Nemrégiben megkérdőjelezték Stephen Hawking fő gondolatát - miszerint a világegyetem semmiből nem származhatott -, és a kozmológusoknak el kellett választaniuk, melyik oldalt veszik fel. Két évvel a konfrontáció után a tudósok egyetértettek abban, hogy különbségeik a természet működéséről szóló eltérő nézetekhez vezetnek. A barátságos vita elősegítette a Hawking ötlete értékének megőrzését.
1981-ben a világ vezető kozmológusai közül sokan összegyűltek a Pápai Tudományos Akadémiára, amely a tudomány és a teológia összeolvadásának tanúja volt. Stephen Hawking augusztus napját választotta, hogy bemutassa azt, amit késõbb legfontosabb gondolatának nevezne: azt a hipotézist, miszerint a világegyetem semmibõl származhatott volna.
Hawking beszéde előtt minden kozmológiai eredetű tudományos vagy teológiai történet kifogásolható volt: "Mi történt azelőtt?" Például a Nagyrobbanás elmélete - amelyet először 50 évvel Hawking előadása előtt javasolt a belga fizikus és katolikus pap, Georges Lemaître, aki később a Vatikán Tudományos Akadémia elnöke volt - azt mondja, hogy a terjeszkedés megkezdése előtt az univerzum forró, sűrű energiacsomag volt. … De honnan származott az eredeti energia?
A Big Bang elméletnek más hibái is voltak. A fizikusok megértették, hogy a bővülő energiacsomag inkább gyűröttnek és kaotikusnak válik, nem pedig a hatalmas sima térré, amelyet a modern csillagászok megfigyelnek. 1980-ban, egy évvel Hawking beszéde előtt, Alan Guth kozmológus rájött, hogy a Nagyrobot pontatlanságait kis kiegészítéssel lehet kijavítani: a növekedés kezdeti, exponenciális tüskéjét, kozmikus inflációnak nevezzük, amely az univerzumot hatalmas, sima és laposvá teszi. mielőtt a gravitáció elpusztíthatja. Az infláció gyorsan lett a vezető elmélet kozmoszunk eredeteként. És mégis fennmaradt a kérdés, hogy mi volt a kezdeti feltételek: hol volt az a kis folt, amely állítólag bedugott az univerzumunkba, és a potenciális energia, amelyből kibővült?
A csodálatos Hawking megtalálta a módját arra, hogy véget vessen a végtelen kísérleteknek, hogy még tovább mutasson a múltba: azt hitte, hogy egyáltalán nincs vége vagy kezdete. A Vatikánon tartott konferencia jegyzőkönyve szerint egy 39 éves Cambridge-i fizikus, aki még mindig képes volt a saját hangjával beszélni, azt mondta a közönségnek: „A világegyetem szélén lévő körülmények között valami különlegesnek kell lennie, és ami ennél különösebb lehet. egy állam, amelyben nincs határ?"
Hawking és James Hartle, akikkel gyakran együtt dolgoztak, végül 1983-as cikkükben megfogalmazták a „határok nélküli hipotézist”, ahol azt sugallták, hogy a tér egy shuttlecock-alakú. Ahogyan a shuttlecock átmérője nulla a legalacsonyabb pontján, és fokozatosan tágul az út mentén felfelé, az univerzum, a hipotézis szerint nincs határ, egyenletesen kiszélesedik egy nulla méretű pontról. Hartle és Hawking egy olyan képlettel állt elő, amely leírja az egész shuttlecockot - az úgynevezett „világegyetem hullámfunkcióját”, amely magában foglalja az összes múltot, jelenet és jövőt -, így értelmetlenné vált a teremtés, a teremtő eredete, vagy az egyik államból a másikba való áttérés keresése a múltban.
"A határok hiányának hipotézisével összhangban nincs értelme feltenni a kérdést, hogy mi történt a nagy robbanás előtt, mivel nincs olyan idő fogalma, amely kiindulási ponttá válhatna" - mondta Hawking egy másik, 2016-ban, másfél évben tartott előadása során a Pápai Akadémián. halála előtt. "Olyan, mintha megkérdezzük, mi van a déli sarkktól délre."
