Stephen Hawking er (nesten) siste papir: å få slutt på begynnelsen av universet

Når Stephen Hawking døde den 14 Mars, den berømte teoretisk fysiker hadde noen papirer fortsatt i verk. I dag, the Journal of High Energy Physics gitt ut sitt siste verk i kosmologi—vitenskapen om hvordan universet oppsto og utviklet seg til å bli. (Andre rapporter om sorte hull er fortsatt å være forberedt.,) I det nye papiret, Harking og Thomas Hertog, en teoretisk fysiker ved det Katolske Universitetet i Leuven (KU) i Belgia, forsøk på å stikke en nål i en bisarr konsept kalt evig inflasjon, noe som innebærer uunngåelig, i henhold til noen fysikere—at vårt univers er bare en av uendelig mange i et multivers. Å låne et begrep fra string-teori, Harking og Hertog hevder at det er ingen evig inflasjon og bare ett univers. Men det de kjører på er noe som er enda mer grunnleggende: det er De som hevder at vårt univers har aldri hatt en eneste øyeblikk av skaperverket.,

Hvordan gjør argumentet fungerer? Følg sine svingete tråden til slutten på begynnelsen.

La oss starte med det grunnleggende: Hva er kosmisk inflasjon?

Kosmisk inflasjon er en kolossal vekst sprute som angivelig strukket spedbarn universet i løpet av de første ørliten brøkdel av et sekund. Drømte opp i 1979 av American teoretiker Alan Guth, inflasjon mener at like etter big bang, plass strukket eksponentielt, doble størrelsen på universet igjen og igjen minst 60 ganger før avtar dramatisk.

Hvorfor skulle cosmologists tror på noe så merkelig?,

Inflasjon løser en stor puslespill: Hvorfor er universet slik uniform? For eksempel, rommet er fylt stråling dvelende fra big bang, the cosmic microwave background (CMB). Det har nesten nøyaktig samme temperatur overalt i himmelen. Det er merkelig, så mye atskilt poeng virke ved første øyekast ut til å være for langt fra hverandre for noen innflytelse for å komme fra den ene til den andre over 13,8 milliarder kroner år universet har eksistert. Inflasjon løser puslespill ved å antyde at alle punktene i himmelen startet nær nok til å samhandle, og deretter ble strukket langt fra hverandre.,

Er at alle inflasjonen?

Ironisk nok, inflasjon gjør også en god jobb med å forklare hvorfor universet er ikke helt ensartet. Selvsagt plass er besatt med galakser. I henhold til teorien, inflasjon strukket uendelige lite quantum svingninger i de første øyeblikkene til extragalactic størrelse. Svingningene deretter produsert variasjoner i tett suppe av grunnleggende partikler som seedet dannelsen av galakser. Inflasjon spår en bestemt spekter av lengre og kortere svingninger. Påfallende, studier av CMB og galakser bekrefte at distribusjon.,

Så hva er evig inflasjon?

Her er hvor begrepet inflasjon går inn i problemer av sine egne. Fysikere dypt misliker ideen om at inflasjonen ville stoppe plutselig, uten noen spesiell grunn., De vil mye heller ha en mekanisme som forklarer hva som drev inflasjon og deretter fikk det til å stoppe. Det er derfor de påtar seg noen form for quantum field kjørte den, før petering ut. Ideen er at feltet starter ut i et ca stabil, høyere energi «false vakuum», det vil si hvilken plass strekker seg eksponentielt. Det så slapper til sin sanne lavest energi tilstand, hvor plass utvider seg mye saktere.

scenariet virker litt for godt, men., Den eksponentielt voksende falske vakuum produserer mer og mer av seg selv, så det er stadig mer plass å utvide på en utrolig rask hastighet. Vårt univers er en patch som har gjennomgått en overgang til lav-energi sant vakuum staten. Men slike overganger skal skje tilfeldig, så det bør ikke være mange andre universer, også. Faktisk, bør prosessen produserer en stadig økende mengden av plass som vokser på en eksponensiell pris, krydret med et uendelig antall «pocket-universer» vokser saktere.

Er det et problem?

