V poslednej dobe bola napadnutá hlavná myšlienka Štefana Hawkinga - že vesmír mohol vzniknúť z ničoho - a kozmológovia si museli zvoliť, na ktorú stranu sa majú vziať. Po dvoch rokoch konfrontácie vedci súhlasili, že ich rozdiely sa scvrkávajú na rôzne pohľady na to, ako príroda funguje. Priateľská debata pomohla zachovať hodnotu Hawkingovej myšlienky.
V roku 1981 sa mnohí z popredných svetových kozmológov zišli na Pápežskej akadémii vied, ktorí boli svedkami fúzie vedy a teológie a nachádzajú sa v elegantnej vile vo vatikánskych záhradách. Stephen Hawking si vybral augustový deň, aby predstavil to, čo by neskôr nazval jeho najdôležitejšou myšlienkou: hypotézu, že vesmír by mohol vzniknúť z ničoho.
Pred Hawkingovou prednáškou boli všetky príbehy kozmologického pôvodu, vedecké alebo teologické, nevhodné: „Čo sa stalo predtým?“Napríklad teória Veľkého tresku - prvýkrát navrhnutá 50 rokov pred Hawkingovou prednáškou belgického fyzika a katolíckeho kňaza Georgesa Lemaîtra, ktorý neskôr pôsobil ako prezident Vatikánskej akadémie vied - hovorí, že pred začiatkom expanzie bol vesmír horúcim a hustým zväzkom energie. … Ale odkiaľ pôvodná energia pochádza?
Teória Veľkého tresku mala aj ďalšie nedostatky. Fyzici pochopili, že rozširujúci sa zväzok energie by sa skôr zmenil na niečo pokrčené a chaotické, a nie na obrovský hladký priestor, ktorý pozorujú moderní astronómovia. V roku 1980, rok pred Hawkingovou rečou, si kozmológ Alan Guth uvedomil, že nepresnosti Veľkého tresku je možné napraviť malým dodatkom: počiatočným exponenciálnym prudkým rastom známym ako kozmická inflácia, vďaka ktorému bude vesmír obrovský, hladký a plochý. skôr ako to gravitácia mohla zničiť. Inflácia sa rýchlo stala hlavnou teóriou pôvodu nášho vesmíru. A predsa ostala otázka, aké boli počiatočné podmienky: odkiaľ nepatrné miesto, ktoré sa údajne zväčšilo do nášho vesmíru, a potenciálna energia, ktorá ho rozšírila?
Veľkolepý Hawking našiel spôsob, ako ukončiť nekonečné pokusy pozerať sa ešte ďalej do minulosti: predpokladal, že koniec nemá ani koniec. Podľa zápisníc z konferencie vo Vatikáne fyzik Cambridge, vtedy 39-ročný, ktorý ešte stále dokázal hovoriť svojím vlastným hlasom, povedal publiku: „Na okraji vesmíru musí byť niečo zvláštne a to, čo môže byť výnimočnejšie. štát, v ktorom nie je hranica? “
Hawking a James Hartle, s ktorými často spolupracovali, napokon formulovali svoju „hypotézu bez hraníc“vo svojom dokumente z roku 1983, v ktorom tvrdili, že priestor je v tvare loptičky. Rovnako ako má kuželka s priemerom nula vo svojom najnižšom bode a postupne sa rozširuje po ceste nahor, vesmír sa podľa hypotézy bez hraníc plynule rozširuje z bodu s nulovou veľkosťou. Hartle a Hawking prišli s receptúrou popisujúcou celý loptičku - tzv. „Vlnovú funkciu vesmíru“, ktorá zahŕňa celú minulosť, prítomnosť a budúcnosť - takže v minulosti nemalo zmysel hľadať pôvod stvorenia, tvorcu alebo akýkoľvek prechod z jedného štátu do druhého.
„V súlade s hypotézou o neexistencii hraníc nemá zmysel položiť otázku, čo sa stalo pred Veľkým treskom, pretože neexistuje pojem času, ktorý by sa mohol stať východiskovým bodom,“povedal Hawking počas ďalšej prednášky na Pápežskej akadémii v roku 2016, jeden a pol roka. pred jeho smrťou. "Je to ako pýtať sa, čo je južne od južného pólu."
