Stephen Hawking (majdnem) utolsó papír: véget vetni az univerzum kezdete

amikor Stephen Hawking március 14-én meghalt, a híres elméleti fizikusnak még néhány dolgozata volt a művekben. Ma a Journal of High Energy Physics kiadta utolsó munkáját a kozmológiában—a tudomány, hogy az univerzum Hogyan alakult ki. (A fekete lyukakkal kapcsolatos egyéb papírok még mindig készülnek.,) Az új dolgozatban Hawking és Thomas Hertog, a belgiumi Leuven (KU) Katolikus Egyetem elméleti fizikusa megpróbál egy csapot beilleszteni az örök infláció nevű bizarr koncepcióba, amely—néhány fizikus szerint—elkerülhetetlenül azt jelenti, hogy univerzumunk csak egy a végtelenül sok közül egy multiverzumban. Hawking és Hertog azzal érvelnek, hogy nincs örök infláció és csak egy univerzum. De amit ők vezetnek, az valami még alaposabb: azt állítják, hogy az univerzumunknak soha nem volt egyedülálló pillanata a teremtésnek.,

hogyan működik az argumentum? Kövesse a tekercselési szálat a kezdet végéig.

kezdjük az alapokkal: mi a kozmikus infláció?

a kozmikus infláció egy monumentális növekedési spurt, amely állítólag a csecsemő univerzumot feszítette a másodperc első legkisebb töredéke alatt. Alan Guth amerikai teoretikus 1979-ben álmodta meg, hogy az infláció azt állítja, hogy közvetlenül az ősrobbanás után a tér exponenciálisan megnyúlt, megduplázva az univerzum méretét újra és újra legalább 60-szor, mielőtt drámaian lelassulna.

miért hinnének a kozmológusok valami ilyen bizarrban?,

Az infláció jelentős puzzle-t old meg: miért olyan egységes az univerzum? Például a tér tele van sugárzás elhúzódó a big bang, a kozmikus mikrohullámú háttér (CMB). Szinte pontosan ugyanaz a hőmérséklet mindenütt az égen. Ez furcsa, mivel a széles körben elválasztott pontok első pillantásra túl messze vannak ahhoz, hogy bármilyen befolyás elérje az egyikről a másikra az univerzum 13, 8 milliárd éve alatt. Az infláció megoldja ezt a rejtvényt azzal, hogy azt sugallja, hogy az ég minden pontja elég közel indult ahhoz, hogy kölcsönhatásba lépjen, majd messze egymástól feszültek.,

Ez minden infláció?

ironikus módon az infláció is nagyszerű munkát végez annak magyarázatában, hogy miért nem teljesen egységes az univerzum. Nyilvánvaló, hogy a tér galaxisokkal van tele. Az elmélet szerint az infláció az első pillanatokban végtelen kvantumingadozásokat nyújtott extragalaktikus méretre. Az ingadozások ezután variációkat okoztak az alapvető részecskék sűrű levesében, amelyek a galaxisok kialakulását vetették fel. Az infláció a hosszabb-rövidebb ingadozások egy bizonyos spektrumát jósolja. A CMB és a galaxisok vizsgálata ezt az eloszlást is megerősíti.,

Tehát mi az örök infláció?

itt van, ahol az infláció fogalma saját problémákba ütközik. A fizikusok mélyen nem szeretik azt az elképzelést, hogy az infláció hirtelen megáll, különösebb ok nélkül., Sokkal inkább olyan mechanizmussal rendelkeznének, amely megmagyarázza, mi vezette az inflációt, majd megállította. Ezért feltételezik, hogy valamilyen kvantummező vezette, mielőtt petering ki. Az ötlet az, hogy a mező csak körülbelül stabil, nagyobb energiájú “hamis vákuum” állapotban indul ki, amelyben a tér exponenciálisan húzódik. Ezután ellazul a valódi legalacsonyabb energiájú állapotába, amelyben a tér sokkal lassabban bővül.

a forgatókönyv azonban kissé túl jól működik., Az exponenciálisan bővülő hamis vákuum egyre többet termel önmagából, így egyre több hely bővül hihetetlenül gyors ütemben. Univerzumunk egy olyan folt, amely átment az alacsony energiájú valódi vákuum állapotra való áttérésen. De az ilyen átmeneteknek véletlenszerűen kell történniük, ezért sok más univerzumnak is kell lennie. Valójában a folyamatnak egyre növekvő mennyiségű helyet kell létrehoznia, amely exponenciális sebességgel növekszik, végtelen számú “zseb-univerzummal”, amely lassabban növekszik.

