Hiljuti vaidlustati Stephen Hawkingi põhiidee - et universum võis tekkida millestki - ja kosmoloogid pidid valima, kumma poole võtta. Pärast kaheaastast vastasseisu leppisid teadlased kokku, et nende erinevused taanduvad erinevatele vaadetele looduse toimimise kohta. Sõbralik arutelu aitas säilitada Hawkingi idee väärtust.
1981. aastal kogunesid paljud maailma juhtivad kosmoloogid Paavstlikku Teaduste Akadeemiasse, kus tunnistati teaduse ja teoloogia sulandumist ning see asub Vatikani aedades elegantses villas. Stephen Hawking valis augustipäeva, et esitada seda, mida ta hiljem nimetaks oma kõige olulisemaks ideeks: hüpoteesi, et universum võis tekkida eimillestki.
Enne Hawkingi kõnet olid kõik kosmoloogilise päritoluga loodusteaduslikud või teoloogilised lood taunitavad: "Mis juhtus enne seda?" Näiteks Suure Paugu teooria - mis pakuti esmakordselt 50 aastat enne Vatikani Teaduste Akadeemia presidendina töötanud Belgia füüsiku ja katoliku preestri Georges Lemaître Hawkingi loengut - ütleb, et enne laienemise algust oli universum kuum, tihe energiakimp. … Kuid kust tuli algne energia?
Suure Paugu teoorial oli ka muid vigu. Füüsikud mõistsid, et laienev energiakimp muutub pigem millekski kroogitud ja kaootiliseks, mitte tohutuks sujuvaks ruumiks, mida tänapäevased astronoomid jälgivad. 1980. aastal, aasta enne Hawkingi kõnet, mõistis kosmoloog Alan Guth, et Suure Paugu ebatäpsusi saab parandada väikese täiendusega: kosmilise inflatsioonina tuntud kasvu esialgse eksponentsiaalse tipuga, mis muudaks universumi tohutuks, sujuvaks ja tasaseks. enne kui raskusjõud võiks selle hävitada. Inflatsioonist sai kiiresti meie kosmose päritolu juhtiv teooria. Ja ikkagi püsis küsimus, millised olid algtingimused: kust see pisike täpp, mis väidetavalt meie universumisse paisus, ja potentsiaalne energia, mis seda laiendas?
Suurepärane Hawking leidis viisi, kuidas teha lõputud katsed minevikku veelgi kaugemale vaadata: ta arvas, et lõppu ega algust pole üldse olnud. Vatikanis peetud konverentsi protokolli järgi ütles 39-aastane Cambridge'i füüsik, kes võis veel oma häälega rääkida, kuulajatele: “Universumi servas valitsevates tingimustes peab olema midagi erilist ja mis võiks olla erilisem. riik, kus pole piiri?"
Hawking ja James Hartle, kellega nad sageli koos töötasid, sõnastasid oma 1983. aasta artiklis lõpuks "piirideta hüpoteesi", kus nad pakkusid, et ruum on kujundatud süstiku kujuks. Nii nagu süstiku läbimõõt on madalaimas punktis null ja laieneb järk-järgult mööda ülespoole, laieneb universum, vastavalt hüpoteesile, et piire pole, sujuvalt nullsuurusest punktist. Hartle ja Hawking tulid välja valemiga, mis kirjeldab kogu süstikut - nn universumi lainefunktsioon, mis hõlmab kogu mineviku, oleviku ja tuleviku -, mis muudab mõttetuks otsida loodu, looja või mis tahes ülemineku ühest olekust teise minevikus.
“Piiride puudumise hüpoteesi kohaselt pole mõtet küsida küsimust, mis juhtus enne Suurt Pauku, kuna pole aja kontseptsiooni, mis võiks saada lähtepunktiks,” ütles Hawking teise, 2016. aastal poolteist aastat kestnud paavstiakadeemia loengu ajal. enne tema surma. "See on nagu küsida, mis on lõunapoolusest lõunas."