Hartle-Hawkingova hypotéza radikálne revidovala koncept času. Každý okamih vo vesmíre sa stal prierezom loptičky; Zatiaľ čo vnímame vesmír ako rozširujúci sa a vyvíjajúci sa od okamihu k okamihu, čas sa v skutočnosti skladá z korelácií medzi veľkosťou vesmíru v každej časti a inými vlastnosťami - najmä jeho entropiou alebo poruchou. Entropia sa zvyšuje z korku na perie a zameriava sa na vznikajúcu šípku času. Avšak v blízkosti zaobleného dna raketoplánu sú korelácie menej spoľahlivé; čas prestáva existovať a je nahradený čistým priestorom. Hartle, profesor na Kalifornskej univerzite v Santa Barbare, ktorý má v súčasnosti 79 rokov, nedávno komentoval telefonický rozhovor: „V počiatočnom vesmíre neboli žiadne vtáky; následne sa objavili vtáky. V ranom vesmíre nebol časa potom sa objavil čas. ““
Propagačné video:
Neobmedzená hypotéza fascinovala a inšpirovala fyzikov takmer štyridsať rokov. „Je to úžasne krásny a provokatívny nápad,“povedal Neil Turok, kozmológ z Kanadského inštitútu pre teoretickú fyziku vo Waterloo a bývalý spolupracovník spoločnosti Hawking. Hypotéza bola prvým návrhom kvantového opisu vesmíru - vlnovou funkciou vesmíru. Čoskoro sa objavila celá oblasť vedy, kvantovej kozmológie a rôzni vedci začali ponúkať alternatívne nápady, ako vesmír môže pochádzať z ničoho, analyzovali rôzne predpovede a spôsoby testovania týchto teórií a interpretovali ich filozofické implikácie. Funkcia nekonečnej vlny „bola v niektorých ohľadoch tým najjednoduchším vysvetlením,“uviedla Hartle.
Pred dvoma rokmi však článok od Turoka, Joba Feldbrugge z Perimeter Institute a Jean-Luc Lehners z Inštitútu Maxa Plancka pre gravitačnú fyziku v Nemecku spochybnil Hartle-Hawkingovu hypotézu. Táto hypotéza je, samozrejme, životaschopná iba vtedy, ak sa vesmír, ktorý sa vynára z bezrozmerného bodu, ako si predstavoval Hartle a Hawking, prirodzene vyrastie do vesmíru, ako je ten náš. Hawking a Hartl tvrdili, že je to skutočne tak: vesmír bez hraníc bude pravdepodobne obrovský, neuveriteľne hladký, pôsobivo plochý a rozširujúci sa, rovnako ako samotný vesmír. "Problém Stephena a Jimovho prístupu je v tom, že to bolo nejednoznačné," povedal Turok, "hlboko nejednoznačný."
V článku z roku 2017 v liste Physical Review Letters Turok a jeho spoluautori pristúpili k Hartle-Hawkingovej hypotéze bez hraníc s novými matematickými metódami, o ktorých sa domnievajú, že jeho predpovede sú oveľa konkrétnejšie. ako predtým. "Zistili sme, že to zlyhalo," povedal Turok. „Pokiaľ ide o kvantovú mechaniku, vesmír sa jednoducho nemohol javiť tak, ako si predstavovali.“Traja vedci starostlivo skontrolovali výpočty a pôvodné údaje skôr, ako ich zverejnili, ale „bohužiaľ,“povedal Turok, „zdalo sa nevyhnutné, že Hartle-Hawkingov návrh bol nevhodný.“
Spor o tento článok prepukol. Iní experti vehementne podporili myšlienku neexistencie hraníc a vyvrátili argumenty Turoka a jeho kolegov. „Nesúhlasíme s jeho technickými argumentmi,“povedal Thomas Hertog, fyzik na katolíckej univerzite v Leuvene v Belgicku, ktorý úzko spolupracoval s Hawkingom posledných 20 rokov jeho života. „Ale čo je dôležitejšie, nesúhlasíme tiež s jeho definíciou, jej konceptom, metodológiou. Na prvom mieste by sme sa chceli hádať. “
Po dvoch rokoch konfrontácie sa skupiny vedcov zhodli, že ich rozdiely sa scvrkávajú na rôzne pohľady na to, ako príroda funguje. Horúca, ale zároveň priateľská debata pomohla zachovať hodnotu myšlienky, ktorá Hawking vzrušila. Dokonca aj ich kritici s Hartlom špeciálneho vzorca, vrátane Turoka a Lehnera, vyvíjajú konkurenčné kvantovo-kozmologické modely, snažiace sa vyhnúť údajným úskaliam originálu, pričom si zachovávajú kúzlo myšlienky nekonečna.
