V zadnjem času je bila izzvana glavna ideja Stephena Hawkinga - da bi vesolje lahko nastalo iz nič - kozmologi pa so morali izbrati, na katero stran se bodo vzeli. Po dveh letih soočenja so se znanstveniki strinjali, da se njihove razlike sežajo do različnih pogledov, kako deluje narava. Prijazna razprava je pomagala ohraniti vrednost Hawkingove ideje.
Leta 1981 so se na Papeški akademiji znanosti zbrali številni vodilni svetovni kozmologi, ki so bili priča zlitju znanosti in teologije in se nahaja v elegantni vili na vatikanskih vrtovih. Stephen Hawking je izbral avgustovski dan, da bi predstavil tisto, kar bi pozneje poimenoval svojo najpomembnejšo idejo: hipotezo, da bi vesolje lahko nastalo iz nič.
Pred Hawkingovim govorom so bile vse zgodbe kozmološkega izvora, znanstvene ali teološke, sporne: "Kaj se je zgodilo pred tem?" Na primer, teorija velikega praska - prvič predlagana 50 let pred Hawkingovim predavanjem belgijskega fizika in katoliškega duhovnika Georgesa Lemaître, ki je pozneje opravljal funkcijo predsednika vatikanske akademije znanosti - pravi, da je bilo pred razširitvijo vesolje vroč, gost sveženj energije … Toda od kod je prišla prvotna energija?
Teorija velikega poka je imela tudi druge pomanjkljivosti. Fiziki so razumeli, da se rastoči sveženj energije raje spremeni v nekaj zmečkanine in kaotičnosti, kot pa v ogromen gladki prostor, ki ga sodobni astronomi opazujejo. Leta 1980, leto pred Hawkingovim govorom, je kozmolog Alan Guth spoznal, da je mogoče netočnosti Big Bang-a odpraviti z majhnim dodatkom: začetnim, eksponentnim skokom rasti, znanim kot kozmična inflacija, zaradi katere bo vesolje ogromno, gladko in ravno. preden bi jo gravitacija lahko uničila. Inflacija je hitro postala vodilna teorija o nastanku našega kozmosa. In vendar je ostalo vprašanje, kakšni so bili začetni pogoji: kje je nastala drobna pika, ki bi domnevno prišla v naše vesolje, in potencialna energija, ki jo je razširila?
Veličastni Hawking je našel način, kako prenehati z neskončnimi poskusi pogledati še dlje v preteklost: domneval je, da sploh ni konca ali začetka. Kot piše v zapisniku konference v Vatikanu, je takratni 39-letni fizik iz Cambridgea občinstvu dejal: "V razmerah na robu vesolja mora biti nekaj posebnega in kaj je lahko bolj posebnega od tega. država, v kateri ni meje?"
Hawking in James Hartle, s katerimi sta pogosto sodelovala, sta končno oblikovala svojo "brezmejno hipotezo" v svojem dokumentu iz leta 1983, v katerem sta predlagala, da je prostor oblikovan kot votel. Tako kot ima jašek premer nič na najnižji točki in se postopoma širi po poti navzgor, se vesolje v skladu s hipotezo o mejah gladko širi z ničle točke. Hartle in Hawking sta oblikovala formulo, ki opisuje celoten votlek - tako imenovano "valovno funkcijo vesolja", ki zajema vso preteklost, sedanjost in prihodnost - zaradi česar je nesmiselno iskati poreklo ustvarjanja, ustvarjalca ali kakršen koli prehod iz ene države v drugo v preteklost.
"V skladu s hipotezo o odsotnosti meja ni smiselno postavljati vprašanja, kaj se je zgodilo pred velikim praskom, saj ne obstaja koncept časa, ki bi lahko postal izhodišče," je Hawking dejal med drugim predavanjem na Papeški akademiji leta 2016, eno leto in pol pred njegovo smrtjo. "Kot da bi vprašali, kaj je južno od južnega pola."
Hartle-Hawkingova hipoteza je korenito spremenila koncept časa. Vsak trenutek v vesolju je postal prerez za valovnice; medtem ko vesolje dojemamo kot širjenje in razvijanje od trenutka do drugega, čas dejansko vključuje korelacije med velikostjo vesolja v vsakem odseku in drugimi lastnostmi - zlasti z njegovo entropijo ali motnjo. Entropija se poveča od plute do perja, usmerjena na nastajajočo puščico časa. Vendar so blizu zaokroženega dna shuttle korelacije manj zanesljive; čas preneha obstajati in ga nadomešča čisti prostor. Hartle, profesor na kalifornijski univerzi v Santa Barbari, ki je danes star 79 let, je v telefonskem pogovoru komentiral: "V najzgodnejšem vesolju ni bilo nobenih ptic; naknadno so se pojavile ptice. V zgodnjem vesolju ni bilo časain takrat se je pojavil čas."