A Hartle-Hawking hipotézis radikálisan felülvizsgálta az idő fogalmát. Az univerzumban minden pillanat egy tollaslabda keresztmetszetévé vált; Miközben az univerzumot úgy látjuk, hogy egyre bővül és fejlődik a pillanatról pillanatra, az idő valójában korrelációkból áll, amelyek között az univerzum mérete minden szakaszban van, és más tulajdonságok - különösen annak entrópiája vagy rendellenessége - között. Az entrópia parafaktól tollakig növekszik, az időben felmerülő nyíl felé irányítva. Az inga kerek alja közelében azonban a korrelációk kevésbé megbízhatóak; az idő megszűnik, és helyébe a tiszta tér lép. Hartle, a kaliforniai Santa Barbara egyetemi tanár, most 79 éves, telefonos beszélgetésben nemrégiben kommentálta: „A legkorábbi univerzumban nem voltak madarak; később megjelent a madarak. A korai világegyetemben nem volt időés akkor megjelent az idő."
Promóciós videó:
A határok nélküli hipotézis közel negyven éve lenyűgözte és inspirálta a fizikusokat. "Ez egy lenyűgözően szép és provokatív ötlet" - mondta Neil Turok, a waterloói kanadai Periméter Perimter Intézet kozmológusa és a Hawking volt munkatársa. A hipotézis volt a kozmosz - az univerzum hullámfunkciójának - kvantumleírásának első vázlata. Hamarosan megjelent egy egész tudományterület, a kvantum kozmológia, és a különféle kutatók alternatív ötleteket kezdtek kínálni arra vonatkozóan, hogy a világegyetem miként alakulhatna ki, elemezte a különféle jóslatokat és ezen elméletek tesztelésének módozatait, és értelmezte azok filozófiai következményeit. A végtelen hullámfüggvény "bizonyos értelemben a legegyszerűbb magyarázat erre" - mondta Hartle.
Két évvel ezelõtt Turok, a Periméter Intézet Job Feldbrugge és a németországi Max Planck Gravitációs Fizikai Intézet Jean-Luc Lehners cikke megtámadta a Hartl-Hawking hipotézist. Ez a hipotézis természetesen csak akkor életképes, ha egy univerzum, amely egy dimenzió nélküli pontból merül fel, amint azt Hartle és Hawking elképzelte, természetesen olyan univerzummá nő fel, mint a miénk. Hawking és Hartl azzal érveltek, hogy valóban ez a helyzet: a határok nélküli univerzumok valószínűleg hatalmasak, hihetetlenül simaak, lenyűgözően laposak és bővülnek, akárcsak maga a kozmosz. "A problémát Stephen és Jim megközelítésében az okozza, hogy nem egyértelmű" - mondta Turok, "mélyen kétértelmű".
A Physical Review Lettersben megjelent 2017. évi cikkben Turok és társszerzői új matematikai technikákkal közelítették meg a Hartle-Hawking-határok nélküli hipotézist, amelyek szerinte sokkal konkrétabbá teszik az előrejelzéseit. mint előtte. "Úgy találtuk, hogy szerencsétlenül kudarcot vallott" - mondta Turok. "A kvantummechanika szempontjából az univerzum egyszerűen nem tudott volna megjelenni úgy, ahogy elképzelik." A három tudós gondosan ellenőrizte a számításokat és az alapadatokat, mielőtt azokat közzétették, ám sajnos - mondta Turok - - elkerülhetetlennek tűnt a Hartle-Hawking javaslat alkalmatlansága.
Vita vitatt fel a cikkről. Más szakértők hevesen támogatták a határok nélküli elképzelést, és cáfolták Turok és kollégái érveit. "Nem értünk egyet az ő műszaki érveivel" - mondta Thomas Hertog, a belga Leuveni Katolikus Egyetem fizikusa, aki életének utolsó 20 évében szorosan együttműködött Hawking-nal. „De ennél is fontosabb, hogy mi sem értünk egyet annak meghatározásával, fogalmával és módszertanával. Ezzel elsősorban szeretnénk vitatkozni”.
