For nylig er Stephen Hawkings hovedidee - at universet kunne have opstået fra intet - blevet udfordret, og kosmologer har været nødt til at vælge, hvilken side de skal tage. Efter to års konfrontation var forskerne enige om, at deres forskelle koger ned til forskellige synspunkter på, hvordan naturen fungerer. Den venlige debat var med til at bevare værdien af Hawkings idé.
I 1981 var mange af verdens førende kosmologer samlet på det Pontifical Academy of Sciences, som var vidne til fusionen af videnskab og teologi og ligger i en elegant villa i Vatikanets haver. Stephen Hawking valgte augustdag for at præsentere, hvad han senere ville kalde sin vigtigste idé: hypotesen om, at universet kunne have opstået ud af intet.
Før Hawkings tale var alle historier af kosmologisk oprindelse, videnskabelig eller teologisk, kritiske: "Hvad skete der før?" For eksempel siger Big Bang-teorien - først foreslået 50 år før Hawkings foredrag af den belgiske fysiker og katolske præst Georges Lemaître, som senere tjente som præsident for Vatikanets Akademi for Videnskaber - at før udvidelsen begyndte, var universet et varmt, tæt bundt energi … Men hvor kom den originale energi fra?
Big Bang-teorien havde også andre mangler. Fysikere forstod, at det ekspanderende bundt af energi snarere ville blive til noget sammenkrøbt og kaotisk, snarere end til det enorme glatte rum, som moderne astronomer observerer. I 1980, et år før Hawkings tale, indså kosmolog Alan Guth, at Big Bang's fejl kunne rettes med en lille tilføjelse: en indledende, eksponentiel stigning i vækst kendt som kosmisk inflation, der ville gøre universet enormt, glat og fladt. før tyngdekraften kunne ødelægge den. Inflation blev hurtigt den førende teori for vores kosmos oprindelse. Og alligevel forblev spørgsmålet om, hvad de oprindelige forhold var: hvor kom det lille sted, der angiveligt kvældede ind i vores univers, og den potentielle energi, der ekspanderede det fra?
Den storslåede Hawking fandt en måde at stoppe uendelige forsøg på at se endnu længere ind i fortiden: han antog, at der slet ikke var nogen ende eller begyndelse. I følge protokollen fra konferencen i Vatikanet fortalte Cambridge-fysikeren, dengang 39 år gammel, og som stadig kunne tale med sin egen stemme, til publikum:”Der skal være noget specielt i forhold ved universets kant, og hvad der kunne være mere specielt end det. en stat, hvor der ikke er nogen grænse?"
Hawking og James Hartle, som de ofte arbejdede sammen med, formulerede endelig deres "ingen grænsehypotese" i deres papir fra 1983, hvor de foreslog, at kosmos er formet som en skodder. Ligesom en skyttelås har en diameter på nul på sit laveste punkt og gradvist ekspanderer på vej op, udvider universet jævnligt efter hypotesen om ingen grænser fra et punkt med nulstørrelse. Hartle og Hawking kom med en formel, der beskriver hele skyttelåsen - den såkaldte "bølgefunktion af universet", der omfatter al fortid, nutid og fremtid - hvilket gør det meningsløst at søge efter oprindelsen til skabelse, skabere eller enhver overgang fra en tilstand til en anden i fortiden.
"I overensstemmelse med hypotesen om fraværet af grænser giver det ingen mening at stille spørgsmålet om, hvad der skete før Big Bang, da der ikke er noget tidsbegreb, der kan blive et udgangspunkt," sagde Hawking under et andet forelæsning på Pontifical Academy i 2016, halvandet år før hans død. "Det er som at spørge, hvad der er syd for Sydpolen."
Hartle-Hawking-hypotesen reviderede tidsbegrebet radikalt. Hvert øjeblik i universet blev et tværsnit af en skodder. mens vi opfatter universet som ekspanderende og udviklende fra øjeblik til øjeblik, består tiden faktisk af sammenhænge mellem universets størrelse i hvert afsnit og andre egenskaber - især dets entropi eller forstyrrelse. Entropien stiger fra kork til fjer, der er rettet mod tidens nye pil. Nær skibets afrundede bund er korrelationerne imidlertid mindre pålidelige; tiden ophører med at eksistere og erstattes af rent rum. Hartle, professor ved University of California i Santa Barbara, nu 79, kommenterede for nylig i en telefonsamtale:”Der var ingen fugle i det tidligste univers; efterfølgende dukkede fuglene op. Der var ingen tid i det tidlige universog så dukkede tiden op."