Promocijski video:
Brezmejna hipoteza očara in navdušuje fizike že skoraj štirideset let. "To je osupljivo lepa in provokativna ideja," je dejal Neil Turok, kozmolog s kanadskega inštituta za teoretično fiziko Perimeter v Waterlou in nekdanji Hawkingov sodelavec. Hipoteza je bila prvi osnutek kvantnega opisa kozmosa - valovne funkcije vesolja. Kmalu se je pojavilo celo področje znanosti, kvantne kozmologije in različni raziskovalci so začeli ponujati alternativne ideje, kako lahko vesolje izvira iz nič, analizirali so različne napovedi in načine preizkušanja teh teorij ter razlagali njihove filozofske posledice. Funkcija neskončnega valovanja je bila "na nek način najpreprostejša razlaga tega", je dejal Hartle.
Toda pred dvema letoma je članek Turoka, Joba Feldbruggeja z inštituta Perimeter in Jean-Luca Lehnersa iz Inštituta za gravitacijsko fiziko Max Planck v Nemčiji spodbudil hipotezo Hartle-Hawking. Seveda je ta hipoteza izvedljiva le, če vesolje, ki izhaja iz brezdimenzijske točke, kot sta si zamislila Hartle in Hawking, naravno zraste v vesolje, kot je naše. Hawking in Hartl sta trdila, da je res tako: vesolji brez meja bodo verjetno ogromni, neverjetno gladki, impresivno ploski in se širijo, tako kot sam kozmos. "Težava s pristopom Stephena in Jima je ta, da je bil dvoumen," je dejal Turok, "globoko dvoumen."
V članku iz leta 2017 v reviji Physical Review Letters so se Turok in njegovi soavtorji približali hipotezi o meji Hartle-Hawking z novimi matematičnimi metodami, za katere verjamejo, da njegove napovedi veliko bolj natančno določajo. kot prej. "Ugotovili smo, da neuspešno ni uspelo," je dejal Turok. "Glede kvantne mehanike se vesolje preprosto ne bi moglo pojaviti tako, kot so si zamislili." Trije znanstveniki so natančno pregledali izračune in prvotne podatke, preden so jih objavili, vendar se je "žal," je dejal Turok, "zdelo neizogibno, da predlog Hartle-Hawking ni primeren."
Zaradi tega članka je izbruhnila prepir. Drugi strokovnjaki so se odločno zavzeli za zamisel o brezmejnih mejah in ovrgli trditve Turoka in njegovih sodelavcev. "Ne strinjamo se z njegovimi tehničnimi argumenti," je dejal Thomas Hertog, fizik na katoliški univerzi v Leuvenu v Belgiji, ki je zadnjih 20 let svojega življenja tesno sodeloval s Hawkingom. „Še pomembneje pa je, da se ne strinjamo z njeno definicijo, konceptom in metodologijo. S tem bi se radi najprej strinjali."
Po dveh letih soočenja so se skupine znanstvenikov strinjale, da se njihove razlike sežajo do različnih pogledov, kako deluje narava. Vroča, a hkrati prijazna razprava je pripomogla k ohranjanju vrednosti ideje, ki je navdušila Hawkinga. Tudi njihovi kritiki s Hartlom posebne formule, vključno s Turokom in Lehnerjem, razvijajo konkurenčne kvantno-kozmološke modele, ki se skušajo izogniti domnevnim pastem izvirnika, hkrati pa ohranjajo čar ideje o neskončnosti.
Vrt kozmičnih dobrot
Od 70. let prejšnjega stoletja sta se Hartle in Hawking srečevala pogosto, običajno takrat, ko sta bila na Cambridgeu dolga sodelovanja. Teoretične študije črnih lukenj in skrivnostne posebnosti v njihovih središčih so jih prisilile, da so se obrnile na vprašanje nastanka našega vesolja.
Leta 1915 je Albert Einstein odkril, da koncentracije snovi ali energije deformirajo tkanino vesolja in ustvarjajo težo. V šestdesetih letih prejšnjega stoletja sta fizik z univerze Hawking in Oxford Roger Penrose dokazala, da se, ko se vesoljski čas dovolj močno upogne, na primer znotraj črne luknje ali morda med velikim praskom, neizogibno zruši in se neskončno upogne v strani singularnosti, kjer Einsteinove enačbe ne delujejo in je potrebna nova kvantna teorija gravitacije. Teoreme o singularnosti Penrose-Hawking pravijo, da prostor-čas v eni točki ne more nastajati gladko, neostro.