Két évvel a konfrontáció után a tudósok csoportjai egyetértettek abban, hogy különbségeik a természet működéséről szóló eltérő nézetekre vezethetők vissza. A heves, de ugyanakkor a barátságos vita elősegítette a Hawkingot izgató ötlet értékének megőrzését. Még a speciális képlettel rendelkező Hartl-lel kapcsolatos kritikáik, köztük Turok és Lehner, versengő kvantum-kozmológiai modelleket dolgoznak ki, megkísérelve elkerülni az eredeti állítólagos buktatóit, miközben megőrzik a végtelenség gondolatának varázsait.
A kozmikus örömök kertje
Az 1970-es évek óta Hartle és Hawking gyakran találkoztak, általában akkor, amikor hosszú együttműködésük alatt álltak Cambridge-ben. A fekete lyukak és a titokzatos szingularitások elméleti vizsgálata a központjukban arra késztette őket, hogy forduljanak világegyetemünk eredete kérdéséhez.
1915-ben Albert Einstein felfedezte, hogy az anyag- vagy energiakoncentrációk deformálják a téridő szerkezetét, és gravitációt eredményeznek. Az 1960-as években a Hawking és az Oxfordi Egyetem fizikusa, Roger Penrose bebizonyította, hogy amikor az űrtartalom elég erősen meghajlik, például egy fekete lyuk belsejében vagy talán a Nagyrobbanás alatt, akkor elkerülhetetlenül összeomlik, és végtelenül meredeken hajlik. a szingularitás oldala, ahol Einstein egyenletei nem működnek, és új, kvantumelméletre van szükség. A Penrose-Hawking szingularitás-tételek szerint a téridő nem léphet fel simán, egyenetlenül egy ponton.
Így Hawking és Hartl elgondolkodott azon a lehetőségen, hogy az univerzum inkább tiszta térként, hanem dinamikus téridőként jött létre. És ez vezetett őket a shuttlecock geometriájának ötletéhez. Határtalan hullámfüggvényt határoztak meg egy ilyen univerzum leírására, egy olyan megközelítést használva, amelyet Hawking bálványfizikusa, Richard Feynman talált ki. Az 1940-es években Feynman kidolgozott egy rendszert a kvantummechanikai események legvalószínűbb eredményeinek kiszámítására. Feynman úgy találta, hogy például a részecskék ütközésének valószínűbb következményeinek előrejelzésére össze lehet vetni az összes lehetséges utat, amelyeken az ütköző részecskék el tudnak haladni, így az egyenes útvonalak nagyobb jelentőséggel bírnak, mint a kanyargós útvonalak. Ennek az "út integrálnak" kiszámítása megadja a hullámfüggvényt: a valószínűségi eloszlást,jelzi a részecskék különböző lehetséges állapotát az ütközés után.
Hasonlóképpen, Hartle és Hawking az univerzum hullámfüggvényét - leírva annak valószínű állapotát - az összes lehetséges út összegeként mutatta be, amelyen keresztül egy pontból simán kibontakozhat. Remélte, hogy az összes lehetséges „tágulási történet”, bármilyen alakú és méretű sima fenekű univerzum hullámfunkciót eredményez, amely valószínűleg olyan hatalmas, sima, lapos univerzumot hoz létre, mint a miénk. Ha az összes lehetséges expanziós történelem súlyozott összege valamilyen más világegyetem valószínűbb eredménye, akkor a határok nélküli hipotézis következetlen.
