1981 samlades många av världens ledande kosmologer vid Vetenskapsakademin, en vestige av de kopplade lagren av vetenskap och teologi som ligger i en elegant villa i Vatikanens trädgårdar. Stephen Hawking valde augustinställningen för att presentera vad han senare skulle betrakta som hans viktigaste idé: ett förslag om hur universum kunde ha uppstått från ingenting.,
innan Hawkings tal hade alla kosmologiska ursprungshistorier, vetenskapliga eller teologiska, bjudit in dupliken, ” vad hände innan det?”Big Bang-teorin, till exempel-pionjärer 50 år före Hawkings föreläsning av den belgiska fysikern och katolska prästen Georges Lemaître, som senare tjänstgjorde som president för Vatikanens vetenskapsakademi — spolar universums expansion tillbaka till en varm, tät bunt energi. Men var kom den ursprungliga energin från?
Big Bang-teorin hade andra problem., Fysiker förstod att en expanderande bunt energi skulle växa till en skrynklig röra snarare än det stora, släta kosmos som moderna astronomer observerar. År 1980, året före Hawkings tal, insåg kosmologen Alan Guth att Big Bangs problem kunde lösas med ett tillägg: en initial exponentiell tillväxtspurt som kallas kosmisk inflation, vilket skulle ha gjort universum enormt, smidigt och platt innan gravitationen hade en chans att förstöra det. Inflationen blev snabbt den ledande teorin om vårt kosmiska ursprung., Men frågan om initiala förhållanden kvarstod: vad var källan till den minuscule patch som påstås ballong i vårt kosmos, och den potentiella energi som blåste upp det?
Hawking, i sin briljans, såg ett sätt att avsluta den oändliga famlande bakåt i tiden: han föreslog att det inte finns något slut eller början alls., Enligt protokollet från Vatikankonferensen, Cambridge fysiker, sedan 39 och fortfarande kunna tala med sin egen röst, berättade publiken, ” det borde finnas något mycket speciellt om gränsvillkoren i universum, och vad kan vara mer speciellt än villkoret att det inte finns någon gräns?”
” no-boundary proposal”, som Hawking och hans frekventa medarbetare, James Hartle, formulerade helt i ett 1983-papper, föreställer kosmos som har formen av en skyttlock., Precis som en skyttel har en diameter på noll vid bottenpunkten och gradvis breddar sig på vägen upp, expanderade universum, enligt no-boundary-förslaget, smidigt från en punkt med nollstorlek. Hartle och Hawking härledde en formel som beskriver hela shuttlecock — universums så kallade ”vågfunktion” som omfattar hela det förflutna, nutiden och framtiden på en gång — gör moot all kontemplation av skapelsefrön, en skapare eller någon övergång från en tid innan.,
”fråga vad som kom innan Big Bang är meningslöst, enligt no-boundary-förslaget, eftersom det inte finns någon uppfattning om tid tillgänglig att hänvisa till”, Sa Hawking i en annan föreläsning vid den Pontifical Academy i 2016, ett och ett halvt år före hans död. ”Det skulle vara som att fråga vad som ligger söder om Sydpolen.”
Hartle och Hawking förslag radikalt avstämda tid., Varje ögonblick i universum blir ett tvärsnitt av skytteln; medan vi uppfattar universum som att expandera och utvecklas från ett ögonblick till nästa, består tiden verkligen av korrelationer mellan universums storlek i varje tvärsnitt och andra egenskaper-särskilt dess entropi eller störning. Entropi ökar från korken till fjädrarna och siktar på en framväxande pil av tid. Nära skyttelns rundade botten, men korrelationerna är mindre tillförlitliga; tiden upphör att existera och ersätts av rent utrymme., Som Hartle, nu 79 och en professor vid University of California, Santa Barbara, förklarade det via telefon nyligen, ” vi hade inte fåglar i det mycket tidiga universum; vi har fåglar senare. … Vi hade inte tid i det tidiga universum, men vi har tid senare.”
