in his last Paper on Cosmology, Stephen Hawking en een jongere collega aangevallen kosmische inflatie en haar ontevredenheid.,
Jason Bye / Writer Pictures via AP Images
toen Stephen Hawking op 14 maart overleed, had de beroemde theoretisch natuurkundige nog een paar papers in de maak. Vandaag publiceerde het Journal of High Energy Physics zijn laatste werk in kosmologie—de wetenschap van hoe het universum ontstond en evolueerde. (Andere documenten over zwarte gaten zijn nog in voorbereiding.,) In het nieuwe artikel proberen Hawking en Thomas Hertog, theoretisch natuurkundige aan de Katholieke Universiteit Leuven (KU) in België, een speld te steken in een bizar concept genaamd eeuwige inflatie, dat—onvermijdelijk, volgens sommige natuurkundigen—impliceert dat ons universum slechts één is van oneindig veel in een multiversum. Hawking en Hertog lenen een concept uit de snaartheorie, beweren dat er geen eeuwige inflatie is en slechts één universum. Maar waar ze op uit zijn, is iets fundamentelers: ze beweren dat ons universum nooit een enkel moment van creatie heeft gehad.,
Hoe werkt het argument? Volg de kronkelende draad tot het einde van het begin.
laten we beginnen met de basis: wat is kosmische inflatie?
kosmische inflatie is een monumentale groeispurt die het zuigelingenuniversum zou hebben uitgerekt gedurende de eerste fractie van een seconde. Verzonnen in 1979 door de Amerikaanse theoreticus Alan Guth, stelt de inflatie dat vlak na de oerknal de ruimte exponentieel rekte, de grootte van het universum opnieuw en opnieuw minstens 60 keer verdubbelde alvorens dramatisch te vertragen.
waarom zouden kosmologen in zoiets bizars geloven?,
inflatie lost een grote puzzel op: Waarom is het universum zo uniform? De ruimte is bijvoorbeeld gevuld met straling die blijft hangen van de oerknal, de kosmische microgolfachtergrond (CMB). Het heeft bijna precies dezelfde temperatuur overal in de lucht. Dat is vreemd, omdat ver van elkaar Gescheiden punten op het eerste gezicht te ver uit elkaar lijken te liggen … voor enige invloed om van de ene naar de andere te reiken … gedurende de 13,8 miljard jaar dat het heelal bestaat. Inflatie Lost die puzzel op door te impliceren dat alle punten in de hemel dichtbij genoeg begonnen om te interageren, en toen ver uit elkaar werden uitgerekt.,
is dat alle inflatie?ironisch genoeg verklaart inflatie ook goed waarom het universum niet volledig uniform is. De ruimte is bezaaid met sterrenstelsels. Volgens de theorie rekte inflatie oneindig kleine kwantumfluctuaties in die eerste momenten tot extragalactische grootte. De schommelingen produceerden toen variaties in de dichte soep van fundamentele deeltjes die de vorming van de sterrenstelsels zaaiden. Inflatie voorspelt een bepaald spectrum van langere en kortere fluctuaties. Opvallend is dat studies van de CMB en de sterrenstelsels die verdeling bevestigen.,
kosmische inflatie stelt dat het zuigelingenuniversum een verbijsterende groeispurt onderging, die onmiddellijk subatomaire rimpelingen naar de kosmische schaal rekte.
WMAP Science Team / NASA
dus wat is eeuwige inflatie?
Hier is waar het concept van inflatie op eigen problemen stuit. Natuurkundigen hebben een hekel aan het idee dat de inflatie plotseling zou stoppen, zonder een bepaalde reden., Ze hebben veel liever een mechanisme dat verklaart wat de inflatie dreef en het dan deed stoppen. Daarom gaan ze ervan uit dat een soort kwantumveld het aandreef, voordat het uitblies. Het idee is dat het veld begint in een slechts ongeveer stabiele, hogere energie “vals vacuüm” toestand waarin de ruimte exponentieel strekt. Het ontspant zich dan tot zijn ware laagste energietoestand, waarin de ruimte veel langzamer uitdijt.
Het scenario werkt echter iets te goed., Het exponentieel uitdijende valse vacuüm produceert meer en meer van zichzelf, dus groeit er steeds meer ruimte in een ongelooflijk snel tempo. Ons universum is een patch die de overgang heeft ondergaan naar de lage-energetische ware vacuümtoestand. Maar zulke overgangen zouden willekeurig moeten gebeuren, dus er zouden ook veel andere universa moeten zijn. In feite zou het proces een steeds toenemende hoeveelheid ruimte moeten produceren die exponentieel groeit, doordrenkt met een oneindig aantal “pocket universa” die langzamer groeien.
Is dat een probleem?