Ez probléma?

attól függ, hogy kit kérdez., A legalapvetőbb szinten ezeknek a többi világegyetemnek a létezése nem befolyásolná az univerzumunkat. Túl messze vannak ahhoz, hogy bármilyen kapcsolatban legyenek a miénkkel. Másrészt az örök infláció és a multiverzum fogalma meghiúsíthatja a kozmológusok egész vállalkozását, hogy elmagyarázzák, miért van az univerzum úgy, ahogy van-mondja Hertog. Olyan dolgok, mint bizonyos kulcsfontosságú fizikai állandók értékei, véletlenszerűen változhatnak a zseb-világegyetemek között, mondja, ami minden erőfeszítést megtenne annak magyarázatára, hogy miért vannak azok az értékek, amelyeket az univerzumunkban csinálnak., Véletlenszerűen állítanák be őket, mondja Hertog, és ez nem túl kielégítő.

Szóval hogyan oldja meg Hawking és Hertog dolgozata a problémát?

Hawking és Hertog azt állítják, hogy valójában az örök infláció nem fordul elő. Ehhez kölcsönöznek egy koncepciót a húrelméletből, amely lehetővé teszi számukra, hogy két különböző típusú elméletet egyenlítsenek ki különböző dimenziókkal. 1997-ben Juan Maldacena argentin-amerikai teoretikus olyan térmennyiséget vett figyelembe, amelyben a gravitáció működött., Maldacena, aki most A New Jersey-i Princetonban található haladó tanulmány intézetben van, aztán bebizonyította, hogy az elmélet egyenértékű egy könnyebben dolgozható kvantumelmélettel a tér határán, amely nem tartalmaz gravitációt. Ez olyan, mintha azt mondanánk, hogy bármi is történik egy doboz szódában, egy elmélet elfoghatja, amely csak azt írja le, hogy mi történik a doboz felületén.

Az örök infláció azért alakul ki, mert a nagyon korai univerzumban az inflációt meghajtó kvantum ingadozások olyan nagyok, mint a mező átlagos értéke., De Hawking és Hertog azt állítják, hogy ilyen körülmények között nem lehet egyszerűen folytatni Albert Einstein általános relativitáselméletét, hanem egy olyan manővert kell használnia, mint Maldacena, hogy az egész helyzetet egy kevesebb dimenzióval rendelkező térben tekintse meg. Ebben az alternatív térben a dolgok jobban nyomon követhetők, állítják, és a fizika nem vezet örök inflációhoz. Ehelyett egyetlen, jól viselkedő univerzum egyesül.

Tehát mi köze ennek az univerzum kezdetéhez?

Ez az, ahol a dolgok érdekes—és trükkös., Az elméleti fizikusok holográfiának nevezik azt a koncepciót, hogy az egyik elméletet egy másik dimenzióval rendelkező térben egyenlővé teszik. Munkájában Maldacena az egyik elméletet a másikhoz hasonlította egy térben, egy kevésbé térbeli dimenzióval. De, Hertog azt állítja, a holográfia elve lehetővé teszi a teoretikusok számára, hogy inkább az idő dimenziójára jettison. Hawking és Hertog elméletében tehát a holográfia elvén keresztül a nagyon korai univerzumot egy olyan elmélettel kell leírni, amelynek mindössze három térbeli dimenziója van, és nincs ideje.

de miért akar megszabadulni az időtől?,

amióta világossá vált, hogy az univerzumnak kezdete van, születésének pillanata fejfájás volt a teoretikusok számára. Nagyjából elmondható, hogy Einstein általános relativitáselmélete remek munkát végez a dolgok magyarázatában az ősrobbanás pillanata után, de nem tudja kezelni a teremtés pillanatát. Ez a pillanat egy “szingularitást” képez a téridőben—mint egy matematikai függvény, amely a végtelenbe robban—, amely felborítja az elméletet. Tehát a teoretikusok már régóta törekedtek arra, hogy elkerüljék ezt a szingularitást—és az időveszteség az egyik módja ennek.,

Ez egy olyan probléma, amely lenyűgözte Hawking egész karrierjét, mondja Hertog. Évtizedekkel ezelőtt egy alternatív megoldást javasolt azzal a spekulációval, hogy az idő kezdetben, durván szólva, dimenziós, olyan ötlet volt, amely nem illeszkedik az új munkához.

tehát ez a vége az örök inflációnak és a big bang szingularitásnak?

valószínűleg nem. Mások megvizsgálják Hawking és Hertog hívását a dimenzióváltó kapcsolatról. És még ha más kutatók is hangosnak találják, még mindig van egy fontos kérdés, amelyre válaszolni kell-ismeri el Hertog., Ha a teoretikusok csak térbeli dimenziókkal rendelkező elmélettel kezdődnek,hogyan alakul ki végül az idő? “Egy új paradigmát dobtunk ki-mondja Hertog -, de sok munka van még.”

*Correction, 3 May, 10 am: This story has been updated to correct the name of the Institute for Advanced Study.