Nyligen har Stephen Hawkings huvudidé - att universum kunde ha uppstått från ingenting - utmanats, och kosmologer har varit tvungna att välja vilken sida att ta. Efter två års konfrontation enades forskarna om att deras skillnader kokar ner till olika åsikter om hur naturen fungerar. Den vänliga debatten hjälpte till att bevara värdet av Hawkings idé.
1981 samlades många av världens ledande kosmologer vid Pontifical Academy of Sciences, som bevittnade sammansmältningen av vetenskap och teologi och ligger i en elegant villa i Vatikanens trädgårdar. Stephen Hawking valde augusti för att presentera vad han senare skulle kalla sin viktigaste idé: hypotesen att universum kunde ha uppstått från ingenting.
Innan Hawkings tal var alla berättelser av kosmologiskt ursprung, vetenskapliga eller teologiska, stötande: "Vad hände innan det?" Till exempel säger Big Bang-teorin - som först föreslogs 50 år före Hawkings föreläsning av den belgiska fysikern och katolska prästen Georges Lemaître, som senare tjänade som president för Vatikanhögskolan för vetenskaper - att innan utvidgningen började var universum ett hett, tätt bunt energi … Men var kom den ursprungliga energin ifrån?
Big Bang-teorin hade också andra brister. Fysiker förstod att det expanderande energibuntet snarare skulle förvandlas till något skrynkligt och kaotiskt, snarare än till det enorma släta utrymme som moderna astronomer observerar. År 1980, ett år före Hawkings tal, insåg kosmologen Alan Guth att felen vid Big Bang kunde korrigeras med ett litet tillägg: en initial, exponentiell ökning i tillväxt känd som kosmisk inflation som skulle göra universumet enormt, smidigt och platt. innan gravitationen kunde förstöra den. Inflation blev snabbt den ledande teorin för vårt kosmos ursprung. Och ändå stod frågan om de ursprungliga förhållandena: var var den lilla fläcken som förmodligen svullnade in i vårt universum och den potentiella energin som expanderade den från?
Den magnifika Hawking hittade ett sätt att få ett slut på oändliga försök att se ännu längre in i det förflutna: han antog att det inte fanns något slut eller börja alls. Enligt protokollet från konferensen i Vatikanen berättade en fysiker från Cambridge, då 39 år gammal och som fortfarande kunde tala med sin egen röst, till publiken:”Det måste finnas något speciellt under förhållanden i universumets kant, och vad som kan vara mer speciellt än så. en stat där det inte finns någon gräns?"
Hawking och James Hartle, med vilka de ofta arbetade tillsammans, formulerade slutligen sin "ingen gränshypotes" i sitt papper från 1983, där de föreslog att rymden är formad som en skyttel. Precis som en skyttelklocka har en diameter på noll vid sin lägsta punkt och gradvis expanderar längs vägen upp, expanderar universumet, enligt hypotesen om inga gränser, smidigt från en punkt med nollstorlek. Hartle och Hawking kom med en formel som beskriver hela shuttlocken - den så kallade "universums vågfunktion" som omfattar alla förflutna, nutid och framtid - vilket gör det meningslöst att söka efter skapandet, skaparen eller någon övergång från ett tillstånd till ett annat i det förflutna.
"I enlighet med hypotesen om frånvaron av gränser, är det inte meningsfullt att ställa frågan om vad som hände före Big Bang, eftersom det inte finns något tidsbegrepp som kan bli en utgångspunkt," sade Hawking under en annan föreläsning vid Pontifical Academy 2016, ett och ett halvt år före hans död. "Det är som att fråga vad som är söder om Sydpolen."
Hartle-Hawking-hypotesen reviderade tidbegreppet radikalt. Varje ögonblick i universum blev ett tvärsnitt av en skyttelklocka; medan vi uppfattar universum som expanderar och utvecklas från ögonblick till ögonblick, består tiden faktiskt av korrelationer mellan storleken på universumet i varje sektion och andra egenskaper - särskilt dess entropi eller störning. Entropin ökar från kork till fjädrar och riktar sig mot tidens nya pil. Men nära bussens rundade botten är korrelationerna mindre pålitliga. tiden upphör att existera och ersätts av rent utrymme. Hartle, professor vid University of California i Santa Barbara, nu 79, kommenterade nyligen i en telefonsamtal:”Det fanns inga fåglar i det tidigaste universum; därefter dök fåglarna upp. Det fanns ingen tid i det tidiga universumoch tiden dök upp."