Tako sta Hawking in Hartl razmišljala o možnosti, da bi vesolje nastalo kot čisti prostor in ne kot dinamičen prostor-čas. In to jih je pripeljalo do ideje o geometriji shuttlecocka. Določili so neomejeno valovno funkcijo za opis takšnega vesolja z uporabo pristopa, ki ga je izumil Hawkingov idolski fizik Richard Feynman. V 40. letih je Feynman razvil shemo za izračun najverjetnejših izidov kvantnih mehanskih dogodkov. Feynman je ugotovil, da je, recimo, za napovedovanje najverjetnejših izidov trka delcev mogoče povzeti vse možne poti, po katerih bi lahko potovali trkajoči delci, dajejo ravne poti pomembnejše od ukrivljenih poti. Izračun tega "integralne poti" daje funkcijo valovanja: porazdelitev verjetnosti,kar kaže na različna možna stanja delcev po trčenju.
Prav tako sta Hartle in Hawking predstavila valovno funkcijo vesolja - opisovala je njegova verjetna stanja - kot vsoto vseh možnih poti, po katerih bi se lahko nemoteno razširila s točke. Upali so, da bo seštevek vseh možnih "zgodb o širitvi", vesolja z gladkim dnom vseh oblik in velikosti ustvaril valovno funkcijo, ki bo verjetno ustvarila ogromno, gladko in ravno vesolje, kot je naše. Če je tehtana vsota vseh možnih zgodovin širjenja najverjetnejši rezultat neke druge vrste vesolja, je brezmejna hipoteza nedosledna.
Težava je v tem, da je integral pri vseh možnih zgodovinah razširitve preveč zapleten, da bi ga bilo mogoče natančno izračunati. Obstaja nešteto različic oblik in velikosti vesolja in vsak od njih se lahko izkaže za zelo zmedeno zgodbo. "Murray Gell-Mann me je nekoč spraševal," je dejal Hartle o pokojnem fiziku z Nobelovo nagrado, "če poznate valovno funkcijo vesolja, zakaj se niste obogatili?" Seveda sta Hartl in Hawking, da bi dejansko ugotovila valovno funkcijo po Feynmanovi metodi, radikalno poenostavila situacijo, pri čemer sta ignorirala celo specifične delce, ki naseljujejo naš svet (kar je pomenilo, da je njihova formula zelo daleč od napovedovanja borz). Verjeli so, da je usmeritev sestavni del vseh mogočih vesolj igrač v "mini-nadprostoru",torej v seštevku vseh vesoljev z enim energijskim poljem, ki poteka skozi njih: energijo, ki je spodbudila kozmično inflacijo. (Pri talilni kletki Hartle-Hawking to začetno obdobje raztezanja ustreza hitremu povečanju premera na dnu čepa.)
Celo minisuperspace je težko natančno izračunati, vendar fiziki vemo, da obstajata dve možni zgodovini razširitve, ki bi lahko bili najverjetnejši rezultati teh izračunov. Te konkurenčne oblike vesolja ustrezajo dvema stranema trenutne razprave.
Ti dve konkurenčni teoriji predstavljata dve "klasični" zgodbi širitve vesolja, ki bi se lahko zgodila. Po začetnem sunku kozmične inflacije velikosti nič se ti vesolji nenehno širijo v skladu z Einsteinovo teorijo gravitacije in vesolja. Zapletenejše ekspanzijske zgodbe, kot so nogometna vesolja in gosenice, so v veliki meri zanikane s kvantnim računanjem.
Ena od dveh klasičnih rešitev spominja na naše vesolje. V večjem merilu je gladka, energija pa se naključno razprši po njej zaradi kvantnih nihanj med inflacijo. Tako kot v resničnem vesolju tudi razlike v gostoti med različnimi regijami tvorijo Gaussovo krivuljo blizu nič. Če je ta možna rešitev res najbolj verjetna pri izračunu valovne funkcije za minisuperspace, je možno, da bi veliko bolj podrobna in natančna različica neskončne valovne funkcije lahko služila kot izvedljiv kozmološki model resničnega vesolja.