no-boundary-förslaget har fascinerat och inspirerat fysiker i nästan fyra decennier. ”Det är en fantastiskt vacker och provocerande idé”, säger Neil Turok, en kosmolog vid Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Kanada och en tidigare medarbetare till Hawking ’ s., Förslaget representerade en första gissning på kosmos kvantbeskrivning-universums vågfunktion. Snart ett helt fält, quantum cosmology, sprang upp som forskare utarbetade alternativa idéer om hur universum kunde ha kommit från ingenting, analyserade teoriernas olika förutsägelser och sätt att testa dem och tolkade deras filosofiska mening. No-boundary wave-funktionen, enligt Hartle, ”var på vissa sätt det enklaste möjliga förslaget för det.,”
för två år sedan ifrågasatte ett papper av Turok, Job Feldbrugge från Perimeterinstitutet och Jean-Luc Lehners från Max Planck-Institutet för Gravitationsfysik i Tyskland Hartle-Hawking-förslaget. Förslaget är naturligtvis bara lönsamt om ett universum som kurvor ut ur en dimensionslös punkt på det sätt som Hartle och Hawking föreställde sig naturligt växer till ett universum som vårt. Hawking och Hartle hävdade att det verkligen skulle — att universum utan gränser kommer att tendera att vara enorma, hisnande släta, imponerande platt och expanderande, precis som den faktiska kosmos., ”Problemet med Stephen och Jims tillvägagångssätt är att det var tvetydigt”, sa Turok – ” djupt tvetydigt.”
i sitt 2017-papper, publicerat i fysiska Granskningsbrev, kontaktade Turok och hans medförfattare Hartle och Hawkings no-boundary-förslag med nya matematiska tekniker som enligt deras uppfattning gör sina förutsägelser mycket mer konkreta än tidigare. ”Vi upptäckte att det bara misslyckades kapitalt”, sa Turok. ”Det var bara inte möjligt quantum mekaniskt för ett universum att börja på det sätt de föreställde sig.,”Trioen kontrollerade sin matte och frågade sina underliggande antaganden innan de gick ut, men ”tyvärr” sa Turok, ”det verkade bara vara oundvikligt att Hartle-Hawking-förslaget var en katastrof.”
papperet antändes en kontrovers. Andra experter monterade ett kraftfullt försvar av no-boundary idea och en motbevisning av Turok och kollegors resonemang. ”Vi håller inte med om hans tekniska argument”, säger Thomas Hertog, en fysiker vid det katolska universitetet i Leuven i Belgien som nära samarbetade med Hawking under de senaste 20 åren av sistnämnda liv., ”Men mer fundamentalt, vi håller också med hans definition, hans ram, hans val av principer. Och det är den mer intressanta diskussionen.”
Efter två års sparring har grupperna spårat sin tekniska oenighet till olika övertygelser om hur naturen fungerar. Den uppvärmda men vänliga debatten har hjälpt till att fastna tanken på att de flesta kittlade Hawkings fantasi., Även kritiker av hans och Hartles specifika formel, inklusive Turok och Lehners, skapar konkurrerande kvantkosmologiska modeller som försöker undvika de påstådda fallgroparna i originalet samtidigt som den behåller sin gränslösa lockelse.
Garden Of Cosmic Delights
Hartle och Hawking såg mycket av varandra från 1970-talet, vanligtvis när de träffades i Cambridge under långa perioder av samarbete. Duons teoretiska undersökningar av svarta hål och de mystiska singulariteterna vid deras centra hade vänt dem på frågan om vårt kosmiska ursprung.,
i 1915 upptäckte Albert Einstein att koncentrationer av materia eller energi varp tyget av rymdtid, orsakar gravitation. På 1960-talet visade Hawking och Oxford University-fysikern Roger Penrose att när rymdtiden böjer sig brant nog, till exempel inuti ett svart hål eller kanske under Big Bang, kollapsar det oundvikligen, svänger oändligt brant mot en singularitet, där Einsteins ekvationer bryts ner och en ny kvantgravitationsteori behövs. Penrose-Hawking ”singularity theorems” innebar att det inte fanns något sätt för rymdtiden att börja smidigt, undramatiskt vid en tidpunkt.,
Hawking och Hartle ledde således till att fundera över möjligheten att universum började som rent utrymme, snarare än dynamisk rymdtid. Och detta ledde dem till skyttelgeometrin. De definierade no-boundary wave-funktionen som beskriver ett sådant universum med hjälp av ett tillvägagångssätt som uppfanns av Hawkings hjälte, fysikern Richard Feynman. På 1940-talet utarbetade Feynman ett system för att beräkna de mest sannolika resultaten av kvantmekaniska händelser., För att förutsäga, säg, de mest sannolika resultaten av en partikelkollision, fann Feynman att du kunde sammanfatta alla möjliga vägar som de kolliderande partiklarna kunde ta, viktning enkla vägar mer än invecklade i summan. Beräkning av denna ”väg integral” ger dig vågfunktionen: en sannolikhetsfördelning som indikerar partiklarnas olika möjliga tillstånd efter kollisionen.