Hartle-Hawkingi hüpotees muutis radikaalselt aja mõistet. Igast universumi hetkest sai süstla ristlõige; kuigi me tajume universumit laieneva ja hetkega arenevana, koosneb aeg tegelikult korrelatsioonidest universumi suuruse igas lõigus ja muude omaduste vahel - eriti selle entroopia või häire. Entroopia suureneb korgist sulgedeks, suunates esile aja esile kerkiva noole. Süstiku ümara põhja lähedal pole korrelatsioonid siiski vähem usaldusväärsed; aeg lakkab eksisteerimast ja see asendatakse puhta ruumiga. Californias asuva Santa Barbara ülikooli professor, nüüd 79, kommenteeris Hartle hiljuti telefonivestluses: „Varasemas universumis polnud linde; hiljem ilmusid linnud. Varases universumis polnud aegaja siis ilmus aeg."
Reklaamvideo:
Piireteta hüpotees on füüsikuid võlunud ja inspireerinud ligi nelikümmend aastat. "See on vapustavalt ilus ja provokatiivne idee," ütles Neil Turok, Kanada Waterloo teoreetilise füüsika perimeetri instituudi kosmoloog ja endine Hawkingi kaastöötaja. Hüpotees oli esimene kosmose kvantikirjelduse mustand - universumi lainefunktsioon. Varsti tekkis terve teaduse valdkond, kvantkosmoloogia ning mitmesugused uurijad hakkasid pakkuma alternatiivseid ideesid selle kohta, kuidas universum võiks tulla millestki, analüüsisid erinevaid ennustusi ja viise nende teooriate katsetamiseks ning tõlgendasid nende filosoofilisi mõjusid. Lõpmatu laine funktsioon "oli mõnes mõttes selle lihtsaim seletus", ütles Hartle.
Kuid kaks aastat tagasi esitas Turok, Perimeetri Instituudi Job Feldbrugge ja Saksamaa Max Plancki Gravitatsioonifüüsika Instituudi Jean-Luc Lehnersi artikkel Hartle-Hawkingi hüpoteesi. See hüpotees on muidugi elujõuline ainult siis, kui dimensioonideta punktist kerkiv universum, nagu Hartle ja Hawking ette nägi, kasvab loomulikult meiega sarnaseks universumiks. Hawking ja Hartl väitsid, et see on tõepoolest nii: piirideta universumid on tõenäoliselt tohutud, uskumatult siledad, muljetavaldavalt tasased ja laienevad, nagu ka kosmos ise. "Stepheni ja Jimi lähenemise probleem on see, et see oli mitmetähenduslik," ütles Turok "sügavalt mitmetähenduslikuks".
2017. aasta artiklis, mis avaldati ajakirjas Physical Review Letters, lähenesid Turok ja tema kaasautorid Hartle-Hawkingi piirideta hüpoteesile uute matemaatiliste tehnikatega, mis nende arvates muudavad tema ennustused palju konkreetsemaks. kui enne. "Leidsime, et see oli armetult ebaõnnestunud," sõnas Turok. "Kvantmehaanika osas ei oleks universum lihtsalt võinud ilmneda nii, nagu nad ette kujutasid." Kolm teadlast kontrollisid arvutusi ja lähteandmeid enne nende avaldamist hoolikalt, kuid "kahjuks" ütles Turok, "tundus paratamatu, et Hartle-Hawkingi ettepanek oli sobimatu."
Selle artikli üle puhkes poleemika. Teised eksperdid toetasid kindlalt piiride puudumise ideed ning lükkasid ümber Turoki ja tema kolleegide väited. "Me ei nõustu tema tehniliste argumentidega," ütles Belgia Leuveni katoliku ülikooli füüsik Thomas Hertog, kes tegi oma elu viimased 20 aastat tihedat koostööd Hawkingiga. „Kuid mis veelgi olulisem - me ei nõustu ka selle määratluse, kontseptsiooni, metoodikaga. Sellega tahaksime kõigepealt vaielda”.