Kampanjvideo:
Ingen gränshypotesen har fascinerat och inspirerat fysiker i nästan fyrtio år. "Det är en fantastisk vacker och provocerande idé," säger Neil Turok, kosmolog vid kanadensiska Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo och en tidigare Hawking-samarbetare. Hypotesen var det första utkastet till en kvantbeskrivning av kosmos - universums vågfunktion. Snart uppstod ett helt vetenskapsområde, kvantkosmologi, och olika forskare började erbjuda alternativa idéer för hur universum kunde ha kommit från ingenting, analyserade olika förutsägelser och sätt att testa dessa teorier och tolkade deras filosofiska implikationer. Den oändliga vågfunktionen "var på något sätt den enklaste förklaringen till detta", sade Hartle.
Men för två år sedan utmanade en artikel av Turok, Job Feldbrugge från Perimeter Institute och Jean-Luc Lehners från Max Planck Institute for Gravitational Physics i Tyskland Hartl-Hawking-hypotesen. Denna hypotes är naturligtvis bara livskraftig om ett universum som kommer ut från en dimensionell punkt, som Hartle och Hawking föreställde, naturligt växer till ett universum som vårt. Hawking och Hartl hävdade att detta verkligen är fallet: universum utan gränser kommer sannolikt att vara enorma, otroligt släta, imponerande platta och expanderande, precis som själva kosmos. "Problemet med Stephen och Jims inställning är att det var tvetydigt," sade Turok, "djupt tvetydigt."
I en artikel 2017 publicerad i Physical Review Letters, närmade Turok och hans medförfattare Hartle-Hawking-gränshypotesen med nya matematiska tekniker som de tror gör hans förutsägelser mycket mer specifika. än tidigare. "Vi fann att det hade misslyckats eländigt," sade Turok. "När det gäller kvantmekanik kunde universum helt enkelt inte ha framträtt som de föreställde sig." De tre forskarna kontrollerade noggrant beräkningarna och baslinjedata innan de publicerade dem, men "tyvärr," sade Turok, "det verkade oundvikligt att Hartle-Hawking-förslaget var olämpligt."
Kontroverser utbröt över den här artikeln. Andra experter hävdade kraftigt idén om inga gränser och motbevisade Turok och hans kollegas argument. "Vi håller inte med hans tekniska argument," sa Thomas Hertog, en fysiker vid det katolska universitetet i Leuven i Belgien som arbetade nära Hawking under de senaste 20 åren av sitt liv.”Men, ännu viktigare, vi håller inte med om dess definition, dess koncept, dess metodik. Detta är vad vi vill argumentera med i första hand”.
Efter två års konfrontation var grupperna av forskare överens om att deras skillnader kokar ner till olika syn på hur naturen fungerar. En upphettad men samtidigt vänlig debatt hjälpte till att bevara värdet på idén som upphetsade Hawking. Till och med deras kritiker med Hartl av den speciella formeln, inklusive Turok och Lehner, utvecklar konkurrerande kvantkosmologiska modeller och försöker undvika originalets påstådda fallgropar, samtidigt som de bevarar charmen i idén om oändlighet.
Trädgården med kosmiska läckerheter
Sedan 1970-talet träffades Hartle och Hawking ofta, vanligtvis när de hade långa samarbeten på Cambridge. Teoretiska studier av svarta hål och mystiska singulariteter i deras centra tvingade dem att vända sig till frågan om vårt universums ursprung.
År 1915 upptäckte Albert Einstein att koncentrationer av materia eller energi deformerar tyget i rymdtiden och skapar allvar. På 1960-talet bevisade Hawking och Oxford University-fysikern Roger Penrose att när rymdtiden böjs tillräckligt kraftigt, till exempel inuti ett svart hål eller kanske under Big Bang, kollapsar det oundvikligen, böjer sig oändligt brant in i sidan av singulariteten, där Einsteins ekvationer inte fungerar och en ny, kvanteteori om gravitation behövs. Penrose-Hawking Singularity Theorems säger att rymdtid inte kan uppstå smidigt, oskarpt vid en punkt.