A probléma az, hogy az integráció az összes lehetséges expanziós történelem között túl bonyolult ahhoz, hogy pontosan kiszámolható legyen. Számtalan variáció van az univerzumok alakjában és méretében, és mindegyik nagyon zavaros történetnek bizonyulhat. "Murray Gell-Mann rám kérdezett tőlem - mondta Hartle a késő Nobel-díjas fizikusnak -," ha ismered az univerzum hullámfunkcióját, miért nem lettél gazdag? " Természetesen ahhoz, hogy a hullámfüggvényt Feynman módszerével valóban megtalálhassuk, Hartlnak és Hawkingnak radikálisan egyszerűsítenie kellett a helyzetet, figyelmen kívül hagyva még a világunkban élő konkrét részecskéket is (ami azt jelentette, hogy összetételük nagyon messze volt a tőzsdei előrejelzéstől). Úgy vélték, hogy a pálya szerves részét képezi az összes lehetséges játék-univerzumnak a "mini-szuper térben",vagyis az összes univerzum összességében, ha egyetlen energiamező halad át rajtuk: az energia, amely a kozmikus inflációt táplálta. (A Hartle-Hawking shuttlecock esetében ez a kezdeti tágulási idő megfelel az átmérő gyors növekedésének a dugó alján.)
Még a minisperspace-t is nehéz pontosan kiszámítani, ám a fizikusok tudják, hogy két lehetséges expanziós történelem létezik ezeknek a számításoknak a valószínűbb eredményei. A világegyetem ezen versengő formái a jelenlegi vita két oldalának felelnek meg.
Ez a két versengő elmélet két „klasszikus” történetet reprezentál az univerzum kibővítéséről, amely esetleg megtörtént. A nulla kozmikus infláció kezdeti robbanása után ezek az univerzumok folyamatosan bővülnek, összhangban Einstein gravitációs és téridő-elméletével. A bonyolultabb bővítési történeteket, mint például a focilabda és a hernyó világegyetem, a kvantumszámítás nagymértékben tagadja.
A két klasszikus megoldás egyike hasonlít univerzumunkra. Nagyobb méretekben sima, és az energia véletlenszerűen szétszóródik rajta az infláció során fellépő kvantumingadozások miatt. Mint a valódi univerzumban, a különféle régiói közötti sűrűségbeli különbségek nullához közeli Gauss-görbét képeznek. Ha ez a lehetséges megoldás valóban a legmegbízhatóbb a miniszuperspace hullámfunkciójának kiszámításakor, elképzelhető, hogy a végtelen hullámfunkció sokkal részletesebb és pontosabb változata szolgálhat a valódi világegyetem életképes kozmológiai modelljeként.
Az univerzum másik potenciálisan domináns formája egyáltalán nem hasonlít a valódihoz. Ahogy kibővül, az azt kitöltő energia egyre élesebben változik, hatalmas sűrűségi gradienseket hoz létre az egyik helyről a másikra, és a gravitáció folyamatosan növekszik. A sűrűségváltozások fordított Gauss-görbét alkotnak, ahol a régiók közötti különbségek a végtelenhez közelítik, nem pedig nullát. Ha ez a domináns kifejezés a miniszuperspace végtelen hullámfunkciójában, akkor a Hartle-Hawking javaslat rossznak tűnhet.
Két domináns bővítési történet arra készteti bennünket, hogy válasszuk ki az út integrál megvalósításának módját. Ha az uralkodó történetek a térképen két helyen vannak, az összes lehetséges kvantummechanikai univerzumban lévő megavárosokban, akkor az a kérdés, hogy milyen pályát kell átvinnünk ezeken a területeken. Milyen domináns bővítési történetet, és csak egy létezhet, ha az "integrációs kontúrunkat" választanunk kell? A kutatók már különböző utakat vezettek be.
Egy 2017. évi cikkben Turok, Feldbrugge és Lehner végigvezette a kertben a lehetséges bővítési történeteket, amelyek második domináns döntéshez vezettek. Véleményük szerint az egyetlen értelmes kontúr az, amely a térköznek nevezett változó valós értékeit (szemben a képzeletbeli értékekkel, amelyek tartalmazzák a negatív számok négyzetgyökeit) szemlélteti. Alapvetően a távolság a lehetséges shuttlecock univerzumok magassága, az a távolság, amelyen egy bizonyos átmérőt elérnek. Mivel az eltérésnek nincs kiindulási pontja, ez nem illeszkedik az idő megértésébe. Ennek ellenére Turok és kollégái érvelésében részben az okozati összefüggésre hivatkoznak, azzal érvelve, hogy a fizikai jelentéseknek csak az intervallum valós értékei vannak. És az univerzumok feletti összegzés e változó valós értékeivel olyan megoldáshoz vezet, amely rendkívül instabil és a fizika szempontjából értelmetlen.