Pärast kaheaastast vastasseisu leppisid teadlaste rühmad kokku, et nende erinevused kumuleeruvad erinevate vaadetega looduse toimimisest. Tuline, kuid samal ajal sõbralik arutelu aitas säilitada Hawkingi erutanud idee väärtust. Isegi nende kriitikud koos spetsiaalse valemi Hartliga, sealhulgas Turok ja Lehner, töötavad välja konkureerivad kvantkosmoloogilised mudelid, püüdes vältida originaali oletatavaid lõkse, säilitades samas lõpmatuse idee võlu.
Kosmiliste rõõmude aed
Alates 1970. aastatest kohtusid Hartle ja Hawking sageli, tavaliselt siis, kui nad olid Cambridge'is pikka koostööd teinud. Nende keskuste mustade aukude ja salapäraste eripärade teoreetilised uuringud sundisid neid pöörduma meie universumi päritolu küsimuse poole.
1915. aastal avastas Albert Einstein, et aine või energia kontsentratsioonid deformeerivad kosmoseaja kanga, tekitades gravitatsiooni. 1960ndatel tõestasid Hawkingi ja Oxfordi ülikooli füüsik Roger Penrose, et kui kosmoseaeg paindub piisavalt järsult, näiteks musta augu sisse või võib-olla Suure Paugu ajal, variseb see paratamatult kokku, kõverdudes lõpmata järsult ainsuse pool, kus Einsteini võrrandid ei tööta ja vaja on uut, gravitatsiooni kvantteooriat. Penrose-Hawkingi singulaarsuse teoreemid ütlevad, et ruumiaeg ei saa ühel hetkel tekkida sujuvalt, ebaühtlaselt.
Nii mõtisklesid Hawking ja Hartl võimaluse üle, et universum tekkis pigem puhta ruumina kui dünaamiliseks ruumiajaks. Ja see viis nad süstla geomeetria idee juurde. Nad määratlesid sellise universumi kirjeldamiseks piiramatu lainefunktsiooni, kasutades Hawkingi iidolifüüsiku Richard Feynmani leiutatud lähenemisviisi. 1940. aastatel töötas Feynman välja kvantmehaaniliste sündmuste tõenäolisemate tulemuste arvutamise skeemi. Feynman leidis, et osakeste kokkupõrke kõige tõenäolisemate tulemuste ennustamiseks võiks kokku võtta kõik võimalikud teed, mida mööda põrkuvad osakesed võiksid liikuda, andes sirgetele radadele olulisema kui käänulised rajad. Selle "tee integraali" arvutamine annab lainefunktsiooni: tõenäosusjaotuse,mis näitab osakeste erinevaid võimalikke olekuid pärast kokkupõrget.
Samamoodi esitasid Hartle ja Hawking universumi lainefunktsiooni - kirjeldades selle tõenäolisi olekuid - kõigi võimalike radade summana, milles ta saaks sujuvalt ühest punktist laieneda. Nad lootsid, et kõigi võimalike "laienemislugude", mis tahes kuju ja suurusega siledapõhjalised universumid, summa tekitavad lainefunktsiooni, mis tõenäoliselt loob tohutu, sileda, lameda universumi nagu meie oma. Kui kõigi võimalike laienemislugude kaalutud summa on mõne muu universumi kõige tõenäolisem tulemus, on piirideta hüpotees vastuoluline.