Således funderade Hawking och Hartl på möjligheten att universum uppstod som rent rum snarare än dynamisk rymdtid. Och detta ledde dem till idéer om shuttlockans geometri. De definierade en gränslös vågfunktion för att beskriva ett sådant universum med hjälp av en metod som uppfanns av Hawkings idolfysiker Richard Feynman. På 1940-talet utvecklade Feynman ett schema för att beräkna de mest troliga resultaten av kvantmekaniska händelser. Feynman fann att, för att säga, för att förutsäga de mest troliga resultaten av en kollision av partiklar, kan man sammanfatta alla möjliga banor som kolliderande partiklar kunde röra, vilket ger raka vägar mer betydelse än böjda banor. Beräkning av denna "vägintegral" ger vågfunktionen: sannolikhetsfördelningen,som indikerar de olika möjliga tillstånden för partiklarna efter kollision.
Likaså presenterade Hartle och Hawking universums vågfunktion - som beskrev dess troliga tillstånd - som summan av alla möjliga vägar där det smidigt skulle kunna expandera från en punkt. De hoppades att summan av alla möjliga "expansionshistorier", släta botten universum i alla former och storlekar, skulle producera en vågfunktion som troligen kommer att generera ett enormt, smidigt, plant universum som vårt. Om den vägda summan av alla möjliga expansionshistorier är det mest troliga resultatet av någon annan typ av universum, är ingen gränshypotesen inkonsekvent.
Problemet är att integralen över alla möjliga expansionshistorier är för komplex för att kunna beräknas exakt. Det finns otaliga variationer i universums former och storlekar, och var och en av dem kan visa sig vara en väldigt förvirrande berättelse. "Murray Gell-Mann brukade fråga mig," sade Hartle om den sena Nobelprisvinnande fysikern, "om du känner till universums vågfunktion, varför blev du inte rik?" Naturligtvis, för att faktiskt hitta vågfunktionen med Feynmans metod, måste Hartl och Hawking radikalt förenkla situationen och ignorera till och med de specifika partiklarna som bebor vår värld (vilket innebar att deras formel var mycket långt ifrån att förutsäga aktiemarknader). De trodde att banan är integrerad för alla möjliga leksaksunivers i "mini-superspace",det vill säga, i samlingen av alla universum med ett enda energifält som passerar genom dem: energin som drivde kosmisk inflation. (I Hartle-Hawking-fäste motsvarar denna initiala utvidgningsperiod en snabb ökning av diametern vid kontakten.)
Även minisuperspace är svårt att beräkna exakt, men fysiker vet att det finns två möjliga expansionshistorier som kan vara de mest troliga resultaten av dessa beräkningar. Dessa konkurrerande former av universum motsvarar två sidor av den aktuella debatten.
Dessa två konkurrerande teorier representerar två "klassiska" berättelser om expansionen av universum som kunde ha ägt rum. Efter den första sprängningen av storleken noll kosmisk inflation, expanderar dessa universitet stadigt i enlighet med Einsteins tyngdkraft och rymdtid. Mer komplexa expansionshistorier, som universum formade som en fotboll eller en larv, avbryts mestadels genom kvantberäkning.
En av de två klassiska lösningarna liknar vårt universum. I större skala är den jämn, och energi sprids slumpmässigt genom det på grund av kvantfluktuationer under inflationen. Precis som i det verkliga universum, utgör densitetsskillnaderna mellan dess olika regioner en Gaussisk kurva nära noll. Om denna möjliga lösning verkligen är den mest troliga när man beräknar vågfunktionen för minisuperspace, är det möjligt att föreställa sig att en mycket mer detaljerad och exakt version av den oändliga vågfunktionen kan tjäna som en livskraftig kosmologisk modell av det verkliga universum.
