Stephen Hawking‘ s (fast) Letzte Papier: ein Ende zu setzen, den Beginn des Universums,

Als Stephen Hawking am 14. Heute veröffentlichte das Journal of High Energy Physics seine letzte Arbeit in der Kosmologie-die Wissenschaft, wie das Universum entstand und sich entwickelte. (Andere Papiere zu Schwarzen Löchern werden noch vorbereitet.,) In der neuen Arbeit versuchen Hawking und Thomas Hertog, ein theoretischer Physiker an der Katholischen Universität Leuven (KU) in Belgien, einen Stift in ein bizarres Konzept namens ewige Inflation zu stecken, was nach Ansicht einiger Physiker unvermeidlich bedeutet, dass unser Universum nur eines von unendlich vielen in einem Multiversum ist. Hawking und Hertog entlehnen ein Konzept aus der Stringtheorie und argumentieren, dass es keine ewige Inflation und nur ein Universum gibt. Aber was sie treiben, ist etwas noch Grundlegenderes: Sie behaupten, dass unser Universum nie einen einzigartigen Moment der Schöpfung hatte.,

Wie funktioniert das Argument? Folgen Sie dem Wickelfaden bis zum Ende des Anfangs.

Beginnen wir mit den Grundlagen: Was ist kosmische Inflation?

Die kosmische Inflation ist ein monumentaler Wachstumsschub, der angeblich das gesamte Universum im ersten Bruchteil einer Sekunde erstreckte. Die Inflation, die 1979 vom amerikanischen Theoretiker Alan Guth erdacht wurde, besagt, dass sich der Raum kurz nach dem Urknall exponentiell ausdehnte und die Größe des Universums immer wieder verdoppelte, bevor er sich dramatisch verlangsamte.

Warum sollten Kosmologen an etwas so Bizarres glauben?,

Inflation löst ein großes Rätsel: Warum ist das Universum so einheitlich? Zum Beispiel ist der Raum mit Strahlung gefüllt, die vom Urknall, dem kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB), ausgeht. Es hat fast genau die gleiche Temperatur überall am Himmel. Das ist seltsam, da weit voneinander getrennte Punkte auf den ersten Blick zu weit voneinander entfernt zu sein scheinen, um in den 13, 8 Milliarden Jahren, in denen das Universum existiert, von einem zum anderen zu gelangen. Inflation löst dieses Rätsel, indem es impliziert, dass alle Punkte am Himmel nahe genug begannen, um zu interagieren, und dann weit auseinander gestreckt wurden.,

Ist das alles Inflation tut?

Ironischerweise erklärt die Inflation auch sehr gut, warum das Universum nicht vollständig einheitlich ist. Offensichtlich ist der Raum mit Galaxien übersät. Nach der Theorie dehnte die Inflation infinitesimale Quantenschwankungen in diesen ersten Momenten auf extragalaktische Größe aus. Die Schwankungen erzeugten dann Variationen in der dichten Suppe von Grundteilchen, die die Bildung der Galaxien säten. Die Inflation sagt ein bestimmtes Spektrum von längeren und kürzeren Schwankungen voraus. Auffallend, Studien der CMB und der Galaxien bestätigen diese Verteilung.,

Also, was ist die ewige inflation?

Hier stößt das Konzept der Inflation auf eigene Probleme. Physiker mögen die Idee, dass die Inflation ohne besonderen Grund plötzlich aufhören würde, zutiefst nicht., Sie hätten viel lieber einen Mechanismus, der erklärt, was die Inflation angetrieben und dann zum Stillstand gebracht hat. Deshalb gehen sie davon aus, dass eine Art Quantenfeld es angetrieben hat, bevor es ausging. Die Idee ist, dass das Feld in einem nur annähernd stabilen, energiereicheren „falschen Vakuum“-Zustand beginnt, in dem sich der Raum exponentiell ausdehnt. Es entspannt sich dann zu seinem wahren niedrigsten Energiezustand, in dem sich der Raum viel langsamer ausdehnt.

Das Szenario funktioniert jedoch etwas zu gut., Das exponentiell expandierende falsche Vakuum erzeugt immer mehr von sich selbst, so dass sich immer mehr Raum mit einer unglaublich schnellen Geschwindigkeit ausdehnt. Unser Universum ist ein Fleck, der den Übergang in den energiesparenden wahren Vakuumzustand durchlaufen hat. Aber solche Übergänge sollten zufällig passieren, also sollte es auch viele andere Universen geben. Tatsächlich sollte der Prozess eine immer größer werdende Menge an Raum erzeugen, die exponentiell wächst, gespickt mit einer unendlichen Anzahl von „Taschenuniversen“, die langsamer wachsen.

Ist das ein problem?