"Az emberek sokat értékelnek Steven intuíciójáról" - mondta Turok telefonon. „Nyilvánvaló okokból - úgy értem, valószínűleg ő volt a legjobb intuícióval ezekben a kérdésekben. De nem mindig volt igaza."
Képzeletbeli világok
Jonathan Halliwell, a Londoni Imperial College fizikusa megvizsgálta a határtalan hipotézist, mióta a 1980-as években Hawking-nal tanulmányozta. Hartl-lel együtt az 1990-es integrációs kontúr kérdését elemezték. Ők szempontjából, valamint Hertog és nyilvánvalóan Hawking szempontjából a kontúr nem alapvető, hanem a matematikai eszköz, amely a legtöbb előnyt nyújtja. Hasonlóképpen, a Nap körüli bolygó pályája matematikailag ábrázolható szögsorként, idősorként vagy több más kényelmes paraméterként. "Ezt a paraméterbecslést sokféle módon elvégezheti, de egyikük sem fizikálisabb, mint a másik" - mondta Halliwell.
Kollégái azzal érvelnek, hogy a miniszuperspace esetében csak azoknak a körvonalaknak van értelme, amelyek rögzítik a helyes terjesztési történetet. A kvantummechanika valószínűségeket igényel, hogy 1-hez hozzáadódjon vagy "normalizálható" legyen, de az a rendkívül instabil univerzum, amelyhez Turok csapata jött, nem az. Ez a döntés értelmetlen, végtelenségektől szenved, és nem tartja be a kvantumtörvényeket - a határok nélküli hipotézis támogatói szerint ez egyértelműen jelzi a másik út igényét.
Igaz, hogy a helyes megoldást haladó kontúrok összegezik a lehetséges univerzumokat a változóik képzeletbeli értékeivel. De a Turokon és a társaságon kívül kevés ezt gondolja. A képzeletbeli számok áthatolják a kvantummechanikát. A Hartle-Hawking csapat kritikusai tévesen értelmezik az okozati összefüggést azzal, hogy megkövetelik, hogy az "intervallum" legyen valós. "Ez egy olyan elv, amelyet a mennyország nem rendel el, és amelyben mélyen egyet nem értünk" - mondja Hertog.
Hertog szerint Hawking az utóbbi években ritkán említette a végtelen hullámfunkció integrált formáját, részben a kontúr megválasztásának kétértelműsége miatt. A normalizált terjeszkedés történetét, amelyet a közelmúltban fedeztek fel az integrált út felhasználásával, megoldásként az univerzum alapvetõbb egyenletére, amelyet az 1960-as években John Wheeler és Bryce DeWitt fizikusok jelentettek. Wheeler és DeWitt, a Raleigh-Durham Nemzetközi Repülőtéren megállva gondolkodva ezt a kérdést, azzal érvelt, hogy az univerzum hullámfunkciója, bármilyen is legyen, nem függhet időtől, mivel nincs olyan külső óra, amelyen keresztül lehetne intézkedés. Ezért az univerzumban lévő energiamennyiségnek, amikor összeadja az anyag és a gravitáció pozitív és negatív hozzájárulását, mindig nullának kell maradnia. A korlátlan hullámfüggvény kielégíti a Wheeler-DeWitt egyenletet a miniszuperspace-ben.
Hawking életének utolsó éveiben munkatársaival a holográfiát, egy új sorozatgyűjtő megközelítést alkalmaztak, amely a téridőt hologramnak tekinti, hogy jobban megértse a hullámfunkciót. Hawking a világ világegyetemének holografikus leírását keresi egy shuttlecock formájában, amelyben a teljes múlt geometria a jelenből vetül ki.
