Neseniai pagrindinė Stepheno Hawkingo mintis - kad visata galėjo atsirasti iš nieko - buvo užginčyta, o kosmologai turėjo pasirinkti, kurią pusę pasirinkti. Po dvejų metų konfrontacijos mokslininkai sutarė, kad jų skirtumai lemia skirtingą požiūrį į tai, kaip veikia gamta. Draugiškos diskusijos padėjo išsaugoti Hawkingo idėjos vertę.
1981 m. Daugelis žymiausių pasaulio kosmologų susirinko į Popiežiškąją mokslų akademiją, kurioje įvyko mokslo ir teologijos susiliejimas, įsikūręs elegantiškoje Vatikano sodų viloje. Stephenas Hawkingas pasirinko rugpjūčio dieną pristatyti tai, ką vėliau pavadins savo svarbiausia idėja: hipoteze, kad Visata galėjo atsirasti iš nieko.
- „Salik.biz“
Prieš Hawkingo kalbą visi kosmologinės kilmės moksliniai ar teologiniai pasakojimai buvo priekaištaujantys: „Kas nutiko prieš tai?“Pavyzdžiui, Didžiojo sprogimo teorija, pirmą kartą pasiūlyta prieš 50 metų prieš belgų fiziko ir katalikų kunigo Georgeso Lemaître'io, kuris vėliau ėjo Vatikano mokslų akademijos prezidento pareigas, Hawkingo paskaitą, sako, kad prieš pradedant plėtrą Visata buvo karštas, tankus pluoštas energijos … Bet iš kur atsirado pirminė energija?
Didžiojo sprogimo teorija turėjo ir kitų trūkumų. Fizikai suprato, kad besiplečiantis energijos pluoštas greičiau virsta kažkuo sutraiškytu ir chaotišku, o ne didžiuliu lygiu kosmosu, kurį pastebi šiuolaikiniai astronomai. 1980 m., Likus metams iki Hawkingo kalbos, kosmologas Alanas Gutas suprato, kad Didžiojo sprogimo netikslumus galima ištaisyti nedideliu papildymu: pradiniu, eksponentiniu augimo smaigaliu, žinomu kaip kosminė infliacija, kuri pavers Visatą didžiulę, lygią ir plokščią. prieš tai gravitacija galėtų jį sunaikinti. Infliacija greitai tapo pagrindine mūsų kosmoso kilmės teorija. Ir vis dėlto liko klausimas, kokios buvo pradinės sąlygos: iš kur ta maža dėmė, kuri tariamai įbrido į mūsų visatą, ir kokia potenciali energija ją išskleidė?
Puikusis Hawkingas rado būdą nutraukti nesibaigiantį bandymą dar labiau pažvelgti į praeitį: jis padarė prielaidą, kad pabaigos ar pradžios iš viso nėra. Remiantis Vatikano konferencijos protokolu, Kembridžo fizikas, kuriam tada buvo 39 metai ir kuris dar galėjo kalbėti savo balsu, klausytojams sakė: „Visatos pakraštyje turi būti kažkas ypatingo, o kas gali būti ypatingesni. valstybė, kurioje nėra sienos? “
Hawkingas ir Jamesas Hartle'as, su kuriais jie dažnai dirbo kartu, 1983 m. Dokumente galutinai suformulavo savo „neribotą hipotezę“, kur jie pasiūlė, kad erdvė būtų tarsi „shuttlecock“forma. Lygiai taip pat, kaip šašlyko skersmuo žemiausiame taške yra lygus nuliui ir palaipsniui plečiasi aukštyn, visata, remiantis hipoteze, kad nėra ribų, sklandžiai plečiasi nuo nulio dydžio taško. Hartle'as ir Hawkingas sugalvojo formulę, apibūdinančią visą šaudyklę - vadinamąją „Visatos bangos funkciją“, apimančią visą praeitį, dabartį ir ateitį - todėl beprasmiška ieškoti kūrybos ištakų, kūrėjo ar bet kokio perėjimo iš vienos valstybės į kitą praeityje.
„Remiantis hipoteze apie ribų nebuvimą, nėra prasmės kelti klausimo, kas nutiko prieš Didįjį sprogimą, nes nėra laiko sąvokos, kuri galėtų tapti atskaitos tašku“, - teigė Hawkingas per kitą 2016 m. Popiežiškosios akademijos paskaitą, praėjus pusantrų metų. iki jo mirties. "Tai panašu į klausimą, kas yra į pietus nuo Pietų ašigalio."
