Stephen Hawking je (téměř) poslední úkol: skoncovat s počátku vesmíru

Když Stephen Hawking zemřel dne 14. Března, slavný teoretický fyzik měl pár papírů, stále se na tom pracuje. Dnes Journal of High Energy Physics publikoval svou poslední práci v kosmologii-vědu o tom, jak vesmír vznikl a vyvinul se. (Další dokumenty o černých dírách se stále připravují.,) V nové knize, Hawking a Thomas Hertog, teoretický fyzik na Katolické Univerzitě v Lovani (KU) v Belgii, pokus se držet pin v bizarní koncept tzv. věčné inflaci, což znamená—nevyhnutelně, podle některých fyziků—, že náš vesmír je jen jedním z nekonečně mnoha v multivesmíru. Hawking a Hertog si půjčují koncept z teorie strun a tvrdí, že neexistuje věčná inflace a pouze jeden vesmír. Ale to, co řídí, je něco ještě zásadnějšího: tvrdí, že náš vesmír nikdy neměl jedinečný okamžik stvoření.,

jak argument funguje? Sledujte jeho navíjecí nit na konec začátku.

začněme se základy: co je kosmická inflace?

kosmická inflace je monumentální růstový spurt, který údajně protáhl kojenecký vesmír během prvního nejmenšího zlomku sekundy. Vymyslel v roce 1979 Americký teoretik Alan Guth, inflace má za to, že těsně po velkém třesku se vesmír protáhl exponenciálně, zdvojnásobení velikosti vesmíru znovu a znovu, nejméně 60 krát více, než se zpomaluje dramaticky.

proč by kosmologové věřili v něco tak bizarního?,

inflace řeší hlavní hádanku: proč je vesmír tak jednotný? Například prostor je vyplněn zářením přetrvávajícím od Velkého třesku, kosmického mikrovlnného pozadí (CMB). Má téměř přesně stejnou teplotu všude na obloze. To je zvláštní, jak široce oddělené body na první pohled zdát být příliš daleko od sebe za nějaký vliv na dosah z jednoho na druhého přes 13,8 miliardy let, vesmír se kolem. Inflace řeší tuto hádanku tím, že naznačuje, že všechny body na obloze začaly dostatečně blízko, aby interagovaly, a pak byly roztaženy daleko od sebe.,

je to všechno inflace?

Je ironií, že inflace také dělá skvělou práci při vysvětlování, proč vesmír není zcela jednotný. Je zřejmé, že prostor je posetý galaxiemi. Podle teorie se inflace v těchto prvních okamžicích protáhla infinitezimální kvantové fluktuace na extragalaktickou velikost. Výkyvy pak vyvolaly variace v husté polévce základních částic, které nasadily tvorbu galaxií. Inflace předpovídá určité spektrum delších a kratších výkyvů. Studie CMB a galaxií překvapivě tuto distribuci potvrzují.,

Co je to věčná inflace?

zde se pojem inflace dostává do vlastních problémů. Fyzikům se hluboce nelíbí myšlenka, že inflace se náhle zastaví, bez zvláštního důvodu., Mnohem raději by měli mechanismus, který vysvětluje, co vedlo k inflaci a pak způsobilo její zastavení. To je důvod, proč předpokládají, že nějaký druh kvantového pole ho řídil, než petering ven. Myšlenka je, že pole začíná v jen přibližně stabilní, vyšší energie „falešné vakuum“ státu, v němž se prostor rozkládá exponenciálně. Poté se uvolní do svého skutečného nejnižšího energetického stavu, ve kterém se prostor rozšiřuje mnohem pomaleji.

scénář však funguje příliš dobře., Exponenciálně se rozšiřující falešné vakuum produkuje stále více a více samo o sobě, takže se stále více prostoru rozšiřuje neuvěřitelně rychle. Náš vesmír je náplast, která prošla přechodem do nízkoenergetického skutečného vakuového stavu. Ale takové přechody by se měly stát náhodně, takže by mělo být i mnoho dalších vesmírů. Ve skutečnosti, tento proces by měl vyrábět stále rostoucí množství prostoru, který roste exponenciální rychlostí, posety nekonečný počet „kapesní vesmíry“ roste pomaleji.

je to problém?