En annan potentiellt dominerande form av universum är inte alls som den verkliga. När den expanderar varierar energin som fyller den mer och mer kraftigt, vilket skapar stora täthetsgradenter från en plats till en annan, och tyngdkraften ökar ständigt. Densitetsförändringar bildar en inverterad gaussisk kurva, där skillnader mellan regioner närmar sig oändlighet, snarare än noll. Om detta är den dominerande termen i den oändliga vågfunktionen för minisuperspace, kan Hartle-Hawking-förslaget verka fel.
Två dominerande expansionshistorier tvingar oss att välja hur vägen integreras ska utföras. Om de dominerande berättelserna är två platser på en karta, megaciteter i området för alla möjliga kvantmekaniska universum, är frågan vilken bana vi ska ta oss genom dessa länder. Vilken dominerande expansionshistoria, och det kan bara finnas en, bör vår "integrationskontur" välja? Forskare har redan blivit olika vägar.
I en artikel från 2017 tog Turok, Feldbrugge och Lehner en väg genom trädgården med möjliga expansionshistorier som ledde dem till ett andra dominerande beslut. Enligt deras åsikt är den enda förnuftiga konturen en som tittar på verkliga värden (i motsats till imaginära värden, som inkluderar kvadratroten med negativa tal) för en variabel som kallas "avstånd". I grund och botten är avståndet höjden på varje möjlig shuttlecock-universum, avståndet vid vilket det når en viss diameter. Eftersom avvikelsen inte har någon utgångspunkt passar den inte i vår tids förståelse. Trots detta hänvisar Turok och hans kollegor delvis i sina resonemang till orsakssamtal och hävdar att fysiska betydelser endast har verkliga värden på intervallet. Och summering över universum med verkliga värden på denna variabel leder till en lösning som är mycket instabil och meningslös ur fysikens synvinkel.
"Människor lägger mycket värde på Stevens intuition," sa Turok via telefon.”Av uppenbara skäl - jag menar, han hade förmodligen den bästa intuitionen i dessa frågor. Men han hade inte alltid rätt."
Fantastiska världar
Jonathan Halliwell, fysiker vid Imperial College London, har studerat hypotesen utan gränser sedan han studerade med Hawking på 1980-talet. Tillsammans med Hartl analyserade de frågan om integrationens kontur 1990. Från deras synvinkel, såväl som från Hertog och, till synes, Hawking, är konturen inte grundläggande, utan snarare det matematiska verktyget som ger mest fördelar. På liknande sätt kan banan för en planet runt solen representeras matematiskt som en serie vinklar, som en serie gånger eller som någon av flera andra praktiska parametrar. "Du kan göra denna parameteruppskattning på många sätt, men ingen av dem är mer fysisk än den andra," sa Halliwell.
Han och hans kollegor hävdar att när det gäller minisuperspace, bara konturer som fångar rätt expansionshistoria är vettiga. Kvantmekanik kräver sannolikheter för att lägga till 1 eller vara "normaliserbar", men det mycket instabila universum som Turoks team kom till är inte. Detta beslut är meningslöst, lider av oändlighet och följer inte kvantelagar - enligt förespråkarna för ingen gränshypotes indikerar detta tydligt behovet av att gå åt andra hållet.
Det är sant att konturerna som passerar genom rätt lösning summerar möjliga universum med de imaginära värdena på deras variabler. Men bortsett från Turok och företag, anser få detta som ett problem. Fantastiska siffror genomgår kvantmekanik. Kritiker av Hartle-Hawking-teamet citerar en missuppfattning av kausalitet genom att kräva att "intervallet" är verkligt. "Detta är en princip som inte ordineras av himlen och som vi djupt håller med om," säger Hertog.
Hertog säger att Hawking sällan har nämnt den integrerade formen för den oändliga vågfunktionens väg under de senaste åren, delvis på grund av oklarhet i valet av konturen. Han såg den normaliserade expansionshistorien, som nyligen upptäcktes med hjälp av den integrerade vägen, som en lösning på en mer grundläggande ekvation av universum, som poserades på 1960-talet av fysikerna John Wheeler och Bryce DeWitt. Wheeler och DeWitt hävdade, efter att ha funderat på denna fråga när de stannade vid Raleigh-Durham International Airport, att universums vågfunktion, oavsett vad det kan vara, inte kan vara tidsberoende, eftersom det inte finns någon extern klocka som det kan vara mäta. Därför måste mängden energi i universum när du lägger till de positiva och negativa bidragen från materien och tyngdkraften alltid förbli noll. Den obegränsade vågfunktionen tillfredsställer Wheeler-DeWitt-ekvationen för minisuperspace.