Hartle'o-Hawkingo hipotezė radikaliai pakeitė laiko sąvoką. Kiekviena visatos akimirka virto šašlyko skerspjūviu; Nors mes suvokiame visatą besiplečiančią ir besikeičiančią nuo vienos akimirkos iki kitos, laiką iš tikrųjų sudaro koreliacijos tarp visatos dydžio kiekviename skyriuje ir kitų savybių - ypač jos entropijos ar sutrikimo. Entropija didėja nuo kamštienos iki plunksnų, nukreipdama į kylančią laiko strėlę. Tačiau arčiau užapvalinto šaudyklos dugno koreliacijos nėra tokios patikimos; laikas nustoja egzistuoti ir yra pakeistas gryna erdve. Kalifornijos Santa Barbaros universiteto profesorius, dabar 79 m., Hartle'as neseniai telefoniniame pokalbyje komentavo: „Ankstyviausioje visatoje nebuvo paukščių; vėliau pasirodė paukščiai. Ankstyvojoje visatoje nebuvo laikoir tada atsirado laikas “.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Nekontroliuojama hipotezė žavėjo ir įkvėpė fizikus beveik keturiasdešimt metų. „Tai stulbinančiai graži ir provokuojanti idėja“, - teigė Neilas Turokas, Kanados Teorinės fizikos perimetro instituto Vaterlo kosmologas ir buvęs Hawkingo bendradarbis. Hipotezė buvo pirmasis kosminio kvantinio aprašymo projektas - Visatos bangos funkcija. Netrukus atsirado visa mokslo sritis, kvantinė kosmologija, ir įvairūs tyrinėtojai ėmė siūlyti alternatyvias idėjas, kaip visata galėjo atsirasti iš nieko, išanalizavo įvairias prognozes ir būdus, kaip išbandyti šias teorijas, aiškinosi jų filosofinius padarinius. Begalinės bangos funkcija „tam tikra prasme buvo paprasčiausias to paaiškinimas“, - teigė Hartle'as.
Tačiau prieš dvejus metus Turoko, Job Feldbrugge iš Perimetro instituto ir Jean-Luc Lehners iš Maxo Plancko gravitacinės fizikos instituto Vokietijoje straipsnis užginčijo Hartle'o-Hawkingo hipotezę. Ši hipotezė, be abejo, yra perspektyvi tik tuo atveju, jei visata, kylanti iš be dimensijos taško, kaip Hartle'as ir Hawkingas įsivaizdavo, natūraliai perauga į tokią visatą kaip mūsų. Hawkingas ir Hartlas teigė, kad taip yra iš tikrųjų: visatos be sienų greičiausiai bus didžiulės, neįtikėtinai lygios, įspūdingai plokščios ir besiplečiančios, kaip ir pats kosmosas. „Stepono ir Jimo požiūrio problema yra ta, kad jis buvo dviprasmiškas“, - sakė Turokas, „labai dviprasmiškas“.
2017 m. „Physical Review Letters“straipsnyje Turokas ir jo bendraautoriai priartėjo prie Hartle'io-Hawkingo hipotezės be ribų naujais matematiniais metodais, kurie, jų manymu, daro jo prognozes daug konkretesnes. nei anksčiau. „Mes nustatėme, kad jis nepavyko apgailėtinai“, - sakė Turokas. "Kalbant apie kvantinę mechaniką, Visata tiesiog negalėjo pasirodyti tokia, kokią jie įsivaizdavo." Trys mokslininkai kruopščiai patikrino skaičiavimus ir pirminius duomenis prieš juos paviešindami, tačiau, „deja“, sakė Turokas, „Hartle-Hawkingo pasiūlymas atrodė neišvengiamas.
Dėl šio straipsnio kilo ginčai. Kiti ekspertai karštai palaikė ribų nebuvimo idėją ir paneigė Turoko bei jo kolegų argumentus. „Mes nesutinkame su jo techniniais argumentais“, - teigė Belgijos Leuveno katalikiškojo universiteto fizikas Thomas Hertog, kuris pastaruosius 20 savo gyvenimo metų glaudžiai bendradarbiavo su Hawkingu. „Bet, dar svarbiau, mes taip pat nesutinkame su jo apibrėžimu, jo koncepcija, metodologija. Tai yra tai, ko pirmiausia norėtume ginčytis “.