Probleem on selles, et integraal kõigi võimalike laienemislugude vahel on liiga keeruline, et seda täpselt arvutada. Universumite kuju ja suurust on lugematul hulgal ning igaüks neist võib osutuda väga segaseks. "Murray Gell-Mann küsis minult," ütles Hartle hilise Nobeli preemiaga pärjatud füüsiku kohta, "kui teate universumi lainefunktsiooni, siis miks te ei saanud rikkaks?" Muidugi, et Feynmani meetodil lainefunktsiooni tegelikult leida, pidid Hartl ja Hawking olukorda radikaalselt lihtsustama, jättes tähelepanuta isegi konkreetsed osakesed, mis meie maailmas elavad (mis tähendas, et nende valem oli aktsiaturgude ennustamisest väga kaugel). Nad uskusid, et trajektoor on lahutamatu osa kõigist võimalikest mänguasjade universumitest "mini-superspace'is",see tähendab, et kõigi universumite koosseisus, kus neid läbib üks energiaväli: kosmilist inflatsiooni õhutanud energia. (Hartle-Hawkingi sulgklapis vastab see esialgne laienemisperiood kiirele läbimõõdu suurenemisele pistiku aluses.)
Isegi miniruumi on keeruline täpselt arvutada, kuid füüsikud teavad, et on olemas kaks võimalikku paisumisajalugu, mis võivad olla nende arvutuste kõige tõenäolisemad tulemused. Need universumi konkureerivad vormid vastavad käimasoleva arutelu kahele küljele.
Need kaks konkureerivat teooriat esindavad kahte "klassikalist" lugu universumi laienemisest, mis võinuks toimuda. Pärast esialgset kosmilise inflatsiooni nullpunkti laienemist laienevad need universumid vastavalt Einsteini gravitatsiooni ja kosmoseaja teooriale pidevalt. Keerulisemaid laienemislugusid, nagu näiteks jalgpall ja röövikute universumid, kummutab kvantarvutamine suuresti.
Üks kahest klassikalisest lahendusest sarnaneb meie universumiga. Suuremal skaalal on see sujuv ja energia jaotub kogu selle ulatuses juhuslikult inflatsiooni ajal kvantide kõikumiste tõttu. Nagu päris universumis, moodustavad selle erinevate piirkondade tiheduse erinevused Gaussi kõvera nulli lähedal. Kui see võimalik lahendus on miniruumi lainefunktsiooni arvutamisel tõepoolest kõige usutavam, on võimalik ette kujutada, et lõpmatu lainefunktsiooni palju detailsem ja täpsem versioon võiks olla reaalse universumi elujõuline kosmoloogiline mudel.
Teine universumi potentsiaalselt domineeriv vorm pole sugugi sarnane tegeliku vormiga. Selle laienedes varieerub seda täitev energia üha järsemalt, luues ühest kohast teise hiiglaslikke tiheduse gradiente ja gravitatsioon kasvab pidevalt. Tiheduse muutused moodustavad ümberpööratud Gaussi kõvera, kus piirkondadevahelised erinevused lähenevad nulli asemel lõpmatusele. Kui see on minisuperruumi lõpmatu lainefunktsiooni domineeriv termin, siis võib Hartle-Hawkingi ettepanek tunduda vale.
Kaks domineerivat laienemislugu sunnivad meid valima, kuidas tee integraali teostada. Kui domineerivad lood on kaardil kaks asukohta, megakanalid kõigi võimalike kvantmehaaniliste universumite piirkonnas, on küsimus, millise trajektoori me peaksime nende maade kaudu läbi võtma. Millise domineeriva laienemisajaloo peaks olema ainult üks, peaks meie "integratsioonikontuur" valima? Teadlased on juba kõlanud erinevaid teid.
2017. aasta artiklis võtsid Turok, Feldbrugge ja Lehner tee läbi võimalike laienemislugude aia, mis viisid nad teise valitseva otsuseni. Nende arvates on ainus mõistlik kontuur selline, mis vaatleb reavahelisi väärtusi (vastupidiselt kujuteldavatele väärtustele, mis hõlmavad negatiivsete arvude ruutjuure) muutujale, mida nimetatakse vahekauguseks. Põhimõtteliselt on vahe iga võimaliku süstlakukli universumi kõrgus, vahemaa, mille jooksul see jõuab teatud läbimõõduni. Kuna kõrvalekaldel pole lähtepunkti, ei sobi see meie aja arusaamisega. Sellest hoolimata viitavad Turok ja tema kolleegid oma põhjendustes osaliselt põhjuslikule seosele, väites, et füüsilistel tähendustel on ainult intervalli tegelikud väärtused. Ja universumite liitmine selle muutuja tegelike väärtustega viib lahenduseni, mis on füüsika seisukohast väga ebastabiilne ja mõttetu.