Salgsfremmende video:
Ingen-grænsehypotesen har fascineret og inspireret fysikere i næsten fyrre år.”Det er en forbløffende smuk og provokerende idé,” sagde Neil Turok, en kosmolog ved det canadiske perimeterinstitut for teoretisk fysik i Waterloo og en tidligere Hawking-samarbejdspartner. Hypotesen var det første udkast til en kvantebeskrivelse af kosmos - universets bølgefunktion. Snart dukkede et helt felt af videnskab, kvantekosmologi op, og forskellige forskere begyndte at tilbyde alternative ideer til, hvordan universet kunne være kommet fra intet, analyserede forskellige forudsigelser og måder at teste disse teorier og fortolket deres filosofiske implikationer. Den uendelige bølgefunktion "var på nogle måder den enkleste forklaring på dette," sagde Hartle.
Men for to år siden udfordrede en artikel af Turok, Job Feldbrugge fra Perimeter Institute og Jean-Luc Lehners fra Max Planck Institute for Gravitational Physics i Tyskland Hartl-Hawking-hypotesen. Denne hypotese er naturligvis kun levedygtig, hvis et univers, der kommer ud fra et dimensionløst punkt, som Hartle og Hawking forestillede sig, naturligt vokser ind i et univers som vores. Hawking og Hartl hævdede, at dette er tilfældet: universer uden grænser vil sandsynligvis være enorme, utroligt glatte, imponerende flade og ekspanderende, ligesom kosmos i sig selv. "Problemet med Stephen og Jim's tilgang er, at det var tvetydigt," sagde Turok, "dybt tvetydig."
I en 2017-artikel, der blev offentliggjort i Physical Review Letters, nærmede Turok og hans medforfattere Hartle-Hawking ingen grænsehypotese med nye matematiske teknikker, som de mener gør hans forudsigelser meget mere specifikke. end før.”Vi fandt, at det var mislykkeligt,” sagde Turok. "Med hensyn til kvantemekanik kunne universet simpelthen ikke have vist sig som de forestillede sig." De tre videnskabsmænd kontrollerede omhyggeligt beregningerne og de originale data, før de frigav dem, men "desværre", sagde Turok, "syntes det uundgåeligt, at Hartle-Hawking-forslaget var uegnet."
Kontroverser brød ud over denne artikel. Andre eksperter fastholdt kraftigt ideen om ingen grænser og tilbageviste Turok og hans kollegers argumenter. "Vi er uenige i hans tekniske argumenter," sagde Thomas Hertog, en fysiker ved det katolske universitet i Leuven i Belgien, der arbejdede tæt sammen med Hawking i de sidste 20 år af sit liv.”Men endnu vigtigere er vi også uenige i dens definition, dens koncept, dets metode. Dette er, hvad vi gerne vil argumentere med i første omgang”.
Efter to års konfrontation var grupper af videnskabsfolk enige om, at deres forskelle koger ned til forskellige syn på, hvordan naturen fungerer. En opvarmet, men på samme tid, venlig debat hjalp med til at bevare værdien af den idé, der begejstrede Hawking. Selv deres kritikere med Hartl af den specielle formel, og inklusive Turok og Lehner, udvikler konkurrerende kvante-kosmologiske modeller, idet de forsøger at undgå originalens påståede faldgruber, samtidig med at charmen ved ideen om uendelighed bevares.
Haven med kosmiske lækkerier
Siden 1970'erne mødtes Hartle og Hawking ofte, normalt når de havde længe samarbejde på Cambridge. Teoretiske studier af sorte huller og mystiske singulariteter i deres centre tvang dem til at henvende sig til spørgsmålet om oprindelsen af vores univers.
I 1915 opdagede Albert Einstein, at koncentrationer af stof eller energi deformerer stoffet i rumtiden og producerer tyngdekraft. I 1960'erne beviste Hawking og Oxford University-fysikeren Roger Penrose, at når rumtiden bøjer skarpt nok, for eksempel inde i et sort hul eller måske under Big Bang, kollapser det uundgåeligt og bøjes uendeligt abrupt ind i side af singulariteten, hvor Einsteins ligninger ikke fungerer, og en ny, kvante teori om tyngdekraft er nødvendig. Penrose-Hawking Singularity Theorems siger, at rumtid ikke kan opstå glat, uskarpt på et tidspunkt.
