Космолози се сукобљавају на почетку Универзума


1981. многи водећих светских космолога окупљених у Папинској академији наука, остатак повезаних линија науке и теологије смештених у елегантној вили у вртовима Ватикана. Стивен Хокинг изабрао је августовску поставку да представи оно што ће касније сматрати својом најважнијом идејом: предлог о томе како је универзум могао настати из ничега.

Куанта Магазине


аутхор пхото

О томе

Оригинална прича је прештампана уз дозволу Куанта Магазинеуреднички независна публикација Симонс Фондације чија је мисија да унапреди јавно разумевање науке покривајући истраживачки развој и трендове у математици и физичким и животним наукама.

Прије Хокинговог говора, све приче о космолошком поријеклу, знанствене или теолошке, позвале су реплику: „Шта се догодило прије тога?“ Теорија Великог праска, на примјер – била је пионир 50 година прије Хокинговог предавања белгијског физичара и католичког свећеника Георгес Лемаитре, касније је био предсједник Ватиканске академије знаности – премотава ширење свемира натраг у врући, густи сноп енергије. Али одакле је дошла почетна енергија?

Теорија Великог праска је имала друге проблеме. Физичари су схватили да ће растући свежањ енергије прерасти у згужвани неред, а не у огроман, глатки космос који модерни астрономи посматрају. Године 1980, године пре Хокинговог говора, космолог Алан Гут је схватио да се проблеми Великог Праска могу поправити додатком: почетни експоненцијални раст који је познат као космичка инфлација, који би учинио свемир огромним, глатким и пре него што је гравитација имала прилику да је уништи. Инфлација је брзо постала водећа теорија нашег космичког порекла. Ипак, преостало је питање почетних услова: Који је био извор минијатурне закрпе која се наводно балонирала у наш космос, и потенцијалне енергије која га је напухала?

Хокинг, у свом сјају, видео је начин да оконча бескрајно грипање уназад у времену: Он је предложио да нема краја, или почетка, уопште. Према записнику са конференције у Ватикану, физичар из Кембриџа, који је тада имао 39 година и још увек је у стању да говори сопственим гласом, рекао је окупљенима: "Требало би да постоји нешто посебно о граничним условима универзума, и шта може бити више посебно од услова да нема границе? "

"Не-гранични предлог", који је Хокинг и његов чести сарадник, Џејмс Хартл, потпуно формулисани у папиру из 1983. године, предвиђају да космос има облик шофера. Баш као што шофер има дијаметар нуле на својој крајњој тачки и постепено се шири на путу ка горе, свемир, према предлогу без граница, глатко се шири од тачке нулте величине. Хартле и Хокинг су извели формулу која описује цео шатл – такозвану "таласну функцију универзума" која обухвата целу прошлост, садашњост и будућност одједном – чинећи непристојну контемплацију семена стварања, креатора, или било које транзиције из времена раније.

"Питање онога што је дошло прије Великог праска је бесмислено, према приједлогу без граница, јер нема појма о расположивом времену за упућивање", рекао је Хавкинг у другом предавању на Папинској академији 2016. године, прије годину и по његова смрт. "То би било као да питате шта се налази јужно од Јужног пола."

Степхен Хавкинг и Јамес Хартле на радионици 2014 у близини Херефорда, Енглеска.

Цатхи Паге

Хартле и Хокингов предлог радикално реконцептуализованог времена. Сваки тренутак у свемиру постаје попречни пресек шофера; док посматрамо универзум као експанзију и еволуцију из једног тренутка у други, време се заиста састоји од корелација између величине универзума у ​​сваком пресеку и других својстава – посебно њене ентропије, или нереда. Ентропија се повећава од чепа до перја, циљајући на стрелицу времена. Међутим, у близини заобљеног дна шатла, корелације су мање поуздане; време престаје да постоји и замењује га чист простор. Како је Хартле, која је сада 79 и професор на Калифорнијском универзитету, Санта Барбара, недавно објаснила телефоном: „Нисмо имали птице у веома раном универзуму; касније имамо птице … Нисмо имали времена у раном свемиру, али имамо времена касније. "

