Stephen Hawkings (nästan) sista papper: sätta stopp för universums början

När Stephen Hawking dog den 14 mars hade den berömda teoretiska fysikern några papper kvar i verken. Idag publicerade Journal of High Energy Physics sitt senaste arbete i kosmologi-vetenskapen om hur universum sprang till att bli och utvecklats. (Andra papper på svarta hål förbereds fortfarande.,) I den nya tidningen, Hawking och Thomas Hertog, en teoretisk fysiker vid Katolska universitetet i Leuven (KU) i Belgien, försök att hålla en stift i ett bisarrt koncept som kallas evig inflation, vilket innebär—oundvikligt, enligt vissa fysiker—att vårt universum är bara en av oändligt många i ett multiversum. Att låna ett koncept från strängteori hävdar Hawking och Hertog att det inte finns någon evig inflation och bara ett universum. Men vad de kör på är något ännu mer grundläggande: de hävdar att vårt universum aldrig hade ett enda ögonblick av skapelse.,

hur fungerar argumentet? Följ dess lindningstråd till slutet av början.

låt oss börja med grunderna: Vad är kosmisk inflation?

kosmisk inflation är en monumental tillväxtspurt som förmodligen sträckte spädbarnsuniversumet under den första minsta bråkdelen av en sekund. Drömde upp 1979 av amerikansk teoretiker Alan Guth, inflationen håller att strax efter big bang, sträckte utrymme exponentiellt, fördubbla storleken på universum om och om igen minst 60 gånger om innan sakta dramatiskt.

varför skulle kosmologer tro på något så bisarrt?,

inflationen löser ett stort pussel: Varför är universum så enhetligt? Till exempel är utrymmet fylls strålning kvardröjande från Big bang, den kosmiska mikrovågsugn bakgrund (CMB). Den har nästan exakt samma temperatur överallt på himlen. Det är konstigt, eftersom vitt skilda punkter vid första anblicken verkar vara för långt ifrån varandra för något inflytande att nå från den ena till den andra under de 13.8 miljarder åren som universum har funnits. Inflationen löser det pusslet genom att antyda att alla punkter på himlen började tillräckligt nära för att interagera, och sedan sträcktes långt ifrån varandra.,

är det allt inflation gör?

ironiskt nog gör inflationen också ett bra jobb att förklara varför universum inte är helt enhetligt. Självklart är rymden översållad med galaxer. Enligt teorin sträckte inflationen infinitesimala kvantfluktuationer i de första ögonblicken till extragalaktisk storlek. Fluktuationerna producerade sedan variationer i den täta soppan av grundläggande partiklar som frös bildandet av galaxerna. Inflationen förutspår ett visst spektrum av längre och kortare fluktuationer. Påfallande, studier av CMB och galaxerna bekräftar denna fördelning.,

Så vad är evig inflation?

här är där begreppet inflation går in i egna problem. Fysiker ogillar djupt tanken att inflationen skulle sluta plötsligt, utan någon särskild anledning., De skulle mycket hellre ha en mekanism som förklarar vad drev inflationen och sedan fick den att sluta. Det är därför de antar att något slags kvantfält körde det innan de petade ut. Tanken är att fältet börjar i ett endast ungefär stabilt, högre energi ”falskt vakuum” tillstånd där rymden sträcker sig exponentiellt. Det slappnar sedan av till sitt sanna lägsta energitillstånd, där utrymmet expanderar mycket långsammare.

scenariot fungerar dock lite för bra., Det exponentiellt expanderande falska vakuumet producerar mer och mer av sig själv, så det finns allt mer utrymme som expanderar i en otroligt snabb takt. Vårt universum är en lapp som har genomgått övergången till lågenergins sanna vakuumtillstånd. Men sådana övergångar bör hända slumpmässigt, så det borde finnas många andra universum också. Faktum är att processen bör producera en ständigt ökande mängd utrymme som växer i exponentiell takt, peppared med ett oändligt antal ”pocket universes” som växer långsammare.