Hawking og Hartl overvejede således muligheden for, at universet opstod som rent rum snarere end dynamisk rumtid. Og dette førte dem til ideen om skyttelbåsens geometri. De definerede en ubegrænset bølgefunktion til at beskrive et sådant univers ved hjælp af en tilgang opfundet af Hawkings idolfysiker Richard Feynman. I 1940'erne udviklede Feynman et skema til beregning af de mest sandsynlige resultater af kvantemekaniske begivenheder. Feynman fandt, at man, for eksempel for at forudsige de mest sandsynlige resultater af en kollision af partikler, kunne man opsummere alle de mulige stier, som kolliderende partikler kunne køre, hvilket giver lige stier større betydning end kurvede stier. Beregning af dette "stiintegral" giver bølgefunktionen: sandsynlighedsfordelingen,angiver de forskellige mulige tilstande af partiklerne efter kollision.
Ligeledes præsenterede Hartle og Hawking universets bølgefunktion - der beskrev dets sandsynlige tilstande - som summen af alle mulige stier, hvor det glat kunne udvide sig fra et punkt. De håbede, at summen af alle mulige "ekspansionshistorier", glatbundede universer i alle former og størrelser, ville frembringe en bølgefunktion, der sandsynligvis genererer et enormt, glat, fladt univers som vores. Hvis den vægtede sum af alle mulige ekspansionshistorier er det mest sandsynlige resultat af en anden slags univers, er hypotesen uden grænser inkonsekvent.
Problemet er, at integralet over alle mulige ekspansionshistorier er for komplekst til at kunne beregnes nøjagtigt. Der er utallige variationer i universernes former og størrelser, og hver af dem kan vise sig at være en meget forvirrende historie. "Murray Gell-Mann plejede at spørge mig," sagde Hartle om den afdøde Nobelprisvindende fysiker, "hvis du kender universets bølgefunktion, hvorfor blev du ikke rig?" For faktisk at finde bølgefunktionen ved hjælp af Feynmans metode måtte Hartl og Hawking radikalt forenkle situationen og ignorere endda de specifikke partikler, der bebor vores verden (hvilket betød, at deres formel var meget langt fra at forudsige aktiemarkeder). De mente, at banen er integreret i alle mulige legetøjsunivers i "mini-superspace",det vil sige i aggregatet af alle universer med et enkelt energifelt, der passerer gennem dem: energien, der fremkaldte kosmisk inflation. (I Hartle-Hawking-skodde svarer denne indledende udvidelsesperiode til en hurtig stigning i diameter ved stikkets basis.)
Selv minisuperspace er vanskeligt at beregne nøjagtigt, men fysikere ved, at der er to mulige ekspansionshistorier, der kunne være de mest sandsynlige resultater af disse beregninger. Disse konkurrerende former for universet svarer til to sider af den aktuelle debat.
Disse to konkurrerende teorier repræsenterer to "klassiske" historier om udvidelsen af universet, der kunne have fundet sted. Efter den første udbrud af den kosmiske inflation i størrelse nul, udvides disse universer støt i overensstemmelse med Einsteins teori om tyngdekraft og rumtid. Mere komplekse ekspansionshistorier, såsom fodboldbold og larverunivers, fjernes i vid udstrækning ved kvanteberegning.
En af de to klassiske løsninger ligner vores univers. I større skala er den glat, og energi er tilfældigt spredt gennem det på grund af kvanteudsving under inflationen. Som i det virkelige univers danner densitetsforskelle mellem dets forskellige regioner en Gaussisk kurve tæt på nul. Hvis denne mulige løsning virkelig er den mest sandsynlige, når man beregner bølgefunktionen for minisuperspace, er det muligt at forestille sig, at en meget mere detaljeret og nøjagtig version af den uendelige bølgefunktion kunne tjene som en levedygtig kosmologisk model af det virkelige univers.