Не-гранични предлог је фасцинирао и инспирисао физичаре скоро четири деценије. "То је запањујуће лепа и провокативна идеја", рекао је Неил Турок, космолог на Институту за теоријску физику Периметра у Ватерлуу, Канада, и бивши сарадник Хавкингових. Приједлог представља прву претпоставку о квантном опису космоса – таласној функцији универзума. Ускоро се појавило читаво поље, квантна космологија, када су истраживачи осмислили алтернативне идеје о томе како је универзум могао доћи из ничега, анализирао различите теоријске процјене и начине за њихово тестирање и интерпретирао њихово филозофско значење. Функција без-граничног таласа, према Хартле-у, „је на неки начин била најједноставнији могући предлог за то.“

Али пре две године, рад Турока, Јоб Фелдбруггеа из Института Периметер, и Јеан-Луц Лехнерс из Института Мак Планцк за гравитациону физику у Немачкој, доводе у питање Хартле-Хавкингов предлог. Приједлог је, наравно, одржив само ако се свемир који се извуче из бездимензионалне тачке у начину на који су Хартле и Хавкинг замислили, природно прераста у универзум као што је наш. Хавкинг и Хартле су тврдили да заиста хоће – да ће универзуми без граница имати тенденцију да буду огромни, запањујуће глатки, импресивно равни и да се шире, баш као и стварни космос. "Проблем са Степхеновим и Јимовим приступом је био двосмислен", рекао је Турок – "дубоко двосмислено".

У њиховом папиру за 2017, објављеном у Пхисицал Ревиев Леттерс, Турок и његови коаутори приступили су Хартлеовом и Хавкинговом приједлогу без граница с новим математичким техникама које, по њиховом мишљењу, чине његова предвиђања много конкретнијим него раније. "Открили смо да је то једноставно пропало", рекао је Турок. "Једноставно није било могуће квантно механички да универзум почне на начин како су замишљали." Тројка је провјерила своју математику и испитала своје темељне претпоставке прије него што су отишли ​​у јавност, али "нажалост", рекао је Турок, "то је изгледало као да је неизбјежно Хартле-Хавкингов приједлог је био катастрофа. "

Новине су изазвале контроверзу. Други експерти су снажно бранили идеју без граница и побијање Турока и расуђивања колега. "Не слажемо се са његовим техничким аргументима", рекао је Тхомас Хертог, физичар са католичког универзитета у Леувену у Белгији који је блиско сарађивао с Хавкингом посљедњих 20 година његовог живота. “Али, још битније, ми се не слажемо са његовом дефиницијом, његовим оквиром, његовим избором принципа. А то је занимљивија дискусија.

Након двије године спаринга, групе су пратиле своје техничке несугласице са различитим увјерењима о томе како природа функционира. Врућа, али пријатељска дебата помогла је да се учврсти идеја да је већина Хавкинга хвалисала. Чак и критичари његове и Хартлеове специфичне формуле, укључујући Турок и Лехнерс, праве конкурентне квантно-космолошке моделе који покушавају да избегну наводне замке оригинала задржавајући своју безграничну привлачност.

Гарден оф Цосмиц Делигхтс

Хартле и Хавкинг су се видели много од седамдесетих година прошлог века, обично када су се срели у Кембриџу дуже време сарадње. Теоретска истраживања о црним рупама и мистериозним сингуларитетима у њиховим центрима претворила су их у питање нашег космичког поријекла.

Алберт Еинстеин је 1915. године открио да концентрације материје или енергије искривљују ткиво простор-времена, узрокујући гравитацију. Шездесетих година, Хавкинг и физичар Оксфордског универзитета Рогер Пенросе доказали су да када се простор-вријеме довољно стрмо савија, као што је унутар црне рупе или можда за вријеме Великог праска, неизбјежно се сруши, бескрајно закривљен према сингуларности, гдје Еинстеинове једнаџбе пукну. и потребна је нова квантна теорија гравитације. Пенросе-Хавкингове "теореме сингуларности" значиле су да не постоји начин да простор-време почне глатко, недраматично у једној тачки.