Druga potencialno prevladujoča oblika vesolja sploh ni podobna resnični. Ko se širi, se energija, ki jo napolni, spreminja vse bolj in bolj močno, kar ustvarja ogromne gradiente gostote iz enega kraja v drugega, gravitacija pa se nenehno povečuje. Spremembe gostote tvorijo obrnjeno Gaussovo krivuljo, kjer se razlike med regijami približajo neskončnosti namesto nič. Če je to prevladujoč izraz v neskončni valovni funkciji za minisuperspace, potem se zdi predlog Hartle-Hawkinga napačen.
Dve prevladujoči zgodbi o širitvi nas prisilita, da izberemo, kako naj se izvede integral integralne poti. Če sta prevladujoči zgodbi dve lokaciji na zemljevidu, megagradi v kraljestvu vseh možnih kvantnih mehanskih vesoljev, je vprašanje, kakšno pot bi morali sprejeti skozi te dežele. Kakšno prevladujočo zgodovino ekspanzije in če obstaja samo ena, bi moral izbrati naš "integracijski obris"? Raziskovalci so že zasijali različne poti.
V članku iz leta 2017 so Turok, Feldbrugge in Lehner ubrali pot skozi vrt možnih širilnih zgodb, ki so jih pripeljale do druge prevladujoče odločitve. Po njihovem mnenju je edina smiselna kontura tista, ki gleda resnične vrednosti (v nasprotju z namišljenimi vrednostmi, ki vključujejo kvadratne korenine negativnih števil) za spremenljivko, imenovano "razmik". V bistvu je razmik višina vsakega možnega vesoljskega kraka, razdalja, na kateri doseže določen premer. Ker odstopanje nima izhodišča, se ne ujema z našim razumevanjem časa. Kljub temu se Turok in njegovi sodelavci v sklepanju deloma sklicujejo na vzročno zvezo in trdijo, da imajo fizični pomeni le resnične vrednosti intervala. In seštevanje nad vesolji z resničnimi vrednostmi te spremenljivke vodi do rešitve, ki je s stališča fizike zelo nestabilna in nesmiselna.
"Ljudje zelo cenijo Stevenovo intuicijo," je Turok dejal po telefonu. "Iz očitnih razlogov - mislim, verjetno je imel najboljšo intuicijo glede teh zadev. Vendar ni imel vedno prav."
Domišljijski svetovi
Jonathan Halliwell, fizik na Imperial College London, je preučeval hipotezo brez meja, odkar je v osemdesetih letih študiral pri Hawkingu. Skupaj s Hartlom sta analizirala vprašanje konture integracije leta 1990. Z njihovega vidika, pa tudi s Hertogovega in očitno Hawkingovega obrisa ni temeljna, temveč matematično orodje, ki prinaša največ koristi. Podobno si lahko smer poti planeta okoli Sonca predstavljamo matematično kot niz kotov, kot zaporedje ali kot kateri koli od drugih priročnih parametrov. "Oceno tega parametra lahko naredite na več načinov, vendar noben od njih ni bolj fizičen kot drugi," je dejal Halliwell.
On in njegovi sodelavci trdijo, da so v primeru minispersperskega prostora smiselni samo obrisi, ki zajemajo pravilno zgodbo o širitvi. Kvantna mehanika zahteva verjetnost, da sešteje do 1 ali da se "normalizira", vendar zelo nestabilno vesolje, v katero je prišla Turokova ekipa, ni. Ta odločitev je nesmiselna, trpi zaradi neskončnosti in ne drži kvantnih zakonov - po mnenju zagovornikov brezmejne hipoteze to jasno kaže na potrebo po drugi poti.
Res je, da obrisi skozi pravilno rešitev seštevajo možne vesolje z namišljenimi vrednostmi njihovih spremenljivk. Toda razen Turoka in podjetja le malokdo to obravnava kot problem. Zamišljena števila prežemajo kvantno mehaniko. Kritiki skupine Hartle-Hawking navajajo napačno predstavo o vzročnosti, saj zahtevajo, da je "interval" resničen. "To je načelo, ki ga nebesa niso določila in s katerim se močno ne strinjamo," pravi Hertog.
Hertog pravi, da Hawking zadnja leta redko omenja integralno obliko poti delovanja neskončnega valovanja, deloma tudi zaradi dvoumnosti pri izbiri konture. Na normalizirano zgodovino širjenja, ki je bila nedavno odkrita s celostno potjo, je gledal kot na rešitev bolj temeljne enačbe vesolja, ki sta jo v šestdesetih letih postavila fizika John Wheeler in Bryce DeWitt. Wheeler in DeWitt sta, ko sta se ustavila na mednarodnem letališču Raleigh-Durham, razmišljala o tem vprašanju, trdila, da valovna funkcija vesolja, ne glede na to, ne more biti odvisna od časa, saj ni zunanje ure, po kateri bi lahko bila meri. Zato mora količina energije v vesolju, ko seštejete pozitivne in negativne prispevke materije in gravitacije, vedno ostati nič. Funkcija brez omejenega vala izpolnjuje Wheeler-DeWitt enačbo za minisuperspace.