En anden potentielt dominerende form af universet er slet ikke den rigtige. Når den udvides, varierer energien, der fylder den mere og mere skarpt, hvilket skaber enorme densitetsgradienter fra et sted til et andet, og tyngdekraften stiger konstant. Tæthedsændringer danner en omvendt gaussisk kurve, hvor forskelle mellem regioner nærmer sig uendelig, snarere end nul. Hvis dette er det dominerende udtryk i den uendelige bølgefunktion for minisuperspace, kan Hartle-Hawking-forslaget virke forkert.
To dominerende ekspansionshistorier tvinger os til at vælge, hvordan stien integreres skal udføres. Hvis de dominerende historier er to placeringer på et kort, megaciteter inden for alle mulige kvantemekaniske universer, er spørgsmålet, hvilken bane vi skal tage gennem disse lande. Hvilken dominerende ekspansionshistorie, og der kan kun være en, skal vores "integrationskontur" vælge? Forskere har allerede blæst forskellige veje.
I en artikel i 2017 tog Turok, Feldbrugge og Lehner en sti gennem haven med mulige ekspansionshistorier, der førte dem til en anden dominerende beslutning. Efter deres mening er den eneste fornuftige kontur en, der ser på reelle værdier (i modsætning til imaginære værdier, der inkluderer firkantede rødder af negative tal) for en variabel kaldet "afstand". Grundlæggende er afstanden højden på hvert muligt shuttlockunivers, den afstand, hvorpå det når en bestemt diameter. Da afvigelsen ikke har noget udgangspunkt, passer det ikke i vores forståelse af tid. Ikke desto mindre henviser Turok og hans kolleger delvist i deres begrundelse til årsagssag, idet de argumenterer for, at fysiske betydninger kun har reelle værdier for intervallet. Og opsummering over universer med reelle værdier for denne variabel fører til en løsning, der er yderst ustabil og meningsløs fra fysikens synspunkt.
”Folk lægger megen pris på Steven's intuition,” sagde Turok over telefonen.”Af åbenlyse grunde - jeg mener, han havde sandsynligvis den bedste intuition i disse spørgsmål. Men han havde ikke altid ret."
Fantasiske verdener
Jonathan Halliwell, fysiker ved Imperial College London, har studeret hypotesen uden grænser, siden han studerede hos Hawking i 1980'erne. Sammen med Hartl analyserede de spørgsmålet om kontur af integration i 1990. Fra deres synspunkt såvel som fra Hertog og tilsyneladende Hawking er konturen ikke grundlæggende, men snarere det matematiske værktøj, der giver mest fordele. På lignende måde kan banen til en planet omkring solen repræsenteres matematisk som en række vinkler, som en række tidspunkter eller som en af flere andre praktiske parametre. "Du kan gøre denne parameterestimering på mange måder, men ingen af dem er mere fysiske end den anden," sagde Halliwell.
Han og hans kolleger hævder, at i tilfælde af minisuperspace kun giver konturer, der fanger den korrekte ekspansionshistorie, mening. Kvantemekanik kræver sandsynligheder for at tilføje op til 1 eller være "normaliserbar", men det meget ustabile univers, som Turoks team kom til, er ikke. Denne beslutning er meningsløs, lider af uendeligheder og overholder ikke kvantelovgivningen - ifølge talsmændene for ikke-grænsehypotesen indikerer dette klart behovet for at gå den anden vej.
Det er sandt, at konturerne, der passerer gennem den rigtige løsning, opsummerer de mulige universer med de imaginære værdier for deres variabler. Men bortset fra Turok og selskab er der få, der betragter dette som et problem. Imaginære tal gennemgår kvantemekanik. Kritikere af Hartle-Hawking-teamet citerer en misforståelse af kausalitet ved at kræve, at "intervallet" er reelt.”Dette er et princip, der ikke er ordineret af himlen, og som vi dybt uenige med,” siger Hertog.
Hertog siger, at Hawking sjældent har nævnt den integrerede form for stien til den uendelige bølgefunktion i de senere år, delvis på grund af tvetydigheden i valget af kontur. Han så den normaliserede ekspansionshistorie, som for nylig blev opdaget ved hjælp af den integrerede sti, som en løsning på en mere grundlæggende ligning af universet, der blev stillet i 1960'erne af fysikerne John Wheeler og Bryce DeWitt. Wheeler og DeWitt, der overvejede dette spørgsmål, mens de stoppede i Raleigh-Durham International Airport, argumenterede for, at universets bølgefunktion, uanset hvad det måtte være, ikke kan være tidsafhængig, da der ikke er noget eksternt ur, hvormed det kan være måle. Derfor skal mængden af energi i universet, når du tilføjer de positive og negative bidrag fra stof og tyngdekraft, altid være nul. Den ubegrænsede bølgefunktion tilfredsstiller Wheeler-DeWitt-ligningen for minisuperspace.
