Stephen Hawking' s (almost) last paper: putting an end to the beginning of the universe (Polski)

Kiedy Stephen Hawking zmarł 14 marca, słynny fizyk teoretyczny miał jeszcze kilka prac. Dziś Journal of High Energy Physics opublikował swoje ostatnie dzieło z kosmologii-the science of how the universe sprang into being and evolved. (Inne prace na temat czarnych dziur są nadal przygotowywane.,) W nowym artykule, Hawking i Thomas Hertog, fizyk teoretyczny z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven (ku) w Belgii, próbują wbić szpilkę w dziwaczną koncepcję zwaną wieczną inflacją, która implikuje-nieuniknione, według niektórych fizyków-że nasz wszechświat jest tylko jednym z nieskończenie wielu w wieloświacie. Zapożyczając pojęcie z teorii strun, Hawking i Hertog twierdzą, że nie ma wiecznej inflacji i tylko jeden wszechświat. Ale to, do czego zmierzają, jest czymś jeszcze bardziej podstawowym: twierdzą, że nasz wszechświat nigdy nie miał pojedynczej chwili stworzenia.,

Jak działa argument? Postępuj zgodnie z nawijaną nicią do końca początku.

Zacznijmy od podstaw: czym jest kosmiczna inflacja?

kosmiczna inflacja to monumentalny wyrzut wzrostu, który rzekomo rozciągnął wszechświat niemowlęcia w pierwszym najmniejszym ułamku sekundy. Wymyślona w 1979 roku przez amerykańskiego teoretyka Alana Gutha, inflacja utrzymuje, że tuż po Wielkim Wybuchu, przestrzeń rozciągała się wykładniczo, podwajając rozmiar wszechświata raz po raz co najmniej 60 razy, zanim dramatycznie zwolniła.

Dlaczego kosmolodzy mieliby wierzyć w coś tak dziwacznego?,

inflacja rozwiązuje ważną zagadkę: dlaczego wszechświat jest tak jednolity? Na przykład przestrzeń wypełniona jest promieniowaniem trwającym od Wielkiego Wybuchu, kosmicznego tła mikrofalowego (CMB). Ma prawie dokładnie taką samą temperaturę na całym niebie. To dziwne, ponieważ szeroko rozdzielone punkty wydają się na pierwszy rzut oka zbyt odległe, aby jakikolwiek wpływ mógł dotrzeć z jednego do drugiego w ciągu 13,8 miliarda lat wszechświata. Inflacja rozwiązuje tę zagadkę, sugerując, że wszystkie punkty na niebie zaczynały się wystarczająco blisko, aby ze sobą współdziałać, a następnie były rozciągnięte daleko od siebie.,

czy tylko na tym polega inflacja?

jak na ironię, inflacja również świetnie wyjaśnia, dlaczego wszechświat nie jest całkowicie jednolity. Oczywiście, przestrzeń jest wypełniona galaktykami. Zgodnie z teorią inflacja rozciągała nieskończenie małe fluktuacje kwantowe w tych pierwszych momentach do wielkości pozagalaktycznych. Fluktuacje te wytworzyły następnie zmiany w gęstej zupie cząstek podstawowych, które zapoczątkowały powstawanie galaktyk. Inflacja przewiduje określone spektrum dłuższych i krótszych wahań. Uderzająco, badania CMB i galaktyk potwierdzają ten rozkład.,

Co to jest wieczna inflacja?

tu samo pojęcie inflacji rodzi problemy. Fizycy głęboko nie lubią idei, że inflacja zatrzyma się nagle, bez konkretnego powodu., Woleliby mieć mechanizm, który wyjaśnia, co napędzało inflację, a następnie powodowało jej zatrzymanie. Dlatego zakładają, że jakieś pole kwantowe je napędzało, zanim zniknęło. Chodzi o to, że pole zaczyna się w mniej więcej stabilnym, wysokoenergetycznym stanie „fałszywej próżni”, w którym przestrzeń rozciąga się wykładniczo. Następnie relaksuje się do swojego prawdziwego najniższego stanu energetycznego, w którym przestrzeń rozszerza się znacznie wolniej.

scenariusz działa jednak trochę zbyt dobrze., Rozszerzająca się wykładniczo fałszywa próżnia wytwarza coraz więcej siebie, więc coraz więcej przestrzeni rozszerza się w niewiarygodnie szybkim tempie. Nasz wszechświat jest plastrem, który przeszedł przejście do niskoenergetycznego prawdziwego stanu próżni. Ale takie przejścia powinny się zdarzyć przypadkowo, więc powinno być też wiele innych wszechświatów. W rzeczywistości proces ten powinien wytworzyć coraz większą ilość przestrzeni, która rośnie w wykładniczym tempie, usiana nieskończoną liczbą „kieszonkowych wszechświatów” rosnących wolniej.

czy to problem?