Хавкинг и Хартле су на тај начин водили да размисле о могућности да је универзум почео као чисти простор, а не као динамички простор-време. И то их је довело до геометрије шатла. Они су дефинисали функцију без-граничног таласа која описује такав универзум користећи приступ који је измислио Хавкингов херој, физичар Рицхард Феинман. 1940-их, Феинман је осмислио шему за израчунавање највјероватнијих исхода квантних механичких догађаја. Да би предвидели, рецимо, највјероватније резултате судара честица, Феинман је открио да можете сумирати све могуће путање које честице које сударају могу узети, тежећи праве путање више него оне замршене у суми. Израчунавање овог "интеграла пута" даје валну функцију: расподелу вероватноће која указује на различита могућа стања честица након судара.

Слично томе, Хартле и Хавкинг су изразили таласну функцију универзума – који описује његова вероватна стања – као суму свих могућих начина на које би се она глатко проширила из тачке. Надала се да ће сума свих могућих "историја експанзије", универзалних универзалних глатких дна свих различитих облика и величина, дати таласну функцију која даје велику вероватноћу великом, глатком, равном универзуму као што је наш. Ако пондерисана сума свих могућих проширених историја даје неку другу врсту универзума као вероватни исход, предлог без граница не успева.

Проблем је у томе што је интегрални пут на свим могућим историјама проширења сувише компликован за тачно израчунавање. Безброј различитих облика и величина универзума је могуће, и свака може бити неуредна ствар. "Мурраи Гелл-Манн ме је питао", рекао је Хартле, мислећи на покојног добитника Нобелове награде, "ако знате валну функцију универзума, зашто нисте богати?" таласна функција користећи Феинман-ову методу, Хартле и Хавкинг морали су драстично поједноставити ситуацију, игнорирајући чак и специфичне честице које насељавају наш свијет (што значи да њихова формула није била ни близу могућности да предвиди берзу). Сматрали су да је пут интегрални над свим могућим свемирима играчака у "минисуперспростору", дефинисаном као скуп свих универзума са једним енергетским пољем које пролази кроз њих: енергијом која покреће космичку инфлацију. (У Хартлеовој и Хавкинговој слици шатла, тај почетни период балонирања одговара брзом повећању пречника у близини дна плуте.)

Чак је и израчун минималног простора тешко ријешити, али физичари знају да постоје двије могуће проширене повијести које потенцијално доминирају прорачуном. Ови ривалски универзумски облици учвршћују двије стране тренутне дебате.

Супарникова решења су две "класичне" историје експанзије које универзум може имати. Пратећи почетни удар космичке инфлације од нуле, ови универзуми се непрестано шире према Еинстеиновој теорији гравитације и простора-времена. Веће историје ширења, као што су универзуми у облику фудбала или гусеничасти, углавном се поништавају у квантном прорачуну.

Једно од два класична решења личи на наш универзум. На великим скалама, то је глатко и насумично испупчено са енергијом, због квантних флуктуација током инфлације. Као иу реалном универзуму, разлике у густини између региона формирају звоно звона око нуле. Ако ово могуће рјешење доиста доминира валном функцијом за минисуперпростор, постаје могуће да замислимо да би много детаљнија и егзактнија верзија функције без-граничног вала могла послужити као одржив космолошки модел стварног универзума.

Други потенцијално доминантни универзумски облик није ништа слично стварности. Како се шири, енергија која се уноси варира све више и више, стварајући огромне разлике у густоћи са једног места на друго да се гравитација стално погоршава. Варијације густине формирају обрнуту криву звона, при чему се разлике између региона не приближавају нули, већ бесконачности. Ако је ово доминантни термин у функцији без-граничног таласа за минисуперпростор, онда би Хартле-Хавкингов предлог био погрешан.