Záhrada kozmických pôžitkov
Od sedemdesiatych rokov sa Hartle a Hawking často stretávali, zvyčajne vtedy, keď mali dlhé spolupráce v Cambridge. Teoretické štúdie čiernych dier a tajomných singularít v ich centrách ich prinútili obrátiť sa na otázku pôvodu nášho vesmíru.
V roku 1915 Albert Einstein zistil, že koncentrácie hmoty alebo energie deformujú textíliu časopriestoru a spôsobujú gravitáciu. V 60. rokoch 20. storočia Roger Penrose, fyzik Hawking a Oxfordskej univerzity, preukázal, že keď sa časopriestor ohýba dostatočne ostro, napríklad vo vnútri čiernej diery alebo pravdepodobne počas Veľkého tresku, nevyhnutne sa zrúti, nekonečne prudko zakrivený do strana singularity, kde Einsteinove rovnice nefungujú a je potrebná nová kvantová teória gravitácie. V Penrose-Hawkingovej teórii singularity sa uvádza, že časopriestor nemôže vzniknúť plynulo, neohrabane na jednom mieste.
Hawking a Hartl teda uvažovali o možnosti, že vesmír vznikol skôr ako čistý priestor ako dynamický časopriestor. A to ich priviedlo k predstavám o geometrii lietadla. Definovali funkciu neobmedzeného vlnenia na opísanie takéhoto vesmíru pomocou prístupu vynájdeného Hawkingovým idolovým fyzikom Richardom Feynmanom. V 40. rokoch 20. storočia Feynman vyvinul schému na výpočet najpravdepodobnejších výsledkov kvantových mechanických udalostí. Feynman zistil, že na predpovedanie najpravdepodobnejších následkov kolízie častíc by sa dalo zhrnúť všetky možné cesty, ktoré by kolízne častice mohli cestovať, čím by sa dali priame cesty dôležitejšie ako zakrivené cesty. Výpočet tohto „integrálu cesty“poskytuje vlnovú funkciu: rozdelenie pravdepodobnosti,označujú rôzne možné stavy častíc po zrážke.
Podobne Hartle a Hawking predstavili vlnovú funkciu vesmíru - opisujú jeho pravdepodobné stavy - ako súčet všetkých možných ciest, v ktorých sa mohol plynulo rozširovať z určitého bodu. Dúfali, že súhrn všetkých možných „príbehov o expanzii“, vesmírov s hladkým dnom všetkých tvarov a veľkostí, vytvorí vlnovú funkciu, ktorá pravdepodobne vytvorí obrovský, hladký a plochý vesmír, ako je ten náš. Ak je vážený súčet všetkých možných dejín expanzie najpravdepodobnejším výsledkom nejakého iného vesmíru, hypotéza bez hraníc je nekonzistentná.