På samma sätt uttryckte Hartle och Hawking universums vågfunktion — som beskriver dess sannolika tillstånd — som summan av alla möjliga sätt att det smidigt kunde ha expanderat från en punkt., Hoppet var att summan av alla möjliga ”expansionshistorier”, släta universer av alla olika former och storlekar, skulle ge en vågfunktion som ger stor sannolikhet för ett stort, smidigt, platt universum som vårt. Om den viktade summan av alla möjliga expansionshistorier ger någon annan typ av universum som det mest sannolika resultatet, misslyckas no-boundary-förslaget.
problemet är att vägintegritet över alla möjliga expansionshistorier är alldeles för komplicerat för att beräkna exakt. Otaliga olika former och storlekar av universum är möjliga, och var och en kan vara en rörig affär., ”Murray Gell – Mann brukade fråga mig”, sa Hartle, med hänvisning till den sena Nobelprisbelönta fysikern, ” om du känner till universums vågfunktion, varför är du inte rik?”Naturligtvis, för att faktiskt lösa för vågfunktionen med Feynmans metod, måste Hartle och Hawking drastiskt förenkla situationen och ignorera även de specifika partiklarna som befolkar vår värld (vilket innebar att deras formel var ingenstans nära att kunna förutsäga aktiemarknaden)., De ansåg vägen integrerad över alla möjliga leksaksuniverser i ”minisuperspace”, definierad som uppsättningen av alla universum med ett enda energifält som går igenom dem: den energi som gav kosmisk inflation. (I Hartle och Hawkings shuttlecock-bild motsvarar den initiala ballongperioden den snabba ökningen i diameter nära korkens botten.)
även minisuperspace-beräkningen är svår att lösa exakt, men fysiker vet att det finns två möjliga expansionshistorier som potentiellt dominerar beräkningen., Dessa rivaliserande universum formar förankra de två sidorna av den aktuella debatten.
de rivaliserande lösningarna är de två ”klassiska” expansionshistorierna som ett universum kan ha. Efter en inledande spurt av kosmisk inflation från storlek noll, expanderar dessa universum stadigt enligt Einsteins teori om gravitation och rymdtid. Konstigare expansionshistorier, som fotbollsformade universum eller caterpillar-liknande, avbryter mestadels ut i kvantberäkningen.
en av de två klassiska lösningarna liknar vårt universum., På stora skalor är det smidigt och slumpmässigt dapplat med energi, på grund av kvantfluktuationer under inflationen. Som i det verkliga universum bildar täthetsskillnader mellan regioner en klockkurva runt noll. Om denna möjliga lösning verkligen dominerar vågfunktionen för minisuperspace blir det rimligt att föreställa sig att en mycket mer detaljerad och exakt version av no-boundary wave-funktionen kan fungera som en livskraftig kosmologisk modell av det verkliga universum.
den andra potentiellt dominerande universumformen är inget som verkligheten., När den vidgas varierar energin som infuserar den mer och mer extremt, vilket skapar enorma densitetsskillnader från en plats till nästa som gravitationen ständigt förvärras. Densitetsvariationer bildar en inverterad klockkurva, där skillnader mellan regioner närmar sig inte noll, men oändligheten. Om detta är den dominerande termen i no-gränsen vågfunktionen för minisuperspace, då Hartle-Hawking förslag verkar vara fel.