záleží na tom, koho se zeptáte., Na nejzákladnější úrovni by existence všech těchto ostatních vesmírů neovlivnila náš vesmír. Jsou prostě příliš daleko na to, aby měli nějaké spojení s našimi. Na druhou stranu, pojem věčné inflace a multiverse může zmařit kosmologům celý podnik vysvětlovat, proč je vesmír tak, jak je, říká Hertog. Věci jako hodnoty některých základních fyzikálních konstant se může lišit náhodně mezi kapesních vesmírů, on říká, který by znamenal diskutabilní veškeré úsilí, aby vysvětlila, proč mají hodnoty, které v našem vesmíru., Byly by nastaveny náhodnou náhodou, říká Hertog, a to není příliš uspokojující.

Jak tedy Hawkingův a Hertogův papír řeší problém?

Hawking a Hertog tvrdí, že ve skutečnosti nedochází k věčné inflaci. K tomu si půjčují koncept z teorie strun, který jim umožňuje srovnávat dva různé typy teorií s různými dimenzemi. V roce 1997 argentinsko-americký teoretik Juan Maldacena zvažoval objem prostoru, ve kterém byla gravitace v práci., Maldacena, který je nyní v Institutu pro pokročilé studium v Princetonu v New Jersey, pak prokázal, že teorie byla ekvivalentní snadnější práci-s kvantovou teorií na hranici prostoru, který nezahrnoval gravitaci. Je to jako říkat, co se děje uvnitř plechovky sody, může být zachyceno teorií popisující pouze to, co se děje na povrchu plechovky.

věčná inflace se objevuje, protože ve velmi raném vesmíru jsou kvantové výkyvy v poli, které pohání inflaci, stejně velké jako průměrná hodnota pole., Ale Hawking a Hertog tvrdí, že za těchto podmínek nelze jednoduše pokračovat s Albert Einstein obecnou teorii relativity, ale místo toho musí použít manévr jako Maldacena je pro zobrazení celé situace v prostoru s jednou menší rozměr. V tomto alternativním prostoru jsou věci sledovatelnější, tvrdí a fyzika nevede k věčné inflaci. Místo toho se spojí jeden, dobře vychovaný vesmír.

Co to má společného se začátkem vesmíru?

to je místo, kde se věci zajímavé-a složité., Koncept přirovnání jedné teorie k druhé v prostoru s jednou menší dimenzí je teoretickým fyzikům znám jako holografie. Maldacena ve své práci přirovnal jednu teorii k druhé v prostoru s jednou méně prostorovou dimenzí. Hertog však tvrdí, že princip holografie umožňuje teoretikům místo toho proudit do dimenze času. Takže v Hawkingově a Hertogově teorii, prostřednictvím principu holografie, by měl být velmi raný vesmír popsán teorií s pouhými třemi prostorovými rozměry a bez času.

ale proč byste se chtěli zbavit času?,

od té doby, co bylo jasné, že vesmír má začátek, byl okamžik jeho narození pro teoretiky bolestem hlavy. Zhruba řečeno, Einsteinova obecná teorie relativity dělá skvělou práci při vysvětlování věcí po okamžiku velkého třesku, ale nedokáže zvládnout samotný okamžik stvoření. Tento okamžik tvoří“ singularitu “ v časoprostoru—jako matematická funkce, která exploduje do nekonečna—, která teorii zakopne. Teoretici tak dlouho hledali způsob, jak se této singularitě vyhnout—a ztráta času by byla jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout.,

je to problém, který Hawkinga fascinoval celou jeho kariéru, říká Hertog. Před desítkami let navrhl alternativní opravu spekulací, že na samém začátku byl čas, hrubě řečeno, rozměrný, nápad, který s novým dílem nesouvisí.

takže je to konec věčné inflace a singularity velkého třesku?

pravděpodobně ne. Jiní budou zkoumat Hawkingovo a Hertogovo vyvolání vztahu měnícího rozměr. A i když to ostatní vědci považují za zdravé, stále je třeba odpovědět na hlavní otázku, uznává Hertog., Pokud teoretici začínají teorií pouze s prostorovými rozměry, jak se z ní konečně vynoří čas? „Vyhodili jsme nové paradigma,“ říká Hertog, “ ale je třeba udělat spoustu práce.“

*Oprava, 3. Května, 10: 00: tento příběh byl aktualizován, aby opravil název Institutu pro pokročilé studium.