă fără limită satisface ecuația Wheeler-DeWitt pentru minisuperspace. în ultimii ani ai vieții sale, pentru a înțelege mai bine funcția de undă în general, Hawking și colaboratorii săi au început să aplice holografia — o nouă abordare blockbuster care tratează spațiul-timp ca o hologramă., Hawking a căutat o descriere holografică a unui univers în formă de navetă, în care geometria întregului trecut s-ar proiecta în afara prezentului.acest efort continuă în absența lui Hawking. Dar Turok vede această schimbare în Accent ca schimbarea regulilor. În susținerea departe de formularea integrală cale, spune el, susținătorii ideii no-limită au făcut-o prost definite. Ceea ce studiază nu mai este Hartle-Hawking, în opinia sa — deși Hartle însuși nu este de acord.,în ultimul an, Turok și colegii săi de la Institutul perimetru Latham Boyle și Kieran Finn au dezvoltat un nou model cosmologic care are multe în comun cu propunerea fără limită. Dar în loc de o navetă, ea prevede două, aranjate plută la plută într-un fel de clepsidră figura cu timpul curge în ambele direcții., În timp ce modelul nu este încă suficient de dezvoltat pentru a face predicții, farmecul său constă în modul în care lobii săi realizează simetria CPT, o oglindă aparent fundamentală în natură care reflectă simultan Materia și antimateria, stânga și dreapta, înainte și înapoi în timp. Un dezavantaj este că lobii imaginii în oglindă a universului se întâlnesc la o singularitate, un vârf în spațiu-timp care necesită înțelegerea teoriei cuantice necunoscute a gravitației. Boyle, Finn și Turok iau o lovitură de singularitate, dar o astfel de încercare este în mod inerent speculativă.,a existat, de asemenea, o revigorare a interesului pentru „propunerea de tunel”, un mod alternativ în care universul ar fi putut să apară din nimic, conceput în anii ’80 independent de cosmologii ruso-americani Alexander Vilenkin și Andrei Linde. Propunerea, care diferă de funcția de undă fără limită în primul rând printr-un semn minus, aruncă nașterea universului ca un eveniment mecanic „tunel” cuantic, similar cu momentul în care o particulă apare dincolo de o barieră într-un experiment mecanic cuantic.,întrebările abundă despre modul în care diferitele propuneri se intersectează cu raționamentul antropic și ideea multiversului infam. Funcția undelor fără limită, de exemplu, favorizează universurile goale, în timp ce materia și energia semnificativă sunt necesare pentru a alimenta imensitatea și complexitatea. Hawking a susținut că răspândirea vastă a universurilor posibile permise de funcția de undă trebuie să fie realizată într-un multiverse mai mare, în care numai universuri complexe ca ale noastre vor avea locuitori capabili să facă observații., (Dezbaterea recentă se referă la faptul dacă aceste universuri complexe, locuibile vor fi netede sau vor fluctua sălbatic.) Un avantaj al propunerii de tunel este că favorizează universurile pline de materie și energie ca ale noastre, fără a recurge la raționamente antropice – deși universurile care se formează în tunel pot avea alte probleme.indiferent cum merg lucrurile, poate că vom rămâne cu o anumită esență a imaginii pe care Hawking a pictat-o pentru prima dată la Academia Pontificală de științe acum 38 de ani., Sau poate, în loc de un non-început asemănător Polului Sud, universul a ieșit dintr-o singularitate până la urmă, cerând cu totul un alt fel de funcție de undă. Oricum, Urmărirea va continua. „Dacă vorbim despre o teorie mecanică cuantică, ce altceva mai este de găsit decât funcția de undă?”a întrebat Juan Maldacena, un eminent fizician teoretic la Institutul pentru Studii Avansate din Princeton, New Jersey, care a rămas în cea mai mare parte din lupta recentă., Problema funcției de undă a universului „este tipul potrivit de întrebare de pus”, a spus Maldacena, care, întâmplător, este membru al Academiei Pontificale. „Indiferent dacă găsim funcția de undă potrivită sau cum ar trebui să ne gândim la funcția de undă — este mai puțin clar.”
corecție: acest articol a fost revizuit pe 6 iunie 2019, pentru a-i enumera pe Latham Boyle și Kieran Finn ca co-dezvoltatori ai ideii universului CPT-symmetric.acest articol a fost retipărit pe Wired.com.