Het hangt af van wie je het vraagt., Op het meest elementaire niveau, zou het bestaan van al deze andere universa ons universum niet beïnvloeden. Ze zijn gewoon te ver weg om een connectie met de Onze te hebben. Aan de andere kant kan de notie van eeuwige inflatie en een multiversum de hele onderneming van kosmologen dwarsbomen om uit te leggen waarom het universum is zoals het is, zegt Hertog. Dingen als de waarden van bepaalde belangrijke fysische constanten kunnen willekeurig variëren tussen de pocket universa, zegt hij, wat elke poging om uit te leggen waarom ze de waarden hebben die ze in ons universum hebben, betwistbaar zou maken., Ze zouden toevallig worden ingesteld, zegt Hertog, en dat is niet erg bevredigend.
dus hoe lossen Hawking ’s en Hertog’ s paper het probleem op?
Hawking en Hertog betogen dat er in feite geen eeuwige inflatie optreedt. Om dat te doen, lenen ze een concept uit de snaartheorie dat hen in staat stelt om twee verschillende soorten theorieën gelijk te stellen met verschillende dimensionaliteiten. In 1997 beschouwde de Argentijns-Amerikaanse theoreticus Juan Maldacena een ruimtevolume waarin zwaartekracht aan het werk was., Maldacena, die nu aan het Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey zit, toonde toen aan dat theorie gelijkwaardig was aan een makkelijker te werken kwantumtheorie op de grens van de ruimte zonder zwaartekracht. Het is alsof alles wat zich in een blikje frisdrank afspeelt, kan worden gevangen door een theorie die alleen beschrijft wat er op het oppervlak van het blikje gebeurt.eeuwige inflatie ontstaat omdat in het zeer vroege universum de kwantumfluctuaties in het veld dat inflatie drijft zo groot zijn als de gemiddelde waarde van het veld., Maar Hawking en Hertog beweren dat men onder die omstandigheden niet gewoon door kan gaan met Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie, maar in plaats daarvan een manoeuvre als die van Maldacena moet gebruiken om de hele situatie te bekijken in een ruimte met een dimensie minder. In die alternatieve ruimte zijn dingen tractabeler, beweren ze, en de fysica leidt niet tot eeuwige inflatie. In plaats daarvan fuseert een enkel, goed opgevoede universum.
dus wat heeft dit te maken met het begin van het universum?
dat is waar dingen interessant en lastig worden., Het concept van het gelijkstellen van de ene theorie aan de andere in een ruimte met één dimensie minder is bij theoretische fysici bekend als holografie. In zijn werk stelde Maldacena de ene theorie gelijk aan de andere in een ruimte met een minder ruimtelijke dimensie. Maar, zo betoogt Hertog, het principe van holografie stelt theoretici in staat om de dimensie van de tijd af te werpen, in plaats daarvan. Dus in Hawking ’s en Hertog’ s theorie, door het principe van holografie, moet het zeer vroege universum worden beschreven door een theorie met slechts drie ruimtelijke dimensies en geen tijd.
maar waarom zou je tijd kwijt willen raken?,
sinds het duidelijk werd dat het universum een begin had, is het moment van zijn geboorte een hoofdpijn geweest voor theoretici. Grofweg, Einstein ‘ s algemene relativiteitstheorie doet een prima werk van het uitleggen van dingen na het moment van de oerknal, maar kan niet omgaan met het moment van de schepping zelf. Dat moment vormt een “singulariteit” in de ruimtetijd—zoals een wiskundige functie die tot in het oneindige explodeert—die de theorie opstijgt. Theoretici hebben dus lang gezocht naar een manier om die singulariteit te vermijden—en tijd verliezen zou een manier zijn om dat te doen.,
Het is een probleem dat Hawking zijn hele carrière fascineerde, zegt Hertog. Decennia geleden stelde hij een alternatieve oplossing voor door te speculeren dat tijd in het begin, grof gezegd, dimensionaal was, een idee dat niet past bij het nieuwe werk.
dus is dit het einde voor eeuwige inflatie en de Big bang singulariteit?
waarschijnlijk niet. Anderen zullen Hawking ’s en Hertog’ s aanroep van de dimensie veranderende relatie onderzoeken. En zelfs als andere onderzoekers vinden dat het goed is, er is nog steeds een belangrijke vraag te beantwoorden, Hertog erkent., Als theoretici beginnen met een theorie met alleen ruimtelijke dimensies, hoe komt tijd er dan uiteindelijk uit? “We hebben een nieuw paradigma uitgegooid”, zegt Hertog, ” maar er is nog veel werk aan de winkel.”
*correctie, 3 mei, 10 uur: Dit verhaal is bijgewerkt om de naam van het Institute for Advanced Study te corrigeren.
Leave a Reply