Две доминантне историје ширења представљају избор у томе како треба да се уради интегрални пут. Ако су доминантне историје две локације на мапи, мега-градови у царству свих могућих квантно-механичких универзума, питање је који пут треба да идемо кроз терен. Коју доминантну експанзиону историју, а може постојати само једна, да ли би се "контура интеграције" могла подићи? Истраживачи су развили различите путеве.

У свом папиру за 2017. годину, Турок, Фелдбругге и Лехнерс су кренули кроз врт кроз могуће хисторије проширења које су довеле до другог доминантног рјешења. По њиховом мишљењу, једина разумна контура је она која скенира кроз стварне вредности (за разлику од имагинарних вредности, које укључују квадратне корене негативних бројева) за варијаблу која се зове "лапсе". Лапсе је у суштини висина сваког могућег универзума – растојање које је потребно да би се достигао одређени пречник. У недостатку каузалног елемента, застој није сасвим уобичајен појам времена. Па ипак, Турок и његове колеге делимично тврде да су узрочне везе само стварне вредности лапсуса. И збрајање над универзумима са стварним вредностима лапса доводи до дивље флуктуирајућег, физички бесмисленог решења.

"Људи имају велику вјеру у Стивенову интуицију", рекао је Турок телефоном. „Из доброг разлога – мислим, вероватно је имао најбољу интуицију било кога на овим темама. Али није увек био у праву. "

Имагинари Универсес

Јонатхан Халливелл, физичар на Империал Цоллеге Лондону, проучавао је приједлог без граница јер је био Хокингов студент 1980-их. Он и Хартле анализирали су питање контуре интеграције 1990. године. По њиховом мишљењу, као и Хертогов и, по свему судећи, Хавкинговог, контура није фундаментална, већ математички алат који се може ставити у највећу предност. Слично је и са начином на који се путања планете око Сунца може изразити математички као низ углова, као серија пута, или у смислу било којег од неколико других погодних параметара. "Можете то да урадите на много различитих начина, али ниједан од њих није више физички него други", рекао је Халливелл.

Он и његове колеге тврде да, у случају минисуперспаце, само контуре које покупе историју добре експанзије имају смисла. Квантна механика захтева вероватноћу да се дода на 1, или да буде "нормализована", али дивљи флуктуирајући универзум на који је Туроков тим дошао није. То решење је бесмислено, оптерећено бесконачностима и недозвољено квантним законима – очигледни знаци, према браниоцима не-граница, да иду другим путем.

Неил Турок је поставио изазов Хартлеовом и Хавкинговом "не-граничном" предлогу и покренуо конкурентни квантни опис универзума.

Габриела Сецара

Истина је да контуре које пролазе кроз добро решење сумирају могуће универзуме са имагинарним вредностима за њихове променљиве варијанте. Али осим Турока и компаније, мало људи мисли да је то проблем. Имагинарни бројеви прожимају квантну механику. За екипу Хартле-Хавкинга, критичари призивају лажни појам узрочности у захтеву да тај пропуст буде стваран. "То је принцип који није забиљежен у звијездама и са којим се дубоко не слажемо", рекао је Хертог.

Према Хертогу, Хавкинг је ретко спомињао интегрално формулисање путање функције без-граничног таласа у његовим каснијим годинама, делом због двосмислености око избора контуре. Он је посматрао историју нормализације експанзије, коју је интегрални пут само открио, као решење за фундаменталнију једначину о универзуму коју су шездесетих година 20. века поставили физичари Џон Вилер и Брај Девиз. Вхеелер и ДеВитт, након што су размотрили то питање током преласка у Ралеигх-Дурхам Интернатионал, тврдили су да вална функција универзума, шта год да је, не може зависити од времена, јер не постоји вањски сат којим се мјери. И тако, количина енергије у универзуму, када се зброје позитивни и негативни доприноси материје и гравитације, мора заувек остати на нули. Функција без-граничног таласа задовољава Вхеелер-ДеВитт-ову једначину за минисуперпростор.