To zależy kogo zapytasz., Na najbardziej podstawowym poziomie, istnienie wszystkich innych wszechświatów nie wpłynęłoby na nasz wszechświat. Są za daleko, żeby mieć jakiś związek z naszym. Z drugiej strony, pojęcie wiecznej inflacji i wieloświata może pokrzyżować kosmologom całe przedsięwzięcie wyjaśnienia, dlaczego wszechświat jest taki, jaki jest, mówi Hertog. Takie rzeczy, jak wartości pewnych kluczowych stałych fizycznych, mogą różnić się losowo między wszechświatami kieszonkowymi, mówi, co sprawiłoby, że nie można by było wyjaśnić, dlaczego mają one takie wartości, jakie mają w naszym wszechświecie., Zostaną ustawione przez przypadek, mówi Hertog, a to nie jest zbyt satysfakcjonujące.

w jaki sposób praca Hawkinga i Hertoga rozwiązuje problem?

Hawking i Hertog twierdzą, że w rzeczywistości wieczna inflacja nie występuje. W tym celu zapożyczają pojęcie z teorii strun, które umożliwia im zrównanie dwóch różnych rodzajów teorii z różnymi wymiarami. W 1997 argentyńsko-amerykański teoretyk Juan Maldacena rozważał objętość przestrzeni, w której działała grawitacja., Maldacena, który jest teraz w Institute for Advanced Study w Princeton, New Jersey, następnie udowodnił, że teoria jest równoważna łatwiejsze do pracy z teorii kwantowej na granicy przestrzeni, która nie zawiera grawitacji. To tak, jakby powiedzieć, że cokolwiek dzieje się wewnątrz puszki z sodą, może zostać uchwycone przez teorię opisującą tylko to, co dzieje się na powierzchni puszki.

wieczna inflacja pojawia się, ponieważ w bardzo wczesnym Wszechświecie kwantowe fluktuacje pola, które napędza inflację, są tak duże, jak średnia wartość pola., Ale Hawking i Hertog twierdzą, że w tych warunkach nie można po prostu kontynuować ogólnej teorii względności Alberta Einsteina, ale zamiast tego należy użyć manewru takiego jak Maldacena, aby zobaczyć całą sytuację w przestrzeni o jeden wymiar mniej. W tej alternatywnej przestrzeni rzeczy są bardziej tractable, twierdzą, i fizyka nie prowadzi do wiecznej inflacji. Zamiast tego, pojedynczy, dobrze zachowujący się wszechświat łączy się.

więc co to ma wspólnego z początkiem wszechświata?

i tu robi się ciekawie—i podchwytliwie., Pojęcie zrównania jednej teorii z drugą w przestrzeni o jednym wymiarze mniejszym jest znane fizykom teoretycznym jako holografia. W swojej pracy Maldacena przyrównywał jedną teorię do drugiej w przestrzeni o jednym mniejszym wymiarze przestrzennym. Ale, twierdzi Hertog, zasada holografii pozwala teoretykom na odrzucenie wymiaru czasu. Tak więc w teorii Hawkinga i Hertoga, zgodnie z zasadą holografii, bardzo wczesny wszechświat powinien być opisany przez teorię, która ma tylko trzy wymiary przestrzenne i nie ma czasu.

ale dlaczego chcesz pozbyć się czasu?,

odkąd stało się jasne, że wszechświat ma początek, moment jego narodzin był bólem głowy dla teoretyków. Z grubsza mówiąc, ogólna teoria względności Einsteina dobrze wyjaśnia rzeczy po chwili wielkiego wybuchu, ale nie może poradzić sobie z samą chwilą stworzenia. Ten moment tworzy „osobliwość” w czasoprzestrzeni—jak funkcja matematyczna, która eksploduje do nieskończoności—która podnosi teorię. Tak więc teoretycy od dawna szukali sposobu na uniknięcie tej osobliwości—a strata czasu byłaby jednym ze sposobów, aby to zrobić.,

to problem, który zafascynował Hawkinga całą swoją karierą-mówi Hertog. Dekady temu zasugerował alternatywną poprawkę, spekulując, że na samym początku czas był, mówiąc brutalnie, wymiarowy, pomysłem, który nie pasuje do nowej pracy.

czy to koniec wiecznej inflacji i osobliwości Wielkiego Wybuchu?

prawdopodobnie nie. Inni będą analizować wywołanie Hawkinga i Hertoga o relacji zmieniającej wymiar. I nawet jeśli inni badacze uznają, że jest to dźwięk, nadal pozostaje ważne pytanie do odpowiedzi, przyznaje Hertog., Jeśli teoretycy zaczynają od teorii, która ma tylko wymiary przestrzenne, w jaki sposób w końcu z niej wyłania się czas? „Odrzuciliśmy nowy paradygmat”, mówi Hertog, ” ale jest wiele do zrobienia.”

*korekta, 3 maja, godz. 10: 00