V zadnjih letih Hawkingovega življenja sta skupaj s sodelavci začela uporabljati holografijo, nov blokadevni pristop, ki vidi vesolje kot hologram, da bi bolje razumeli valovno funkcijo kot celoto. Hawking je iskal holografski opis vesolja v obliki votlega petelina, v katerem bi se od sedanjosti projicirala geometrija celotne preteklosti.
Ta prizadevanja se nadaljujejo tudi v Hawkingovi odsotnosti. Toda Turk vidi ta premik v poudarkih kot spremembo pravil. Po njegovem mnenju so ga zagovorniki brezmejnega modela, če niso želeli oblikovati integralne poti, slabo opredelili. Po njegovem mnenju to, kar preučujejo, ni več model Hartle-Hawkinga, čeprav se sam Hartl s tem ne strinja.
V zadnjem letu sta Turok in njegovi sodelavci na Inštitutu Perimeter Latham Boyle in Kieran Finn razvila nov kozmološki model, ki ima veliko skupnega z modelom brez meja. Toda namesto enega loputa, je sestavljen iz dveh plutovinastih zamaškov, v katerih čas teče v obe smeri. Čeprav model še ni dovolj razvit, da bi karkoli napovedal, njegova lepota leži v tem, da njegovi cvetni listi izvajajo CPT simetrijo, očitno temeljno naravno ogledalo, ki hkrati odseva materijo in antimaterijo, levo in desno, pa tudi naprej in naprej nazaj v čas. Ena od njegovih pomanjkljivosti je, da se cvetni listi zrcalne slike vesolja pojavljajo v ednini, v prostoru-času oz.ki zahteva razumevanje neznane kvantne teorije gravitacije. Boyle, Finn in Turok stavijo na edinstvenost, vendar je ta poskus špekulativen.
Obstaja tudi porast zanimanja za "model predorov", alternativni koncept nastanka vesolja iz ničesar, ki sta ga v osemdesetih letih razvila neodvisna rusko-ameriška kozmologa Aleksander Vilenkin in Andrei Linde. Model, ki se od funkcije neskončnega valovanja razlikuje predvsem po znaku minus, rojstvo vesolja obravnava kot kvantno mehanski dogodek "tuneliranja", podoben tistemu, ko delček plava za pregrado v kvantnem mehanskem poskusu.
Obstaja veliko vprašanj, kako se različni modeli nanašajo na antropsko sklepanje in zloglasno idejo multiverzuma. Neskončna valovna funkcija na primer daje prednost praznim vesoljem, medtem ko ogromno kompleksno vesolje zahteva znatne količine snovi in energije. Hawking je trdil, da mora biti ogromen obseg vesoljev, ki se prilegajo valovni funkciji, realiziran v nekem večjem multiverzumu, znotraj katerega bodo samo tako zapleteni vesolji, kot je naš, prebivalci sposobni opazovati. (Nedavna polemika se vrti okoli vprašanja, ali bodo ta kompleksna bivalna vesolja gladka ali zelo nihajoča.) Prednost modela tuneliranja je, da daje prednost vesoljem, napolnjenim s snovjo in energijo.tako kot pri nas se ni treba zatekati k antropičnim sklepanjem - čeprav imajo vesoljski tuneliranje v obstoj lahko tudi druge težave.
Kar koli se bo zgodilo, bo morda še vedno ostalo nekaj bistva slike, ki jo je Hawking na Papeški akademiji znanosti narisal pred 38 leti. Ali pa je morda namesto ne začetka, kot je Južni pol, vesolje nastalo iz singularnosti in potrebno je nekaj povsem drugačne valovne funkcije. V vsakem primeru se bo iskanje nadaljevalo. "Če govorimo o kvantni mehanski teoriji, kaj lahko poleg valovne funkcije še najdemo?" je vprašal Juan Maldacena, ugledni teoretični fizik na Inštitutu za napredne študije v Princetonu v New Jerseyju, ki se je v veliki meri izognil nedavnim polemikam. Po besedah Maldacene, ki je mimogrede član Papeške akademije, je vprašanje valovne funkcije vesolja "pravo vprašanje." "Ali najdemo pravilno valovno funkcijo,ali kako si predstavljamo, da valovna funkcija ni več tako jasna."
Natalie Wolchover