Stephen Hawking on (melkein) viimeinen paperi: lopettamalla maailmankaikkeuden alku

Kun Stephen Hawking kuoli 14. Maaliskuuta, kuuluisa teoreettinen fyysikko oli muutaman paperit vielä toimii. Journal of high Energy Physics julkaisi tänään viimeisen teoksensa kosmologia-tiede siitä, miten maailmankaikkeus syntyi ja kehittyi. (Muita papereita mustista aukoista valmistellaan edelleen.,) Uudessa kirjassa Hawking ja Thomas Hertog, teoreettinen fyysikko Catholic University of Leuven (KU) Belgiassa, yrittää kiinni pin outo käsite nimeltä ikuinen inflaatio, joka tarkoittaa—lisäksi todettiin, mukaan jotkut fyysikot—että universumimme on vain yksi äärettömän monta multiversumissa. Hawking ja Hertog perustelevat käsitteen lainaamista säieteoriasta sillä, että ikuista inflaatiota ei ole ja vain yksi universumi. Mutta mitä he ajavat on jotain vielä perus: he väittävät, että meidän universumi koskaan ollut yksittäinen hetki luomisen.,

Miten argumentti toimii? Seuraa sen käämilankaa alun loppuun.

aloitetaan perusasioista: Mikä on kosminen inflaatio?

Kosminen inflaatio on valtava kasvupyrähdys, että muka venytetty lapsi maailmankaikkeuden ensimmäisten pienimmätkin murto-osan. Keksi vuonna 1979 Amerikkalainen teoreetikko Alan Guth, inflaatio katsoo, että juuri alkuräjähdyksen jälkeen, tilaa venytetty eksponentiaalisesti, kaksinkertaistaa koko maailmankaikkeuden uudestaan ja uudestaan vähintään 60 kertaa ennen kuin hidastaa dramaattisesti.

miksi kosmologit uskoisivat johonkin niin omituiseen?,

inflaatio ratkaisee suuren arvoituksen: miksi maailmankaikkeus on niin yhtenäinen? Esimerkiksi avaruus on alkuräjähdyksestä viipyvää säteilyä, kosmista mikroaaltotaustaa (CMB). Lämpötila on lähes täsmälleen sama kaikkialla taivaalla. Se on outoa, koska kaukana toisistaan pistettä tuntua ensi silmäyksellä olevan liian kaukana toisistaan, jotta mitään vaikutusvaltaa päästä toiseen yli 13,8 miljardia vuotta maailmankaikkeus on ollut olemassa. Inflaatio ratkaisee tämän palapelin vihjaamalla, että kaikki kohdat taivaalla alkoivat tarpeeksi lähellä vuorovaikutuksessa, ja sitten venytettiin kauas toisistaan.,

Onko se, että kaikki inflaatio tekee?

ironisesti inflaatio tekee myös hyvää työtä selittäessään, miksi maailmankaikkeus ei ole täysin yhtenäinen. Avaruus on selvästi täynnä galakseja. Teorian mukaan inflaatio venytetty äärettömän pieni kvantti vaihtelut ne ensimmäiset hetket ekstragalaktisten koko. Tämän jälkeen vaihtelut tuottivat vaihtelua galaksien muodostumista kylväneiden perushiukkasten tiheässä keitossa. Inflaatio ennustaa tietyn kirjon pitempiä ja lyhyempiä vaihteluita. On hämmästyttävää, että CMB: n ja galaksien tutkimukset vahvistavat tämän jakauman.,

Joten mitä on ikuinen inflaatio?

tässä kohtaa inflaation käsite törmää omiin ongelmiinsa. Fyysikot eivät pidä ajatuksesta, että inflaatio pysähtyisi yhtäkkiä, ilman erityistä syytä., He haluavat mekanismin, joka selittää inflaation ja sai sen pysähtymään. Siksi he olettavat, että jokin kvanttikenttä ajoi sen, ennen kuin pettävät. Ajatuksena on, että kenttä alkaa pois vain noin vakaa, korkea-energia ”väärä tyhjiö” valtion, jossa tilaa ulottuu eksponentiaalisesti. Sen jälkeen se rentoutuu todelliseen alimpaan energiatilaansa, jossa avaruus laajenee paljon hitaammin.

skenaario toimii kuitenkin hieman liian hyvin., Eksponentiaalisesti laajeneva valetyhjiö tuottaa itsestään yhä enemmän, joten avaruus laajenee uskomattoman nopeasti. Universumimme on paikka, joka on läpikäynyt siirtymisen matalaenergiseen todelliseen tyhjiötilaan. Mutta tällaisten siirtymien pitäisi tapahtua satunnaisesti,joten pitäisi olla paljon muitakin universumeja. Itse prosessi pitäisi tuottaa alati kasvava määrä tilaa, joka kasvaa huimaa vauhtia, mausteina ääretön määrä ”tasku-universumien” kasvaa hitaammin.

onko se ongelma?

riippuu siitä, keneltä kysyy., Perustasolla kaikkien näiden muiden universumien olemassaolo ei vaikuttaisi universumiimme. He ovat liian kaukana ollakseen yhteydessä meihin. Toisaalta, käsite ikuisen inflaation ja multiverse voi estää cosmologists’ koko yrityksen selittää, miksi maailmankaikkeus on sellainen kuin se on, Hertog sanoo. Asioita, kuten arvot tiettyjen keskeisten fysiikan vakiot voisivat vaihdella satunnaisesti keskuudessa tasku-universumit, hän sanoo, jotka tekisivät kiistanalainen mitään vaivaa selittää, miksi he ovat arvoja, ne tekevät meidän maailmankaikkeus., Ne asetettaisiin sattumanvaraisesti, Hertog sanoo, eikä se ole kovin tyydyttävää.