Po dvejų metų konfrontacijos mokslininkų grupės sutarė, kad jų skirtumai lemia skirtingą požiūrį į gamtos veikimą. Karštos, bet kartu ir draugiškos diskusijos padėjo išsaugoti idėją, kuri jaudino Hawkingą. Net jų kritikai su Hartlu dėl specialios formulės, įskaitant Turoką ir Lehnerį, kuria konkuruojančius kvantinius kosmologinius modelius, bandydami išvengti tariamų originalo spąstų, išlaikydami begalybės idėjos žavesį.
Kosminių malonumų sodas
Nuo aštuntojo dešimtmečio Hartle'as ir Hawkingas dažnai susitikinėjo, dažniausiai, kai ilgą laiką bendradarbiavo Kembridže. Teoriniai juodųjų skylių tyrimai ir paslaptingi išskirtinumai jų centruose privertė juos atsigręžti į mūsų visatos kilmės klausimą.
1915 m. Albertas Einšteinas atrado, kad materijos ar energijos koncentracijos deformuoja erdvėlaikio audinį ir sukuria gravitaciją. Septintajame dešimtmetyje Hawkingo ir Oksfordo universiteto fizikas Rogeris Penrose'as įrodė, kad kai erdvėlaikis pakankamai staigiai pasilenkia, pavyzdžiui, juodosios skylės viduje ar galbūt Didžiojo sprogimo metu, jis neišvengiamai griūva, be galo staigiai lenkdamasis į išskirtinumo pusė, kurioje Einšteino lygtys neveikia ir reikalinga nauja kvantinė gravitacijos teorija. Penrose'o-Hawkingo singuliarumo teoremos sako, kad erdvės laikas negali atsirasti sklandžiai, netvirtai vienoje vietoje.
Taigi, Hawkingas ir Hartlas apmąstė galimybę, kad Visata atsirado kaip gryna erdvė, o ne kaip dinamiškas erdvės laikas. Ir tai paskatino juos sukurti šašlykinės geometrijos idėją. Jie apibrėžė beribę bangų funkciją, apibūdindami tokią visatą, naudodamiesi metodu, kurį išrado Hawkingo stabų fizikas Richardas Feynmanas. 4-ajame dešimtmetyje Feynmanas sukūrė schemą, skirtą apskaičiuoti labiausiai tikėtinus kvantinių mechaninių įvykių rezultatus. Feynmanas nustatė, kad, tarkime, norint numatyti greičiausias dalelių susidūrimo pasekmes, būtų galima apibendrinti visus įmanomus kelius, kuriais galėtų judėti susiduriančios dalelės, tiesiems keliams suteikiant didesnę reikšmę nei kreiviems keliams. Apskaičiavus šį „kelio integralą“, gaunama bangos funkcija: tikimybės pasiskirstymas,nurodant įvairias galimas dalelių būsenas po susidūrimo.
Taip pat Hartle'as ir Hawkingas aprašė Visatos bangos funkciją - apibūdindami jos tikėtinas būsenas - kaip visų galimų kelių, kuriais ji galėtų sklandžiai plėstis iš taško, sumą. Jie tikėjosi, kad visų įmanomų „išsiplėtimo istorijų“, visų formų ir dydžių glotnaus dugno, suma sukuria bangos funkciją, kuri greičiausiai sukurs tokią didžiulę, lygią, plokščią visatą kaip mūsų. Jei visų galimų išsiplėtimo istorijų svertinė suma yra greičiausiai kitos rūšies visatos rezultatas, hipotezė be ribų yra nenuosekli.