У последњим годинама његовог живота, да би боље разумели функцију таласа, Хавкинг и његови сарадници почели су да примењују холографију – нови приступ који блокира простор-време као холограм. Хавкинг је трагао за холографским описом универзума у ​​облику шатла, у којем би се геометрија читаве прошлости одвијала од садашњости.

Тај напор се наставља у Хокинговом одсуству. Али Турок види ову промену у нагласку као промену правила. Повлачећи се од интегралне формулације пута, каже он, заговорници идеје без граница учинили су је нејасном. Оно што они проучавају више није Хартле-Хавкинг, по његовом мишљењу – иако се сам Хартле не слаже.

Протеклих годину дана, Турок и његови колеге из Института Периметар Латхам Боиле и Киеран Финн развијају нови космолошки модел који има много тога заједничког са приједлогом без граница. Али уместо једног шатла, он предвиђа два, распоређена чепа за плутање у некој врсти фигуре пешчаног сата, са временом које тече у оба смера. Док модел још није довољно развијен да би могао да предвиђа, његов шарм лежи у начину на који лобови остварују ЦПТ симетрију, наизглед фундаментално огледало у природи које истовремено одражава материју и антиматерију, лево и десно, напред и назад у времену. Један недостатак је то што се зрцални зраци свемира сусрећу у сингуларности, прстохвату у простору-времену које захтијева да се схвати непозната квантна теорија гравитације. Боиле, Финн и Турок убију сингуларност, али такав покушај је инхерентно спекулативан.

Такође је дошло до оживљавања интереса за „предлог за тунелирање“, алтернативан начин на који је свемир могао настати из ничега, који су у осамдесетим годинама самостално осмислили руско-амерички космолози Алекандер Виленкин и Андреи Линде. Предлог, који се разликује од функције безграничног таласа првенствено путем минус знака, баца рађање универзума као квантно механички „тунелски“ догађај, сличан оном када честица искаче изван баријере у квантно-механичком експерименту. .

Питања обилују о томе како се различити приједлози укрштају са антропичним расуђивањем и злогласном идејом мултиверзума. Функција без-граничног таласа, на пример, фаворизује празне универзуме, док је значајна материја и енергија потребна за снагом огромности и сложености. Хокинг је тврдио да се свеобухватно ширење могућих универзума дозвољених валном функцијом мора остварити у неком већем мултиверзуму, у оквиру којег ће само комплексни универзуми као што је наш имати становнике способне да праве запажања. (Недавна дебата се односи на то да ли ће ови комплексни, усељиви универзуми бити глатки или дивљи.) Предност предлога за тунелирање је у томе што фаворизује универзуме испуњене материјом и енергијом као што је наша, без прибјегавања антропичком резоновању – иако универзуми који постоје у тунелу могу имати и друге проблеме.

Без обзира како ствари иду, можда ће нам остати нека суштина слике коју је Хавкинг први пут насликао на Папинској академији наука прије 38 година. Или је можда, уместо не-почетка сличног јужном полу, универзум ипак изашао из сингуларности, захтевајући потпуно другачију врсту таласне функције. У сваком случају, потрага ће се наставити. "Ако говоримо о квантно-механичкој теорији, шта друго може да се пронађе осим таласне функције?" Упита Јуан Малдацена, еминентни теоретски физичар са Института за напредна истраживања у Принстону, Њу Џерси, који је углавном остао изван скорашња борба. Питање валне функције универзума “је право питање које треба поставити”, каже Малдацена, која је, иначе, члан Папинске академије. "Да ли налазимо праву функцију таласа, или како треба да мислимо о функцији таласа – мање је јасно."

Оригинална прича је прештампана уз дозволу Куанта Магазине, уреднички независна публикација Симонс Фондације чија је мисија да унапреди јавно разумевање науке покривајући истраживачки развој и трендове у математици и физичким и животним наукама.


Море Греат ВИРЕД Сториес