Joten miten Hawkingin ja Hertogin paperi ratkaisee ongelman?

Hawking ja Hertog väittävät, että todellisuudessa ikuista inflaatiota ei tapahdu. Tätä varten he lainaavat säieteoriasta käsitettä, jonka avulla he voivat rinnastaa kaksi erityyppistä teoriaa erilaisiin mitoituksiin. Argentiinalais-yhdysvaltalainen teoreetikko Juan Maldacena piti vuonna 1997 avaruutta tilavuutena, jossa painovoima toimi., Maldacena, joka on nyt Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, sitten osoitti, että teoria oli vastine helpompaa-to-työ -, kvantti-teoria rajaa tilaa, joka ei sisällä painovoima. Se on kuin sanoisi, mitä menee sisälle voi sooda voi olla vangiksi teoria, jossa kuvataan vain mitä tapahtuu voi pinnalla.

Ikuinen inflaatio nousee, koska hyvin varhaisessa maailmankaikkeudessa, kvantti vaihtelut alalla, joka ajaa inflaatiota ovat yhtä suuria kuin alan keskiarvo., Mutta Hawking ja Hertog väittää, että näissä olosuhteissa ei voida yksinkertaisesti jatkaa Albert Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria, mutta sen sijaan täytyy käyttää liikkumavaraa kuin Maldacena on tarkastella koko tilanne on tila, jossa yksi vähemmän ulottuvuus. Siinä vaihtoehtoisessa avaruudessa asiat ovat heidän mukaansa jäljitettävämpiä, eikä fysiikka johda ikuiseen inflaatioon. Sen sijaan yksi, hyvin käyttäytyvä universumi fuusioituu.

joten mitä tekemistä tällä on maailmankaikkeuden alun kanssa?

siitä tulee mielenkiintoista—ja hankalaa., Teoreettinen fyysikko tuntee holografiana käsitteen, jossa teoria rinnastetaan toiseen tilaan, jossa on yksi ulottuvuus vähemmän. Työssään Maldacena rinnasti teorian toiseen avaruudessa, jossa on yksi vähemmän avaruudellinen ulottuvuus. Mutta, Hertog väittää, periaate holografia avulla teoreetikot hylätä ulottuvuuden aikaa, sen sijaan. Joten Hawking ja Hertog on teoria, periaatteen avulla holografia, hyvin varhainen maailmankaikkeus olisi kuvattu teoria, jossa on kolme avaruudellista ulottuvuutta ja ei ole aikaa.

mutta miksi haluaisit eroon ajasta?,

siitä lähtien, kun selvisi, että maailmankaikkeudella oli alku, sen syntyhetki on ollut teoreetikoille päänsärky. Karkeasti ottaen Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria tekee hyvää työtä selittäessään asioita alkuräjähdyksen jälkeen, mutta ei pysty käsittelemään itse luomisen hetkeä. Tuo hetki muodostaa avaruusajassa ”singulariteetin” —kuten äärettömyyteen räjähtävän matemaattisen funktion-joka kaataa teorian. Teoreetikot ovat siis jo pitkään etsineet keinoa välttää se singulariteetti—ja ajan menettäminen olisi yksi keino siihen.,

se on ongelma, joka kiehtoi Hawkingia koko uran ajan, Hertog sanoo. Vuosikymmeniä sitten, hän ehdotti vaihtoehtoista korjata spekuloidaan, että aivan alussa, aika oli, karkeasti ottaen, kolmiulotteinen, ajatus, joka ei ole mesh uusi työ.

Niin, on tämä lopussa ikuisen inflaation ja alkuräjähdyksen singulariteetti?

todennäköisesti ei. Toiset tutkia Hawking ja Hertog on vetoaminen ulottuvuus-muuttuvat suhteessa. Ja vaikka muut tutkijat pitävät sitä ääntä, siellä on vielä merkittävä kysymys, johon pitää vastata Hertog toteaa., Jos teoreetikot aloittavat teorialla, jossa on vain avaruudellisia ulottuvuuksia, miten aika lopulta syntyy siitä? ”Heitimme pois uuden paradigman”, Hertog sanoo, ” mutta tehtävää on paljon.”

*Korjaus, 3. Toukokuuta, klo 10: Tämä tarina on päivitetty oikea nimi, Institute for Advanced Study.