Problema ta, kad integralas per visas įmanomas išplėtimo istorijas yra per daug sudėtingas, kad būtų galima tiksliai apskaičiuoti. Yra daugybė visatų formų ir dydžių variantų, ir kiekviena iš jų gali pasirodyti labai paini istorija. - Murray Gell-Mann manęs paklausė, - sakė Hartle'as apie velionį Nobelio premijos laureatą fiziką, - jei žinai visatos bangos funkciją, kodėl tu nepraturtėjai? Žinoma, norėdami iš tikrųjų surasti bangos funkciją Feynmano metodu, Hartlas ir Hawkingas turėjo radikaliai supaprastinti situaciją, nepaisydami net specifinių dalelių, gyvenančių mūsų pasaulyje (o tai reiškė, kad jų formulė labai nutolo nuo akcijų rinkų numatymo). Jie tikėjo, kad trajektorija yra neatsiejama visų įmanomų žaislų visatų „mini superspace“,y., visų visatų visuma, kai pro jas eina vienas energijos laukas: energija, kuri skatino kosminę infliaciją. („Hartle-Hawking“šaudyklose šis pradinis išsiplėtimo laikotarpis atitinka greitą skersmens padidėjimą kištuko dugne.)
Net minisperspace erdvę sunku tiksliai apskaičiuoti, tačiau fizikai žino, kad yra dvi galimos išplėtimo istorijos, kurios galėtų būti labiausiai tikėtini šių skaičiavimų rezultatai. Šios konkuruojančios visatos formos atitinka dvi dabartinių diskusijų puses.
Šios dvi konkuruojančios teorijos atspindi dvi „klasikines“istorijas apie visatos plėtimąsi, kuris galėjo įvykti. Po pradinio nulinio kosminės infliacijos sprogimo, šios visatos nuolat plečiasi pagal Einšteino gravitacijos ir erdvėlaikio teoriją. Sudėtingesnės išsiplėtimo istorijos, tokios kaip futbolo kamuolys ir vikšrų visatos, daugiausia neigiamos kvantinio skaičiavimo būdu.
Vienas iš dviejų klasikinių sprendimų primena mūsų visatą. Didesniu mastu jis yra lygus, o energija yra atsitiktinai išsklaidyta visame jame dėl kvantinių svyravimų infliacijos metu. Kaip ir realioje visatoje, tankio skirtumai tarp skirtingų jos regionų sudaro Gauso kreivę, artimą nuliui. Jei šis įmanomas sprendimas iš tiesų yra pats patikimiausias, kai apskaičiuojama mažosios erdvės bangos funkcija, galima įsivaizduoti, kad daug išsamesnė ir tikslesnė begalinės bangos funkcijos versija galėtų būti tinkamas realios visatos kosmologinis modelis.
Kita potencialiai dominuojanti visatos forma visiškai nepanaši į tikrąją. Jai plečiantis, energija, kuri ją užpildo, kinta vis ryškiau ir ryškiau, sukuriant didžiulius tankio gradientus iš vienos vietos į kitą, o gravitacija nuolat didėja. Tankio pokyčiai sudaro apverstą Gauso kreivę, kur skirtumai tarp regionų artėja prie begalybės, o ne prie nulio. Jei tai yra dominuojanti sąvoka begalinėje mažosios erdvės bangos funkcijoje, tada Hartle-Hawkingo pasiūlymas gali atrodyti neteisingas.
Dvi dominuojančios plėtimosi istorijos verčia mus pasirinkti, kaip turėtų būti atliekamas kelio integralas. Jei dominuojančios istorijos yra dvi vietos žemėlapyje, megacitai visų galimų kvantinių mechaninių visatų srityje, kyla klausimas, kokią trajektoriją turėtume žengti per šias žemes. Kokią dominuojančią plėtros istoriją ir kuri gali būti tik viena, turėtų pasirinkti mūsų „integracijos kontūras“? Tyrėjai jau nugludino skirtingus kelius.
2017 m. Straipsnyje „Turok“, „Feldbrugge“ir „Lehner“pasirinko kelią per galimų išsiplėtimo istorijų sodą, kuris paskatino juos priimti antrą dominuojantį sprendimą. Jų nuomone, vienintelis protingas kontūras yra tas, kuris žvelgia į tikrąsias reikšmes (o ne į įsivaizduojamas vertes, kurios apima neigiamų skaičių kvadratines šaknis), skirtas kintamajam, vadinamam „tarpais“. Iš esmės tarpai yra kiekvienos galimos šaudyklinės visatos aukštis, atstumas, kuriuo ji pasiekia tam tikrą skersmenį. Kadangi nuokrypis neturi pradinio taško, jis neatitinka mūsų supratimo apie laiką. Nepaisant to, Turokas ir jo kolegos savo samprotavimuose iš dalies nurodo priežastinį ryšį teigdami, kad fizinės reikšmės turi tik tikras intervalo reikšmes. Apibendrinimas visatomis su tikromis šio kintamojo vertėmis lemia sprendimą, kuris yra labai nestabilus ir beprasmis fizikos požiūriu.