Problém je v tom, že integrál vo všetkých možných dejinách rozširovania je príliš komplexný na to, aby sa dal presne vypočítať. Existuje nespočetné množstvo variácií v tvaroch a veľkostiach vesmíru a každý z nich sa môže ukázať ako veľmi mätúci príbeh. „Murray Gell-Mann sa ma pýtal,“povedal Hartle o fyzikovi, ktorý získal Nobelovu cenu za neskoro, „ak poznáš vlnovú funkciu vesmíru, prečo si nezbohatol?“Hartl a Hawking museli samozrejme radikálne zjednodušiť situáciu, aby skutočne našli vlnovú funkciu pomocou Feynmanovej metódy, ignorujúc ani špecifické častice, ktoré obývajú náš svet (čo znamená, že ich vzorec bol veľmi vzdialený od predpovedania akciových trhov). Verili, že trajektória je neoddeliteľnou súčasťou všetkých možných vesmírov hračiek v „mini-superspace“,to znamená, v súhrne všetkých vesmírov, cez ktoré prechádza jediné energetické pole: energia, ktorá poháňala kozmickú infláciu. (V lietadle Hartle-Hawking táto počiatočná expanzná perióda zodpovedá rýchlemu zväčšeniu priemeru v spodnej časti zátky.)
Dokonca aj minisuperspace je ťažké vypočítať presne, ale fyzici vedia, že existujú dve možné histórie rozširovania, ktoré by mohli byť najpravdepodobnejšími výsledkami týchto výpočtov. Tieto konkurenčné formy vesmíru zodpovedajú dvom stranám súčasnej diskusie.
Tieto dve konkurenčné teórie predstavujú dva „klasické“príbehy o expanzii vesmíru, ku ktorej mohlo dôjsť. Po počiatočnom výbuchu nulovej kozmickej inflácie sa tieto vesmíry neustále rozširujú podľa Einsteinovej teórie gravitácie a časopriestoru. Zložitejšie príbehy o expanzii, ako sú futbalové a húsenkové vesmíry, sú kvantovým výpočtom do značnej miery negované.
Jedno z dvoch klasických riešení pripomína náš vesmír. Vo väčšom meradle je hladký a energia je v ňom náhodne rozptýlená kvôli kvantovým výkyvom počas inflácie. Rovnako ako v skutočnom vesmíre, rozdiely v hustote medzi jeho rôznymi oblasťami tvoria gaussovskú krivku blízku nule. Ak je toto možné riešenie skutočne najvhodnejšie pri výpočte vlnovej funkcie pre minisuperspace, je možné si predstaviť, že oveľa podrobnejšia a presnejšia verzia nekonečnej vlnovej funkcie by mohla slúžiť ako životaschopný kozmologický model skutočného vesmíru.
Ďalšia potenciálne dominantná forma vesmíru nie je vôbec ako skutočná. Ako sa rozširuje, energia, ktorá ju napĺňa, sa mení čoraz ostrejšie, čím sa vytvárajú obrovské gradienty hustoty z jedného miesta na druhé a gravitácia neustále rastie. Zmeny hustoty tvoria obrátenú gaussovskú krivku, kde rozdiely medzi regiónmi sa približujú k nekonečnu, skôr ako k nule. Ak je toto dominantný pojem v nekonečnej vlnovej funkcii pre minisuperspace, Hartle-Hawkingov návrh sa môže zdať nesprávny.
Dva dominantné príbehy o expanzii nás nútia zvoliť, ako sa má integrál cesty vykonať. Ak sú dominantnými príbehmi dve miesta na mape, megacity v ríši všetkých možných kvantových mechanických vesmírov, otázkou je, akú trajektóriu by sme si mali vziať cez tieto krajiny. Aká dominantná história expanzie a môže existovať iba jedna, by si mal náš „integračný obrys“zvoliť? Vedci už vydali rôzne cesty.
V článku z roku 2017 sa Turok, Feldbrugge a Lehner vydali na cestu záhradou možných príbehov o expanzii, ktoré ich viedli k druhému dominantnému rozhodnutiu. Podľa ich názoru je jediným rozumným obrysom ten, ktorý sa pozerá na reálne hodnoty (na rozdiel od imaginárnych hodnôt, ktoré zahŕňajú druhé odmocniny záporných čísel) pre premennú zvanú „medzery“. V zásade je rozstup výškou každého možného vesmíru s loptičkou, vzdialenosťou, pri ktorej dosiahne určitý priemer. Keďže odchýlka nemá východiskový bod, nezapadá do nášho chápania času. Turok a jeho kolegovia sa však vo svojich úvahách čiastočne odvolávajú na príčinnú súvislosť, pričom tvrdia, že fyzikálne významy majú iba reálne hodnoty intervalu. A zhrnutie vesmíru so skutočnými hodnotami tejto premennej vedie k riešeniu, ktoré je z hľadiska fyziky vysoko nestabilné a nemá zmysel.