"Inimesed hindavad Steveni intuitsiooni väga palju," ütles Turok telefoni teel. „Arusaadavatel põhjustel - ma mõtlen, et tal oli nendes küsimustes ilmselt parim intuitsioon. Kuid tal polnud alati õigust."
Kujuteldavad maailmad
Londoni Imperial College'i füüsik Jonathan Halliwell on uurinud piirideta hüpoteesi alates 1980. aastatel Hawkingi käest. Koos Hartliga analüüsisid nad 1990. aastal integratsiooni kontuuri küsimust. Nende, aga ka Hertogi ja ilmselt ka Hawkingi vaatepunktist pole kontuur põhiline, vaid pigem matemaatiline tööriist, mis pakub kõige rohkem eeliseid. Samamoodi võib Päikese ümber oleva planeedi trajektoori kujutada matemaatiliselt nurkade jadana, kordade jadana või mitme muu sobiva parameetrina. "Seda parameetri hinnanguid saate teha mitmel viisil, kuid ükski neist pole füüsilisem kui teine," ütles Halliwell.
Ta ja ta kolleegid väidavad, et miniruumi puhul on mõttekas ainult need kontuurid, mis hõlmavad õiget laienemislugu. Kvantmehaanika nõuab tõenäosuste liitmist 1-ga või "normaliseeritavaks", kuid väga ebastabiilne universum, kuhu Turoki meeskond sattus, pole. See otsus on mõttetu, kannatab lõpmatuste pärast ega järgi kvantiseadusi - piiriülese hüpoteesi pooldajate sõnul näitab see selgelt vajadust minna teist teed.
On tõsi, et õige lahenduse läbivad kontuurid liidavad võimalikud universumid nende muutujate kujuteldavate väärtustega. Kuid peale Turoki ja ettevõtte vähesed peavad seda probleemiks. Kujuteldavad arvud läbivad kvantmehaanikat. Hartle-Hawkingi meeskonna kriitikud tsiteerivad põhjuslikkuse eksiarvamust, nõudes, et "intervall" oleks tõeline. "See on põhimõte, mida taevas ei määra ja millega me sügavalt ei nõustu," ütleb Hertog.
Hertogi sõnul on Hawking viimastel aastatel harva maininud lõpmatu lainefunktsiooni teekonna integraalset vormi, osaliselt kontuuri valiku ebaselguse tõttu. Ta vaatas normaliseeritud laienemislugu, mis hiljuti avastati integraalse tee abil, lahendusena universumi põhimõttelisemale võrrandile, mille esitasid 1960. aastatel füüsikud John Wheeler ja Bryce DeWitt. Raleigh-Durhami rahvusvahelises lennujaamas peatudes seda küsimust mõtiskledes väitsid Wheeler ja DeWitt, et universumi lainefunktsioon, olenemata sellest, ei saa olla ajast sõltuv, kuna puudub väline kell, mille abil see toimiks. mõõta. Seetõttu peab aine ja gravitatsiooni positiivse ja negatiivse panuse liitmisel universumi energiahulk alati jääma nulli. Piiramata lainefunktsioon vastab miniruumi minivõrgu Wheeler-DeWitt võrrandile.
Hawkingi viimastel eluaastatel hakkasid ta koos töökaaslastega kasutama lainefunktsiooni tervikuna paremaks mõistmiseks holograafiat - uut laineala lähenemist, mis vaatab ruumi-aega hologrammina. Hawking otsis süstikukujul universumi holograafilist kirjeldust, milles kogu mineviku geomeetria projekteeritaks praegusest.