de två dominerande expansionshistorierna presenterar ett val i hur vägintegreringen ska göras., Om de dominerande historierna är två platser på en karta, megacities i sfären av alla möjliga kvantmekaniska universum, är frågan vilken väg vi ska ta genom terrängen. Vilken dominerande expansionshistoria, och det kan bara finnas en, ska vår ”kontur av integration” plocka upp? Forskare har forked ner olika vägar.
i deras 2017-papper tog Turok, Feldbrugge och Lehners en väg genom trädgården av möjliga expansionshistorier som ledde till den andra dominerande lösningen., Enligt deras uppfattning är den enda förnuftiga konturen en som skannar genom verkliga värden (i motsats till imaginära värden, som involverar kvadratiska rötter av negativa tal) för en variabel som kallas ”lapse.”Lapse är i huvudsak höjden av varje möjlig skyttlecock universum — det avstånd som krävs för att nå en viss diameter. Att sakna ett orsakselement är inte helt vår vanliga uppfattning om tid. Men Turok och kollegor argumenterar delvis på grund av orsakssamband att endast verkliga värden av förfallna ger fysisk mening., Och summering över universum med verkliga värden av lapse leder till den vildt fluktuerande, fysiskt meningslösa lösningen.
”människor lägger stor tro på Stephens intuition”, säger Turok via telefon. ”Av goda skäl-jag menar, han hade förmodligen den bästa intuitionen av någon på dessa ämnen. Men han hade inte alltid rätt.”
Imaginära Universum
Jonathan Halliwell, en fysiker vid Imperial College i London, har studerat ingen-gräns förslag eftersom han var Hawking är student på 1980-talet. Han och Hartle analyseras frågan om konturen av integration i 1990., Enligt deras uppfattning, liksom Hertogs, och tydligen Hawking s, är konturen inte grundläggande, utan snarare ett matematiskt verktyg som kan placeras till största fördel. Det liknar hur banan för en planet runt solen kan uttryckas matematiskt som en serie vinklar, som en serie gånger, eller när det gäller någon av flera andra praktiska parametrar. ”Du kan göra den parameteriseringen på många olika sätt, men ingen av dem är mer fysiska än en annan,” sa Halliwell.,
han och hans kollegor hävdar att i minisuperspace-fallet är det bara konturer som hämtar den goda expansionshistoriken meningsfullt. Kvantmekanik kräver sannolikheter för att lägga till 1, eller vara” normaliserbara”, men det vilt fluktuerande universum som Turoks lag landade på är inte. Den lösningen är meningslös, plågad av infiniteter och otillåten av kvantlagar — uppenbara tecken, enligt no-boundary försvarare, att gå åt andra hållet.
det är sant att konturer som passerar genom den goda lösningen summerar möjliga universum med imaginära värden för deras förfallna variabler., Men bortsett från Turok och företag, tycker få människor att det är ett problem. Imaginära tal genomsyrar kvantmekanik. Till Team Hartle-Hawking åberopar kritikerna en falsk uppfattning om orsakssamband i att kräva att förfallet är verkligt. ”Det är en princip som inte är skriven i stjärnorna, och som vi djupt oense med”, säger Hertog.
enligt Hertog nämnde Hawking sällan vägens integrerade formulering av no-boundary wave-funktionen under sina senare år, delvis på grund av tvetydigheten kring valet av kontur., Han betraktade den normaliserbara expansionshistorien, som path integral bara hade hjälpt till att avslöja, som lösningen på en mer grundläggande ekvation om universum som ställdes på 1960-talet av fysikerna John Wheeler och Bryce DeWitt. Wheeler och DeWitt — efter mulling över frågan under en övergång på Raleigh-Durham International — hävdade att vågfunktionen i universum, vad det än är, inte kan bero på tid, eftersom det inte finns någon extern klocka för att mäta den., Och sålunda måste mängden energi i universum, när du lägger upp de positiva och negativa bidragen av materia och gravitation, vara noll för alltid. No-gränsen vågfunktionen uppfyller Wheeler-DeWitt ekvationen för minisuperspace.