"Ľudia kladú veľký dôraz na Stevenovu intuíciu," povedal Turok po telefóne. "Z pochopiteľných dôvodov - myslím tým, že mal pravdepodobne najlepšiu intuíciu v týchto veciach." Ale nemal vždy pravdu. “
Imaginárne svety
Jonathan Halliwell, fyzik z Imperial College London, študoval hypotézu bez hraníc od štúdia v Hawkingu v osemdesiatych rokoch. Spolu s Hartlom analyzovali otázku kontúry integrácie v roku 1990. Z ich hľadiska, ako aj z hľadiska Hertogu a, samozrejme, Hawkinga, kontúra nie je základná, ale skôr matematický nástroj, ktorý poskytuje najväčšie výhody. Podobne trajektóriu planéty okolo Slnka možno matematicky vyjadriť ako sériu uhlov, ako sériu časov alebo ako ktorýkoľvek z niekoľkých ďalších vhodných parametrov. "Tento odhad parametrov môžete urobiť mnohými spôsobmi, ale žiadny z nich nie je fyzickejší ako ten druhý," uviedol Halliwell.
On a jeho kolegovia tvrdia, že v prípade minisuperspace iba naznačujú, že zachytenie správneho príbehu o expanzii má zmysel. Kvantová mechanika vyžaduje pravdepodobnosť, že sa pridá 1 alebo bude "normalizovateľná", ale vysoko nestabilný vesmír, ku ktorému Turokov tím prišiel, nie je. Toto rozhodnutie nemá zmysel, trpí nekonečnosťou a nedodržiava kvantové zákony - podľa obhajcov hypotézy bez hraníc to jasne naznačuje potrebu ísť opačným smerom.
Je pravda, že kontúry prechádzajúce správnym riešením zhŕňajú možné vesmíry s imaginárnymi hodnotami ich premenných. Ale okrem Turoku a spoločnosti to málokto považuje za problém. Imaginárne čísla prechádzajú kvantovou mechanikou. Kritici tímu Hartle-Hawking citujú mylnú predstavu o príčinnej súvislosti tým, že požadujú, aby bol „interval“skutočný. „Toto je princíp, ktorý nie je ustanovený nebom, a s ktorým hlboko nesúhlasíme,“hovorí Hertog.
Hertog hovorí, že Hawking zriedka spomínal integrálnu formu dráhy funkcie nekonečných vĺn v posledných rokoch, čiastočne kvôli nejednoznačnosti pri výbere obrysu. Normalizovanú históriu expanzie, ktorá bola nedávno objavená integrálnou cestou, považoval za riešenie základnej rovnice vesmíru, ktorú v 60. rokoch položili fyzici John Wheeler a Bryce DeWitt. Wheeler a DeWitt, zaoberajúc sa touto otázkou pri zastavovaní na medzinárodnom letisku v Raleigh-Durham, tvrdili, že vlnová funkcia vesmíru, nech už je to akékoľvek, nemôže byť časovo závislá, pretože neexistujú žiadne vonkajšie hodiny, podľa ktorých by mohla byť merať. Preto množstvo energie vo vesmíre, keď sčítate pozitívne a negatívne príspevky hmoty a gravitácie, musí vždy zostať nulové. Funkcia bez obmedzenia vlny spĺňa Wheeler-DeWittovu rovnicu pre minisuperspace.
V posledných rokoch Hawkingovho života začal on a jeho spolupracovníci používať holografiu, nový prístup k trháku, ktorý vníma časopriestor ako hologram, aby lepšie porozumel vlnovej funkcii ako celku. Hawking hľadal holografický popis vesmíru vo forme raketoplánu, v ktorom by sa od súčasnosti premietala geometria celej minulosti.