Det kommer an på hvem du spør., På det mest grunnleggende nivå, eksistensen av alle disse andre universer ikke ville påvirke vårt univers. De er litt for langt unna til å ha noen sammenheng med vår. På den annen side, forestillingen om evig inflasjon og et multivers kan hindre cosmologists’ hele bedriften til å forklare hvorfor universet er slik det er, Hertog sier. Ting som verdier av enkelte sentrale fysiske konstanter kan variere tilfeldig blant lommen universer, sier han, noe som ville gjøre åpent spørsmål i hvilken som helst forsøk på å forklare hvorfor de har de verdiene som de gjør i vårt univers., De vil være satt ved tilfeldige, Hertog sier, og det er ikke veldig tilfredsstillende.

Så hvordan gjør Hawking og Hertog papir løse problemet?

Hawking og Hertog argumentere for at, faktisk, evig inflasjon ikke oppstår. For å gjøre det, de låne et begrep fra string-teori som gjør dem i stand til å representere to forskjellige typer av teorier med forskjellige dimensionalities. I 1997, Argentinsk-American teoretiker Juan Maldacena ansett som et volum på plass der tyngdekraften var på jobb., Maldacena, som nå er ved Institute for Advanced Study i Princeton, New Jersey, så viste det seg at teorien var tilsvarende et enklere-til-verk-med kvanteteori er på grensen til den plass som ikke inkluderer tyngdekraften. Det er som å si hva som foregår inni en boks med brus kan være fanget av en teori som beskriver bare det som skjer på kan overflaten.

Evige inflasjonen kommer ut fordi, i de tidlige universet, quantum svingninger i feltet som driver inflasjonen er så stor som feltets gjennomsnitt verdi., Men Hawking og Hertog hevde at under slike forhold kan man ikke bare drive på med Albert Einsteins generelle relativitetsteori, men i stedet må bruke en manøver som Maldacena er å se hele situasjonen i et område med en mindre dimensjon. I det alternative plass, ting er mer føyelig, hevder de, og fysikk ikke fører til evig inflasjon. I stedet er det et enkelt, godt opptrådt universet sammen.

Så hva har dette å gjøre med begynnelsen av universet?

Det er der det blir interessant—og vanskelig., Begrepet tilsvarer en teori til en annen i et rom med én færre dimensjon er kjent for å teoretiske fysikere som holografi. I sitt arbeid, Maldacena likestilles en teori til en annen i et rom med en mindre romlig dimensjon. Men, Hertog hevder prinsippet om holografi lar teoretikere for å overbordkasting dimensjon av gangen, i stedet. Så i Hawking og Hertog teori, gjennom prinsippet om holografi, veldig tidlig universet skal være beskrevet av en teori med bare tre romlige dimensjoner og ingen tid.

Men hvorfor ville du ønsker å kvitte seg med tiden?,

helt siden det ble klart at universet hadde en begynnelse, det øyeblikk av sin fødsel har vært en hodepine for teoretikere. Grovt sett Einsteins generelle relativitetsteori gjør en fin jobb med å forklare ting etter øyeblikk av big bang, men ikke kan håndtere øyeblikkelig av skapelsen selv. Det øyeblikket danner en «singularity» i rom og tid—som en matematisk funksjon som eksploderer til infinity—som turer opp med den teorien. Så teoretikere har lenge søkt en måte å unngå at singularitet—og taper tid ville være en måte å gjøre det på.,

Det er et problem at fascinert Hawking hele sin karriere, Hertog sier. For flere tiår siden, foreslo han en alternativ fikse ved å spekulere på at i begynnelsen, gang var, grovt sett, dimensjonale, en idé som ikke mesh med den nye jobben.

Så er dette slutten for evig inflasjon og big bang singularitet?

Sannsynligvis ikke. Andre vil granske Hawking og Hertog er bruken av dimensjon skiftende forhold. Og selv om andre forskere synes det å være lyd, det er fortsatt et viktig spørsmål som skal besvares, Hertog erkjenner., Hvis teoretikere starte med en teori med bare romlige dimensjoner, hvordan har tiden endelig dukker opp fra det? «Vi kastet ut et nytt paradigme,» Hertog, sier, «men det er mye arbeid som skal gjøres.»

*Korreksjon, 3 Mai, kl 10: Denne historien har blitt oppdatert for å rette navnet av Institute for Advanced Study.