under de sista åren av sitt liv, för att bättre förstå vågfunktionen mer generellt, började Hawking och hans medarbetare tillämpa holografi — ett blockbuster nytt tillvägagångssätt som behandlar rymdtid som ett hologram., Hawking sökte en holografisk beskrivning av ett skyttelformat universum, där geometrin i hela det förflutna skulle projicera bort av nutiden.
den ansträngningen fortsätter i Hawkings frånvaro. Men Turok ser detta skifte i betoning som att ändra reglerna. När han backar bort från den integrerade formuleringen, säger han, förespråkare av no-boundary ideen har gjort det dåligt definierat. Vad de studerar är inte längre Hartle-Hawking, enligt hans mening — även om Hartle själv inte håller med.,
under det senaste året har Turok och hans Perimeterinstituts kollegor Latham Boyle och Kieran Finn utvecklat en ny kosmologisk modell som har mycket gemensamt med no-boundary-förslaget. Men i stället för en skyttel förutser den två, ordnade kork till kork i en slags timglasfigur med tiden som flyter i båda riktningarna., Medan modellen ännu inte är tillräckligt utvecklad för att göra förutsägelser ligger dess charm i hur dess lober inser CPT-symmetri, en till synes grundläggande spegel i naturen som samtidigt speglar Materia och antimateria, vänster och höger och framåt och bakåt i tiden. En nackdel är att universums spegelbild lobes möts på en singularitet, en nypa i rymdtid som kräver den okända kvantteorin om gravitation för att förstå. Boyle, Finn och Turok ta en hugg på singulariteten, men ett sådant försök är i sig spekulativt.,
det har också varit ett återupplivande av intresse för ”tunneling proposal”, ett alternativt sätt att universum kunde ha uppstått från ingenting, tänkt på 80-talet oberoende av de rysk-amerikanska kosmologerna Alexander Vilenkin och Andrei Linde. Förslaget, som skiljer sig från no-boundary wave-funktionen främst genom ett minustecken, kastar universums födelse som en kvantmekanisk ”tunneling” – händelse, som liknar när en partikel dyker upp bortom en barriär i ett kvantmekaniskt experiment.,
frågor finns i överflöd om hur de olika förslagen skär med antropisk resonemang och den ökända multiverse-idén. No-boundary wave-funktionen gynnar till exempel tomma universum, medan betydande Materia och energi behövs för att driva storhet och komplexitet. Hawking hävdade att den stora spridningen av möjliga universer som tillåts av vågfunktionen måste alla realiseras i något större multiversum, inom vilket endast komplexa universer som våra kommer att ha invånare som kan göra observationer., (Den senaste debatten handlar om huruvida dessa komplexa, beboeliga universer kommer att vara smidiga eller vilt fluktuerande.) En fördel med tunnelförslaget är att det gynnar Materia – och energifyllda universum som våra utan att tillgripa antropiska resonemang-även om universum som tunnel till existens kan ha andra problem.
oavsett hur det går, kanske kommer vi att vara kvar med någon väsen av bilden Hawking först målad på den påvliga Vetenskapsakademin för 38 år sedan., Eller kanske, i stället för en Sydpolliknande icke-början, kom universum ur en singularitet trots allt och krävde en annan typ av vågfunktion helt och hållet. Hursomhelst fortsätter jakten. ”Om vi pratar om en kvantmekanisk teori, vad mer finns det för att hitta annat än vågfunktionen?”frågade Juan Maldacena, en framstående teoretisk fysiker vid Institutet för avancerad studie i Princeton, New Jersey, som mestadels har stannat utanför den senaste striden., Frågan om universums vågfunktion ”är rätt typ av fråga att fråga”, säger Maldacena, som För övrigt är medlem i den påvliga Akademin. ”Om vi hittar rätt vågfunktion, eller hur vi ska tänka på vågfunktionen — det är mindre klart.”
korrigering: den här artikeln reviderades den 6 juni 2019 för att lista Latham Boyle och Kieran Finn som medutvecklare av CPT-symmetric universe idea.
denna artikel omtrycks på Wired.com.