Toto úsilie pokračuje v neprítomnosti Hawkinga. Turk však vidí tento posun v dôležitosti ako zmenu pravidiel. Podľa neho, priaznivci modelu bez hraníc, ktorý odmietol sformulovať integrál cesty, ho zle definovali. Podľa jeho názoru to, čo študujú, už nie je Hartle-Hawkingov model, hoci Hartl s tým nesúhlasí.
Za posledný rok vyvíjajú Turok a jeho kolegovia z Perimeter Institute Latham Boyle a Kieran Finn nový kozmologický model, ktorý má veľa spoločného s modelom bez hraníc. Ale namiesto jedného tobogánu pozostáva z dvoch korkov v tvare presýpacích hodín, v ktorých čas tečie oboma smermi. Hoci model ešte nie je dostatočne vyvinutý na to, aby predpovedal čokoľvek, jeho krása spočíva v tom, že jeho plátky implementujú symetriu CPT, zjavne základné prírodné zrkadlo, ktoré súčasne odráža hmotu a antihmotu, vľavo a vpravo, ako aj vpred a späť v čase. Jednou z jeho nevýhod je to, že lístky zrkadlového obrazu vesmíru sa vyskytujú v singulárnom, v časopriestore,čo vyžaduje pochopenie neznámej kvantovej teórie gravitácie. Boyle, Finn a Turok vsádzajú na jedinečnosť, ale tento pokus je špekulatívny.
Oživuje sa aj záujem o „tunelový model“, alternatívny pohľad na pôvod vesmíru z ničoho, ktorý v 80. rokoch vyvinuli nezávislí rusko-americkí kozmológovia Alexander Vilenkin a Andrey Linde. Model, ktorý sa líši od funkcie nekonečných vĺn hlavne znamienkom mínus, považuje zrodenie vesmíru za kvantovú mechanickú „tunelovú“udalosť, podobnú tomu, keď častice plávajú za bariérou v kvantovom mechanickom experimente.
Existuje veľa otázok o tom, ako rôzne modely súvisia s antropickým zdôvodňovaním a neslávnou myšlienkou multivesmíru. Napríklad funkcia nekonečnej vlny uprednostňuje prázdne vesmíry, zatiaľ čo obrovský komplex vesmíru vyžaduje značné množstvo hmoty a energie. Hawking tvrdil, že v niektorých väčších multivesmíroch musí byť realizovaná obrovská škála možných vesmírov, ktoré zapadajú do vlnovej funkcie. (Nedávna kontroverzia sa točí okolo otázky, či tieto komplexné obývateľné vesmíry budú hladké alebo vysoko kolísavé.) Výhodou modelu tunelovania je, že zvýhodňuje vesmíre naplnené hmotou a energiou.ako je tá naša, nie je potrebné uchýliť sa k antropickému zdôvodňovaniu - hoci tunelovanie vesmíru môže mať iné problémy.
Nech sa stane čokoľvek, možno niektorá podstata maľby, ktorú maľoval Hawking na Pápežskej akadémii vied pred 38 rokmi, zostane. Alebo možno, namiesto toho, aby sa nezačal ako južný pól, vesmír sa vynoril zo singularity a vyžaduje sa nejaký úplne iný druh vlnovej funkcie. V každom prípade bude vyhľadávanie pokračovať. „Ak hovoríme o kvantovej mechanickej teórii, čo ešte nájdeme okrem vlnovej funkcie?“spýtala sa Juana Maldacena, významného teoretického fyzika na Inštitúte pre pokročilé štúdium v Princetone v New Jersey, ktorý sa do značnej miery vyhýbal nedávnej diskusii. Podľa Maldaceny, ktorá je mimochodom členom Pápežskej akadémie, je otázkou vlnovej funkcie vesmíru „správna otázka“. „Nájdeme správnu funkciu vĺn,alebo ako by sme si mali predstaviť, že funkcia vĺn už nie je tak jasná. ““
Natalie Wolchover