Need jõupingutused jätkuvad Hawkingi äraolekul. Kuid türklased näevad seda rõhuasetuse muutust reeglite muutmisena. Tema sõnul keeldusid raja integraali vormistamisest keeldudeta mudeli toetajad selle halvasti määratletud. Tema arvates pole see, mida nad uurivad, enam Hartle-Hawkingi mudel, ehkki Hartl ise sellega ei nõustu.
Viimase aasta jooksul on Turok ja Perimeetri Instituudi kolleegid Latham Boyle ja Kieran Finn välja töötanud uut kosmoloogilist mudelit, millel on piirideta mudeliga palju ühist. Kuid ühe süstiku asemel koosneb see kahest liivakellakujulisest pistikust, milles aeg voolab mõlemas suunas. Ehkki mudel ei ole veel millegi ennustamiseks piisavalt välja töötatud, seisneb selle ilu selles, et selle kroonlehed rakendavad CPT-sümmeetriat, mis on ilmselt põhiline looduslik peegel, mis peegeldab samaaegselt ainet ja antimaterjali, vasakule ja paremale, samuti liikumist edasi ja edasi ajas tagasi. Selle üks puudusi on see, et universumi peegelpildi kroonlehed esinevad ainsuses, ruumis-ajas,mis eeldab tundmatu kvantiteooria mõistmist. Boyle, Finn ja Turok panustavad singulaarsuse osas, kuid see katse on spekulatiivne.
Samuti on taas tekkinud huvi "tunnelimudeli" vastu, mis on alternatiivne vaade universumi päritolule tühjast küljest, välja töötatud 1980. aastatel sõltumatute Vene-Ameerika kosmoloogide Alexander Vilenkini ja Andrey Linde poolt. Mudel, mis erineb lõpmatust lainefunktsioonist peamiselt miinusmärgi järgi, peab Universumi sündi kvantmehaaniliseks “tunneldamise” sündmuseks, sarnaselt sellele, kui osake hõljub kvantmehaanilises katses tõkke taga.
Selle kohta, kuidas erinevad mudelid seostuvad antropiliste mõttekäikude ja kurikuulsa multiversiooni ideega, on palju küsimusi. Näiteks soosib lõpmatu lainefunktsioon tühje universumeid, samas kui tohutu keeruline universum nõuab märkimisväärses koguses ainet ja energiat. Hawking väitis, et tohutu hulk võimalikke universumeid, mis sobivad lainefunktsiooniks, tuleb realiseerida mõnes suuremas multiversioonis, mille piires on jälgimisvõimelisi elanikke ainult sellistes keerukates universumites nagu meie. (Viimased poleemikad on seotud küsimusega, kas need keerulised elamiskõlblikud universumid on sujuvad või tugevalt kõikuvad.) Tunnelimismudeli eeliseks on see, et see soosib mateeria ja energiaga täidetud universumeid.nagu meie oma, pole ka vaja antropiliste mõttekäikude poole pöörduda - ehkki eksisteerimiseks tunnelitel universumitel võib olla ka muid probleeme.
Mis iganes juhtub, võib-olla jääb ikkagi osa maali olemusest, mille Hawking on esmakordselt maalinud Paavstlikus Teaduste Akadeemias 38 aastat tagasi. Või võib-olla sellise alguse asemel nagu lõunapoolus, on universum tekkinud singulaarsusest ja vaja on mingit täiesti teistsugust lainefunktsiooni. Igal juhul otsingut jätkatakse. "Kui me räägime kvantmehaanilisest teooriast, siis mida saab lisaks lainefunktsioonile veel leida?" küsis New Jersey osariigis Princetonis edasijõudnute uuringute instituudi väljapaistv teoreetiline füüsik Juan Maldacena, kes on viimastest poleemikatest suures osas eemale hoidnud. Maldacena sõnul, kes on muuseas ka paavstliku akadeemia liige, on universumi lainefunktsiooni küsimus "õige küsimus". "Kas leiame õige lainefunktsiooni,või kuidas me peaksime lainefunktsiooni ette kujutama, pole enam nii selge."
Natalie Wolchover