„Žmonės labai vertina Steveno intuiciją“, - telefonu sakė Turokas. „Dėl akivaizdžių priežasčių - turiu omenyje, kad jis turbūt turėjo geriausią intuiciją šiais klausimais. Bet jis ne visada buvo teisus “.
Įsivaizduojami pasauliai
Jonathanas Halliwellas, Londono „Imperial“koledžo fizikas, tyrė hipotezę be ribų, nes 1980 m. Jis studijavo kartu su Hawkingu. Kartu su Hartlu jie analizavo 1990 m. Integracijos kontūro klausimą. Jų požiūriu, taip pat Hertogo ir, matyt, Hawkingo požiūriu, kontūras nėra esminis, veikiau matematikos priemonė, teikianti daugiausiai naudos. Panašiai planetos aplink Saulę trajektorija gali būti matematiškai pavaizduota kaip kampų seka, kaip kartų seka arba kaip bet kuris kitas patogus parametras. „Šį parametrų vertinimą galite atlikti įvairiais būdais, tačiau nė vienas iš jų nėra fiziškesnis už kitą“, - teigė Halliwellas.
Jis ir jo kolegos tvirtina, kad minisuperspace erdvės prasmė yra tik kontūrai, fiksuojantys teisingą išplėtimo istoriją. Kvantinė mechanika reikalauja, kad tikimybė būtų sudėti iki 1 arba būti „normalizuojama“, tačiau labai nestabili visata, į kurią atėjo Turoko komanda, nėra. Šis sprendimas yra beprasmis, kenčia nuo begalybės ir nepaklūsta kvantiniams dėsniams - pasak neribotos hipotezės šalininkų, tai aiškiai rodo poreikį eiti kitu keliu.
Tiesa, kad kontūrai, einantys per teisingą sprendimą, galimas visatas susumuoja su įsivaizduojamomis jų kintamųjų reikšmėmis. Tačiau tik Turokas ir įmonė nedaugelis laiko šią problemą. Įsivaizduojami skaičiai persveria kvantinę mechaniką. „Hartle-Hawking“komandos kritikai cituoja klaidingą priežastingumo suvokimą reikalaudami, kad „intervalas“būtų tikras. „Tai principas, kurio neįsakė dangus ir su kuriuo mes visiškai nesutinkame“, - sako Hertog.
Hertog sako, kad Hawkingas pastaraisiais metais retai minėjo vientisą begalinės bangos funkcijos kelią, iš dalies dėl neaiškumų renkantis kontūrą. Į normalizuotą plėtimosi istoriją, kuri neseniai buvo atrasta naudojant vientisą kelią, jis žiūrėjo kaip į fundamentalesnės visatos lygties sprendimą, kurį septintajame dešimtmetyje pateikė fizikai Johnas Wheeleris ir Bryce'as DeWittas. Wheeleris ir DeWittas, apmąstę šį klausimą, sustodami tarptautiniame Raleigh-Durham oro uoste, teigė, kad visatos bangų funkcija, kad ir kokia ji būtų, negali būti priklausoma nuo laiko, nes nėra išorinio laikrodžio, kuriuo ji galėtų būti išmatuoti. Todėl energijos kiekis Visatoje, sudėjus teigiamą ir neigiamą materijos ir gravitacijos indėlius, visada turi likti lygus nuliui. Neapribotos bangos funkcija tenkina „Wheeler-DeWitt“lygtį mažiausioje erdvėje.
Paskutiniaisiais Hawkingo gyvenimo metais jis ir jo bendradarbiai pradėjo naudoti holografiją - naują blokinis bandymas, kuris erdvės laiką laiko holograma, kad geriau suprastų visos bangos funkciją. Hawkingas siekė holografinio visatos aprašymo šaudyklės pavidalu, kuriame visos praeities geometrija būtų projektuojama iš dabarties.
