Stephen Hawking’ s (næsten) sidste papir: at sætte en stopper for begyndelsen af universet

Når Stephen Hawking, døde 14 Marts, den berømte skuespillerinde havde et par papirer, der stadig er i støbeskeen. I dag offentliggjorde Journal of High Energy Physics sit sidste arbejde i kosmologi—videnskaben om, hvordan universet sprang ud og udviklede sig. (Andre papirer om sorte huller er stadig ved at blive forberedt.,) I det nye papir, Hawking og Thomas Hertog, en teoretisk fysiker ved det Katolske Universitet i Leuven (KU) i Belgien, forsøg på at stikke en pind i en bizar koncept kaldet evig inflation, hvilket indebærer,—uundgåeligt, ifølge nogle fysikere—at vores univers bare er en af uendeligt mange i et multivers. Ved at låne et koncept fra strengteori hævder Ha .king og Hertog, at der ikke er nogen evig inflation og kun et univers. Men hvad de kører på er noget endnu mere grundlæggende: de hævder, at vores univers aldrig havde et enestående skabelsesøjeblik.,

hvordan fungerer argumentet? Følg dens snoede tråd til slutningen af begyndelsen.

lad os starte med det grundlæggende: Hvad er kosmisk inflation?

kosmisk inflation er en monumental vækstspurt, der angiveligt strakte spædbarnsuniverset i den første mindste brøkdel af et sekund. Drømt om i 1979 af den amerikanske teoretiker Alan Guth, hævder inflationen, at lige efter big bang, rummet strækkes eksponentielt, fordobler universets størrelse igen og igen mindst 60 gange, før det bremses dramatisk.

hvorfor skulle kosmologer tro på noget så bi ?art?,

Inflation løser et stort puslespil: hvorfor er universet så ensartet? For eksempel er rummet fyldt stråling dvælende fra big bang, den kosmiske mikrobølge baggrund (CMB). Det har næsten nøjagtig den samme temperatur overalt på himlen. Det er underligt, da vidt adskilte punkter ved første øjekast synes at være for langt fra hinanden for at enhver indflydelse kan nå fra den ene til den anden i løbet af de 13.8 milliarder år, universet har eksisteret. Inflationen løser dette puslespil ved at antyde, at alle punkter på himlen startede tæt nok til at interagere, og derefter blev strakt langt fra hinanden.,

er, at al inflation gør?

ironisk nok gør inflationen også et godt stykke arbejde med at forklare, hvorfor universet ikke er helt ensartet. Naturligvis er rummet besat med galakser. Ifølge teorien strakte inflationen uendelige kvantesvingninger i de første øjeblikke til ekstragalaktisk størrelse. Svingningerne producerede derefter variationer i den tætte suppe af grundlæggende partikler, der frøede dannelsen af galakserne. Inflationen forudsiger et bestemt spektrum af længere og kortere udsving. Påfaldende bekræfter undersøgelser af CMB og galakserne denne fordeling.,

Så hvad er evig inflation?

Her er hvor begrebet inflation løber ind i egne problemer. Fysikere kan ikke lide tanken om, at inflationen pludselig ville stoppe uden nogen særlig grund., De ville meget hellere have en mekanisme, der forklarer, hvad der kørte inflationen og derefter fik den til at stoppe. Derfor antager de, at en slags kvantefelt kørte det, før de kiggede ud. Tanken er, at feltet starter i en kun omtrent stabil, højere energi “falsk vakuum” tilstand, hvor rummet strækker sig eksponentielt. Derefter slapper det af til sin sande laveste energitilstand, hvor rummet udvides meget langsommere.

scenariet fungerer dog lidt for godt., Det eksponentielt ekspanderende falske vakuum producerer mere og mere af sig selv, så der er stadig mere plads, der udvides med en utrolig hurtig hastighed. Vores univers er en patch, der har gennemgået overgangen til lavenergi sande vakuum tilstand. Men sådanne overgange skal ske tilfældigt,så der skal også være mange andre universer. Faktisk skal processen producere en stadigt stigende mængde plads, der vokser eksponentielt, peberet med et uendeligt antal “lommeuniverser”, der vokser langsommere.

er det et problem?