Ezek az erőfeszítések Hawking távollétében folytatódnak. A török ezt a hangsúlyváltozást azonban a szabályok megváltoztatásának tekinti. Elmondása szerint, ha nem volt hajlandó megfogalmazni az út integrálját, a határok nélküli modell támogatói rosszul definiálták. Véleménye szerint az, amit tanulnak, már nem a Hartle-Hawking modell, bár maga Hartl nem ért egyet ezzel.
Az elmúlt évben Turok és a Perimeter Intézet munkatársai, Latham Boyle és Kieran Finn egy új kozmológiai modellt fejlesztettek ki, amely sokban hasonlít a határok nélküli modellhez. De egy shuttlecock helyett két homokóra alakú dugóból áll, amelyekben az idő mindkét irányba áramlik. Bár a modell még nem fejlesztette ki eléggé ahhoz, hogy bármit megjósoljon, szépsége abban rejlik, hogy szirmai CPT-szimmetriát valósítanak meg, amely nyilvánvalóan alapvető természetes tükör, amely egyidejűleg tükrözi az anyagot és az antimateria, a bal és a jobb oldal, valamint a mozgás előre és vissza az időben. Ennek egyik hátránya, hogy a világegyetem tükörképének szirmai szingulárisan, téridőben fordulnak elő,amely megköveteli az ismeretlen kvantumelmélet megértését. Boyle, Finn és Turok a szingularitásra fogadnak, de ez a kísérlet spekulatív.
Újra felmerül az érdeklődés az "alagútmodell" iránt, amely az univerzum semmi eredetének alternatív koncepciója, amelyet az 1980-as években fejlesztettek ki a független orosz-amerikai kozmológusok, Alexander Vilenkin és Andrei Linde. A modell, amely elsősorban a mínuszjektől különbözik a végtelen hullámfunkcióktól, az Univerzum születését kvantummechanikai „alagút” eseménynek tekinti, hasonlóan ahhoz, amikor egy részecske kvantummechanikai kísérletben akadály mögött lebeg.
Sok kérdés merül fel arról, hogy a különféle modellek hogyan kapcsolódnak az antropikus érveléshez és a multiversus hírhedt gondolatához. Például egy végtelen hullámfunkció az üres univerzumokat részesíti előnyben, míg egy hatalmas komplex univerzum jelentős mennyiségű anyagot és energiát igényel. Hawking azt állította, hogy a lehetséges hullámfunkciók hatalmas tartományát kell megvalósítani valamilyen nagyobb többnemű részben, amelyen belül csak olyan összetett univerzumokban élnek megfigyelésre képesek lakosok, mint a miénk. (A legutóbbi viták azon kérdés körül forognak, vajon ezek a komplex lakható univerzumok simák-e vagy nagyon ingadoznak-e.) Az alagútmodell előnye, hogy az anyaggal és energiával megtöltött univerzumokat részesíti előnyben.hasonlóan a miénkhöz, nem kell az antropikus érveléshez folyamodni - bár a létezésre vágyó univerzumok más problémákkal is járhatnak.
Bármi is történik, talán a festmény lényege, amelyet először Hawking festett a Pápai Tudományos Akadémián 38 évvel ezelőtt, továbbra is megmarad. Vagy talán egy olyan nem kezdet helyett, mint például a déli pólus, az univerzum a szingularitásból jött létre, és valamilyen teljesen másfajta hullámfunkcióra van szükség. A keresés mindenképpen folytatódik. "Ha kvantummechanikai elméletről beszélünk, akkor mi található még a hullámfüggvényen kívül?" - kérdezte Juan Maldacena, a nemesi elméleti fizikus, a New Jersey-i Princetonban, a Fejlett Tanulmányok Intézetében, aki nagyjából tartózkodott a közelmúltbeli vitáktól. Maldacena szerint, aki egyébként a Pápai Akadémia tagja, az univerzum hullámfunkciójának kérdése "a helyes kérdés". „Megtaláljuk-e a megfelelő hullámfüggvényt,vagy hogy hogyan kellene elképzelni a hullámfüggvényt, már nem olyan világos."
Natalie Wolchover