Šios pastangos tęsiamos, kai Hawkingo nėra. Tačiau turkas šį pabrėžiamąjį poslinkį mato kaip taisyklių pakeitimą. Anot jo, atsisakydami suformuluoti kelio integralą, modelio be ribų šalininkai jį suprato prasčiau. Jo manymu, tai, ką jie studijuoja, nebėra Hartle-Hawkingo modelis, nors pats Hartlas su tuo nesutinka.
Per pastaruosius metus „Turok“ir jo kolegos Perimetro institute Latham Boyle'as ir Kieran Finn'as kūrė naują kosmologinį modelį, kuris turi daug bendro su modeliu be sienų. Bet vietoj vieno šaudyklės jį sudaro du smėlio laikrodžio formos kamščiai, kuriuose laikas teka į abi puses. Nors modelis dar nėra pakankamai išplėtotas nieko numatyti, jo grožis slypi tame, kad jo žiedlapiai įgyvendina CPT simetriją, matyt, pagrindinį gamtos veidrodį, kuris tuo pačiu atspindi materiją ir antimateriją, kairę ir dešinę, taip pat judėjimą į priekį ir Atgal laiku. Vienas iš jo trūkumų yra tas, kad Visatos veidrodinio vaizdo žiedlapiai atsiranda atskirai, erdvės metu,kuriam reikia suprasti nežinomą kvantinę gravitacijos teoriją. Boyle'as, Finnas ir Turokas lažinasi dėl išskirtinumo, tačiau šis bandymas yra spekuliatyvus.
Taip pat vėl kyla susidomėjimas „tunelio modeliu“, alternatyviu požiūriu į visatos kilmę iš nieko, kurį devintajame dešimtmetyje sukūrė nepriklausomi Rusijos ir Amerikos kosmologai Aleksandras Vilenkinas ir Andrejus Linde. Modelis, kuris nuo begalinės bangos funkcijos skiriasi daugiausia minuso ženklu, Visatos gimimą laiko kvantinio mechaninio „tuneliavimo“įvykiu, panašiu į atvejį, kai dalelė kvantiniame mechaniniame eksperimente plūduriuoja už barjero.
Kyla daug klausimų, kaip įvairūs modeliai yra susiję su antropologiniais samprotavimais ir liūdnai pagarsėjusia daugialypės idėjos idėja. Pavyzdžiui, begalinės bangos funkcija palaiko tuščias visatas, o didžiulė sudėtinga visata reikalauja didelių medžiagų ir energijos kiekių. Hawkingas tvirtino, kad didžiulis galimų visatų, tinkamų bangos funkcijai, diapazonas turi būti realizuotas didesnėje daugialypėje erdvėje, kurios viduje galės stebėti tik tokias sudėtingas visatas, kokias turi mūsiškiai. (Naujausi ginčai sukasi apie klausimą, ar šios sudėtingos gyvenamosios visatos bus lygios, ar labai svyruojančios.) Tuneliavimo modelio pranašumas yra tas, kad jis teikia pirmenybę visatoms, užpildytoms materija ir energija.kaip ir mūsų, nereikia kreiptis į antropologinius samprotavimus - nors visatoms, tuningoms egzistavimui, gali kilti ir kitų problemų.
Kad ir kas nutiktų, galbūt išliks tam tikra paveikslo esmė, pirmą kartą nutapyta Hawkingo Popiežiškojoje mokslų akademijoje prieš 38 metus. Arba galbūt vietoj tokio nepradėjimo, kaip Pietų ašigalis, Visata atsirado dėl išskirtinumo, todėl reikalinga kažkokia visiškai kitokia bangos funkcija. Bet kokiu atveju paieška bus tęsiama. "Jei mes kalbame apie kvantinės mechanikos teoriją, ką dar galima rasti be bangos funkcijos?" paklausė garsaus teorinio fiziko iš Maldyvų pažangių studijų instituto, esančio Prinstono valstijoje, Naujajame Džersyje, Juan Maldacena, kuris beveik atsiribojo nuo naujausių ginčų. Anot Maldačenos, kuri, beje, yra Popiežiškosios akademijos narė, visatos bangos funkcijos klausimas yra „teisingas klausimas“. „Ar randame teisingą bangos funkciją,ar kaip mes turėtume įsivaizduoti bangos funkciją, jau nėra taip aišku “.
Natalie Wolchover