det afhænger af hvem du spørger., På det mest basale niveau ville eksistensen af alle disse andre universer ikke påvirke vores univers. De er bare for langt væk til at have nogen forbindelse med vores. På den anden side kan forestillingen om evig inflation og en multiverse modvirke kosmologernes hele virksomhed med at forklare, hvorfor universet er som det er, siger Hertog. Ting som værdierne for visse vigtige fysiske konstanter kunne variere tilfældigt blandt lommeuniverserne, siger han, hvilket ville gøre enhver indsats for at forklare, hvorfor de har de værdier, de gør i vores univers., De ville blive sat tilfældigt, siger Hertog, og det er ikke meget tilfredsstillende.

så hvordan løser Ha ?kings og Hertog ‘ s papir problemet?

Ha .king og Hertog hævder, at der faktisk ikke sker evig inflation. For at gøre det låner de et koncept fra strengteori, der gør det muligt for dem at sidestille to forskellige typer teorier med forskellige dimensionaliteter. I 1997 betragtede den argentinske-amerikanske teoretiker Juan Maldacena et rumfang, hvor tyngdekraften var på arbejde., Maldacena, der nu er ved Institute for Advanced Study i Princeton, ne.Jersey, derefter demonstreret, at teorien svarede til en lettere-at-arbejde-med quantumuantum teori om grænsen af det rum, der ikke omfatter tyngdekraften. Det er som at sige, hvad der foregår inde i en dåse sodavand, kan fanges af en teori, der kun beskriver, hvad der sker på dåsens overflade.evig inflation opstår, fordi kvantesvingningerne i det felt, der driver inflationen, i det meget tidlige univers er lige så store som feltets gennemsnitlige værdi., Men Hawking og Hertog argumentere for, at der under disse betingelser, og man kan ikke bare fortsætte med Albert Einsteins generelle relativitetsteori, men i stedet skal bruge en manøvre som Maldacena til at få vist hele situationen i et rum med en mindre dimension. I det alternative rum er tingene mere medgørlige, hævder de, og fysikken fører ikke til evig inflation. I stedet smelter et enkelt, velopdragen univers sammen.

Så hvad har dette at gøre med universets begyndelse?

det er her tingene bliver interessante—og vanskelige., Begrebet at sidestille en teori til en anden i et rum med en færre dimension er kendt for teoretiske fysikere som holografi. I sit arbejde, Maldacena sidestilles en teori til en anden i et rum med en mindre rumlig dimension. Men, Hertog argumenterer, princippet om holografi tillader teoretikere at jettison dimensionen af tid, i stedet. Så i Hawking ‘s og Hertog’ s teori, gennem princippet om holografi, det meget tidlige univers, bør beskrives ved en teori med kun tre rumlige dimensioner, og ingen tid.

men hvorfor vil du slippe af med tiden?,

lige siden det blev klart, at universet havde en begyndelse, har fødselsøjeblikket været hovedpine for teoretikere. Groft sagt gør Einsteins generelle relativitetsteori et fint stykke arbejde med at forklare tingene efter Big Bangs øjeblik, men kan ikke håndtere selve skabelsens øjeblik. Det øjeblik danner en” singularitet ” i rumtiden—som en matematisk funktion, der eksploderer til uendelig—der rejser teorien op. Så teoretikere har længe søgt en måde at undgå denne singularitet—og at miste tid ville være en måde at gøre det på.,

det er et problem, der fascinerede Ha .king hele sin karriere, siger Hertog. For årtier siden foreslog han en alternativ løsning ved at spekulere i, at tiden i begyndelsen var groft set dimensionel, en ID., der ikke passer sammen med det nye arbejde.

så er dette slutningen for evig inflation og big bang singularitet?

sandsynligvis ikke. Andre vil undersøge Ha .kings og Hertogs påkaldelse af det dimensionsændrende forhold. Og selvom andre forskere synes, at det er sundt, er der stadig et stort spørgsmål, der skal besvares, anerkender Hertog., Hvis teoretikere starter med en teori med kun rumlige dimensioner, hvordan kommer tiden endelig ud af det? “Vi kastede et nyt paradigme ud,” siger Hertog, ” men der er meget arbejde, der skal gøres.”

*korrektion, 3.maj, 10: Denne historie er blevet opdateret for at rette navnet på Institute for Advanced Study.