är det ett problem?

det beror på vem du frågar., På den mest grundläggande nivån skulle existensen av alla dessa andra universum inte påverka vårt universum. De är alldeles för långt borta för att ha något samband med vår. Å andra sidan kan begreppet evig inflation och ett multiversum omintetgöra kosmologernas hela företag för att förklara varför universum är som det är, säger Hertog. Saker som värdena för vissa viktiga fysiska konstanter kan variera slumpmässigt mellan fickuniverserna, säger han, vilket skulle göra mycket för att förklara varför de har de värden de gör i vårt universum., De skulle ställas in av slump, säger Hertog, och det är inte särskilt tillfredsställande.

Så hur löser Hawkings och Hertogs papper problemet?

Hawking och Hertog hävdar att evig inflation faktiskt inte uppstår. För att göra det lånar de ett koncept från strängteori som gör det möjligt för dem att jämföra två olika typer av teorier med olika dimensionaliteter. 1997 betraktade Argentinsk-amerikanska teoretiker Juan Maldacena en volym utrymme där gravitationen var på jobbet., Maldacena, som nu är vid Institutet för avancerad studie i Princeton, New Jersey, visade sedan att teorin motsvarade en lättare att arbeta med kvantteori om gränsen för det utrymme som inte inkluderade gravitation. Det är som att säga vad som än händer inuti en burk läsk kan fångas av en teori som bara beskriver vad som händer på burkens yta.

evig inflation framträder eftersom kvantfluktuationerna i fältet som driver inflationen i det allra tidiga universum är lika stora som fältets genomsnittliga värde., Men Hawking och Hertog hävdar att under dessa förhållanden kan man inte bara fortsätta med Albert Einsteins allmänna relativitetsteori, utan måste i stället använda en manöver som Maldacena är att se hela situationen i ett utrymme med en mindre dimension. I det alternativa utrymmet är sakerna mer tractable, de hävdar, och fysiken leder inte till evig inflation. Istället sammanfogar ett enda, väluppfostrat universum.

Så vad har detta att göra med universums början?

det är där saker blir intressanta—och knepiga., Konceptet att likställa en teori till en annan i ett utrymme med en mindre dimension är känd för teoretiska fysiker som holografi. I sitt arbete likställde Maldacena en teori till en annan i ett utrymme med en mindre rumslig dimension. Men Hertog argumenterar, principen om holografi tillåter teoretiker att jettison dimensionen av tiden, istället. Så i Hawkings och Hertogs teori, genom holografiprincipen, bör det mycket tidiga universum beskrivas av en teori med bara tre rumsliga dimensioner och ingen tid.

men varför skulle du vilja bli av med tiden?,

ända sedan det blev klart att universum hade en början, har födelsetiden varit huvudvärk för teoretiker. Grovt sett gör Einsteins allmänna relativitetsteori ett bra jobb att förklara saker efter big bang-ögonblicket, men kan inte hantera själva skapelsens ögonblick. Det ögonblicket bildar en ”singularitet” i rymdtid—som en matematisk funktion som exploderar till oändligheten—som reser upp teorin. Så teoretiker har länge sökt ett sätt att undvika den singulariteten—och att förlora tid skulle vara ett sätt att göra det.,

det är ett problem som fascinerade Hawking hela sin karriär, säger Hertog. För årtionden sedan föreslog han en alternativ fix genom att spekulera att i början var tiden, grovt sett, dimensionell, en idé som inte stämmer överens med det nya arbetet.

så är det här slutet för evig inflation och big bang singularity?

förmodligen inte. Andra kommer att granska Hawkings och Hertogs anrop av den dimensionsförändrande relationen. Och även om andra forskare tycker att det är bra, finns det fortfarande en stor fråga som ska besvaras, erkänner Hertog., Om teoretiker börjar med en teori med endast rumsliga dimensioner, hur kommer tiden äntligen ut ur den? ”Vi kastade ut ett nytt paradigm”, säger Hertog, ” men det finns mycket arbete att göra.”

*korrigering, 3 maj, 10: 00: denna berättelse har uppdaterats för att korrigera namnet på Institutet för avancerad studie.