Es hängt davon ab, wen Sie Fragen., Auf der grundlegendsten Ebene würde die Existenz all dieser anderen Universen unser Universum nicht beeinflussen. Sie sind einfach zu weit weg, um irgendeine Verbindung zu unserer zu haben. Auf der anderen Seite könnte der Begriff der ewigen Inflation und eines Multiversums das gesamte Unternehmen der Kosmologen vereiteln, zu erklären, warum das Universum so ist, wie es ist, sagt Hertog. Dinge wie die Werte bestimmter physikalischer Schlüsselkonstanten könnten zufällig zwischen den Taschenuniversen variieren, sagt er, was jede Anstrengung zunichte machen würde, zu erklären, warum sie die Werte haben, die sie in unserem Universum tun., Sie würden zufällig gesetzt, sagt Hertog, und das ist nicht sehr befriedigend.

Wie löst Hawkings und Hertogs Papier das Problem?

Hawking und Hertog argumentieren, dass in der Tat ewige Inflation nicht auftritt. Dazu leihen sie sich ein Konzept aus der Stringtheorie, das es ihnen ermöglicht, zwei verschiedene Arten von Theorien mit unterschiedlichen Dimensionalitäten gleichzusetzen. 1997 betrachtete der argentinisch-amerikanische Theoretiker Juan Maldacena ein Raumvolumen, in dem die Schwerkraft am Werk war., Maldacena, der jetzt am Institute for Advanced Study in Princeton, New Jersey, ist, zeigte dann, dass die Theorie einer einfacher zu arbeitenden Quantentheorie an der Grenze des Raumes entsprach, die die Schwerkraft nicht enthielt. Es ist wie zu sagen, was in einer Dose Soda vor sich geht, kann durch eine Theorie erfasst werden, die nur beschreibt, was auf der Oberfläche der Dose passiert.

Die ewige Inflation entsteht, weil im sehr frühen Universum die Quantenfluktuationen im Feld, die die Inflation antreiben, so groß sind wie der Durchschnittswert des Feldes., Hawking und Hertog argumentieren jedoch, dass man unter diesen Bedingungen nicht einfach mit Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie fortfahren kann, sondern stattdessen ein Manöver wie das von Maldacena anwenden muss, um die gesamte Situation in einem Raum mit einer Dimension weniger zu betrachten. In diesem alternativen Raum sind die Dinge nachvollziehbarer, behaupten sie, und die Physik führt nicht zu ewiger Inflation. Stattdessen verschmilzt ein einziges, gut erzogenes Universum.

Was hat das also mit dem Beginn des Universums zu tun?

Dort wird es interessant-und knifflig., Das Konzept, eine Theorie mit einer anderen in einem Raum mit einer anderen Dimension gleichzusetzen, ist theoretischen Physikern als Holographie bekannt. In seiner Arbeit setzte Maldacena eine Theorie mit einer anderen in einem Raum mit einer weniger räumlichen Dimension gleich. Hertog argumentiert jedoch, dass das Prinzip der Holographie es Theoretikern ermöglicht, stattdessen die Dimension der Zeit zu über Bord zu werfen. In Hawkings und Hertogs Theorie sollte das sehr frühe Universum durch das Prinzip der Holographie durch eine Theorie mit nur drei räumlichen Dimensionen und ohne Zeit beschrieben werden.

Aber warum sollten Sie die Zeit loswerden wollen?,

Seitdem klar wurde, dass das Universum einen Anfang hatte, war der Moment seiner Geburt für Theoretiker ein Kopfschmerz. Grob gesagt, Einsteins allgemeine Relativitätstheorie erklärt die Dinge nach dem Moment des Urknalls gut, kann aber nicht mit dem Moment der Schöpfung selbst umgehen. Dieser Moment bildet eine“ Singularität “ in der Raumzeit—wie eine mathematische Funktion, die bis ins Unendliche explodiert—, die die Theorie auslöst. Theoretiker haben also lange nach einem Weg gesucht, diese Singularität zu vermeiden—und Zeit zu verlieren wäre eine Möglichkeit, dies zu tun.,

Es ist ein Problem, das Hawking während seiner gesamten Karriere fasziniert hat, sagt Hertog. Vor Jahrzehnten schlug er eine alternative Lösung vor, indem er spekulierte, dass die Zeit am Anfang grob gesagt dimensional war, eine Idee, die nicht mit der neuen Arbeit in Einklang steht.

Ist dies also das Ende für die ewige Inflation und die Urknall-Singularität?

Wahrscheinlich nicht. Andere werden Hawkings und Hertogs Aufruf der dimensionsverändernden Beziehung untersuchen. Und selbst wenn andere Forscher es für solide halten, gibt es immer noch eine wichtige Frage zu beantworten, räumt Hertog ein., Wenn Theoretiker mit einer Theorie mit nur räumlichen Dimensionen beginnen, wie entsteht dann endlich die Zeit daraus? „Wir haben ein neues Paradigma herausgeworfen“, sagt Hertog, “ aber es gibt noch viel zu tun.“

*Korrektur, 3. Mai, 10 Uhr: Diese Geschichte wurde aktualisiert, um zu korrigieren, den Namen des Institute for Advanced Study.