I de sidste år af Hawkings liv begyndte han og hans medarbejdere at bruge holografi, en ny blockbuster-tilgang, der ser rumtiden som et hologram, for bedre at forstå bølgefunktionen som helhed. Hawking søgte en holografisk beskrivelse af universet i form af en skodder, hvor geometrien for hele fortiden ville blive projiceret fra nutiden.
Denne indsats fortsætter i Hawkings fravær. Men tyrkerne ser dette fokusskifte som en ændring i reglerne. Ifølge ham, der nægtede at formulere stien integreret, gjorde tilhængerne af modellen uden grænser den dårligt defineret. Efter hans mening er det, de studerer, ikke længere Hartle-Hawking-modellen, selvom Hartl selv ikke er enig i dette.
I det forløbne år har Turok og hans kolleger fra Perimeter Institute Latham Boyle og Kieran Finn udviklet en ny kosmologisk model, der har meget til fælles med den grænseløse model. Men i stedet for en skodder, består den af to timeglasformede korker, hvor tiden flyder i begge retninger. Selvom modellen endnu ikke er udviklet tilstrækkeligt til at forudsige noget, ligger dens skønhed i det faktum, at dens kronblade realiserer CPT-symmetri, tilsyneladende et grundlæggende naturligt spejl, der samtidig reflekterer stof og antimaterie, venstre og højre, såvel som fremad og tilbage i tiden. En af dens ulemper er, at kronbladene i universets spejlbillede forekommer i ental, i rum-tid,hvilket kræver forståelse af den ukendte kvanteteori om tyngdekraft. Boyle, Finn og Turok satser på singulariteten, men dette forsøg er spekulativt.
Der er også en genoptagelse af interesse for "tunnelmodellen", et alternativt syn på universets oprindelse ud af intet, udviklet i 1980'erne af uafhængige russisk-amerikanske kosmologer Alexander Vilenkin og Andrey Linde. Modellen, der adskiller sig fra den uendelige bølgefunktion hovedsageligt ved minustegnet, betragter fødslen af universet som en kvantemekanisk”tunneling” -hændelse, svarende til når en partikel flyder bag en barriere i et kvantemekanisk eksperiment.
Der er mange spørgsmål om, hvordan de forskellige modeller forholder sig til antropisk ræsonnement og den berygtede idé om et multivers. For eksempel favoriserer en uendelig bølgefunktion tomme universer, hvorimod et enormt komplekst univers kræver betydelige mængder stof og energi. Hawking argumenterede for, at et stort udvalg af mulige universer, der passer ind i bølgefunktionen, skal realiseres i nogle større multiverser, inden for hvilke kun sådanne komplekse universer som vores vil have indbyggere, der er i stand til at observere. (Den nylige kontrovers drejer sig om spørgsmålet om, hvorvidt disse komplekse beboelige universer vil være glatte eller meget svingende.) Fordelen ved tunnelmodellen er, at den favoriserer universer fyldt med stof og energi.ligesom vores, er der ikke behov for at ty til antropisk ræsonnement - selvom universer, der tunneleres til eksistens, kan have andre problemer.
Uanset hvad der sker, vil nogle af essensen af maleriet, der først blev malet af Hawking ved Det Pontifical Academy of Sciences for 38 år siden, stadig blive. Eller måske i stedet for en ikke-begyndelse som Sydpolen, er universet kommet ud af singulariteten, og der kræves en helt anden slags bølgefunktion. Under alle omstændigheder fortsætter søgningen. "Hvis vi taler om kvantemekanisk teori, hvad kan vi ellers finde ud over bølgefunktionen?" spurgte Juan Maldacena, en fremtrædende teoretisk fysiker ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, der stort set har holdt sig ude af nyere kontroverser. Ifølge Maldacena, der i øvrigt er medlem af det pontifiske akademi, er spørgsmålet om universets bølgefunktion "det rigtige spørgsmål." “Finder vi den rigtige bølgefunktion,eller hvordan vi skulle forestille os, at bølgefunktionen ikke er så klar mere."
Natalie Wolchover