Under de senaste åren av Hawkings liv började han och hans medarbetare använda holografi, en ny blockbustermetod som ser rymdtid som ett hologram för att bättre förstå vågfunktionen som helhet. Hawking sökte en holografisk beskrivning av universum i form av en skyttelklocka, där geometri för hela det förflutna skulle projiceras från nuet.
Dessa ansträngningar fortsätter i Hawkings frånvaro. Men turkarna ser denna tyngdförändring som en förändring av reglerna. Enligt honom, som vägrade att formulera vägen integrerad, gjorde anhängare av modellen utan gränser den dåligt definierad. Enligt hans åsikt är det de studerar inte längre Hartle-Hawking-modellen, även om Hartl själv inte håller med om detta.
Under det senaste året har Turok och hans kollegor från Perimeter Institute Latham Boyle och Kieran Finn utvecklat en ny kosmologisk modell som har mycket gemensamt med den gränslösa modellen. Men istället för en skyttelklocka består den av två timglasformade korkar där tiden flyter i båda riktningarna. Även om modellen ännu inte är tillräckligt utvecklad för att förutsäga någonting, ligger dess skönhet i det faktum att dess kronblad realiserar CPT-symmetri, tydligen en grundläggande naturlig spegel som samtidigt återspeglar materia och antimateria, vänster och höger, såväl som framåt och bakåt i tiden. En av dess nackdelar är att kronbladen i universums spegelbild förekommer i singularis, i rymdtid,vilket kräver en förståelse av den okända kvantteorin om gravitation. Boyle, Finn och Turok satsar på singulariteten, men detta försök är spekulativt.
Det finns också en återuppblickning av intresse för "tunnelmodellen", en alternativ syn på universums ursprung ur ingenting, utvecklad på 1980-talet av oberoende rysk-amerikanska kosmologer Alexander Vilenkin och Andrey Linde. Modellen, som skiljer sig från den oändliga vågfunktionen huvudsakligen av minustecknet, betraktar universumets födelse som en kvantmekanisk "tunneling" -händelse, liknande när en partikel flyter bakom en barriär i ett kvantmekaniskt experiment.
Det finns många frågor om hur de olika modellerna förhåller sig till antropiskt resonemang och den ökända idéen om ett multiversum. Till exempel gynnar en oändlig vågfunktion tomma universum, medan ett enormt komplext universum kräver betydande mängder materia och energi. Hawking hävdade att ett stort antal möjliga universum som passar in i vågfunktionen måste realiseras i någon större multivers, inom vilken endast sådana komplexa universum som våra kommer att ha invånare som kan observera. (Den senaste kontroversen kretsar kring frågan om dessa komplexa bebörliga universum kommer att vara släta eller mycket fluktuerande.) Fördelen med tunnelmodellen är att den gynnar universum fyllda med materia och energi.som vårt, finns det inget behov av att tillgripa antropisk resonemang - även om universum som tunnlar i existens kan ha andra problem.
Oavsett vad som händer, kanske en del av kärnan i målningen, som först målades av Hawking vid Pontifical Academy of Sciences för 38 år sedan, fortfarande kommer att kvarstå. Eller kanske, istället för en icke-början som Sydpolen, har universum uppstått från singulariteten, och någon helt annan typ av vågfunktion krävs. I vilket fall som helst fortsätter sökningen. "Om vi talar om kvantmekanisk teori, vad hittar vi förutom vågfunktionen?" frågade Juan Maldacena, en framstående teoretisk fysiker vid Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, som till stor del har hållit sig borta från den senaste kontroversen. Enligt Maldacena, som för övrigt är medlem i Pontifical Academy, är frågan om universums vågfunktion "den rätta frågan." "Finns vi rätt vågfunktion,eller hur vi borde föreställa oss att vågfunktionen inte är så klar längre."
Natalie Wolchover
