Nedavno je dovedena u pitanje glavna ideja Stephena Hawkinga - da svemir može nastati iz ničega - i kozmolozi su morali izabrati na koju će se stranu zauzeti. Nakon dvije godine sučeljavanja, znanstvenici su se složili da se njihove razlike svode na različite poglede na to kako priroda djeluje. Prijateljska rasprava pomogla je očuvanju vrijednosti Hawkingove ideje.
1981. godine mnogi se vodeći svjetski kozmolozi okupili na Papinskoj akademiji znanosti koja je bila svjedok znanosti i teologije i smještena je u elegantnoj vili u vatikanskim vrtovima. Stephen Hawking izabrao je dan August kako bi predstavio ono što će kasnije nazvati svojom najvažnijom idejom: hipotezu da je svemir mogao nastati iz ničega.
Prije Hawkingova govora, sve priče kozmološkog podrijetla, znanstvene ili teološke, bile su prigovorne: "Što se dogodilo prije toga?" Primjerice, teorija Velikog praska - prva predložena 50 godina prije Hawkingovog predavanja belgijskog fizičara i katoličkog svećenika Georgesa Lemaître, koji je kasnije obnašao dužnost predsjednika Vatikanske akademije znanosti - kaže da je prije širenja svemir bio vrući, gusti snop energije … Ali odakle dolazi izvorna energija?
Teorija Velikog praska imala je i drugih mana. Fizičari su razumjeli da će se širi snop energije radije pretvoriti u nešto zgužvano i kaotično, nego u ogromni glatki prostor koji moderni astronomi promatraju. Godine 1980., godinu dana prije Hawkingovog govora, kozmolog Alan Guth shvatio je da se netočnosti Velikog praska mogu ispraviti malim dodatkom: početnim, eksponencijalnim skokom rasta poznat kao kozmička inflacija koja će učiniti svemir ogromnim, glatkim i ravnim. prije nego što ga je gravitacija mogla uništiti. Inflacija je brzo postala vodeća teorija o nastanku našeg kozmosa. Pa ipak, ostalo je pitanje koji su bili početni uvjeti: odakle maleno mjesto koje je, navodno, ušlo u naš svemir, i potencijalna energija koja ga je proširila?
Veličanstveni Hawking pronašao je način kako zaustaviti beskrajne pokušaje da još više pogleda u prošlost: pretpostavio je da uopće nema kraja ni početka. Prema zapisnicima sa konferencije u Vatikanu, fizičar iz Cambridgea, tada star 39 godina i koji je još mogao govoriti vlastitim glasom, rekao je prisutnima: „U rubu svemira mora postojati nešto posebno, a što bi moglo biti posebnije od toga. država u kojoj nema granice?"
Hawking i James Hartle, s kojima su često radili zajedno, konačno su formulirali svoju "hipotezu bez granica" u svom radu iz 1983. godine, u kojem su sugerirali da je prostor oblikovan poput kapi. Baš kao što jarac ima promjer nula u svojoj najnižoj točki i postupno se širi duž puta prema gore, svemir se, prema hipotezi o nepostojanju granica, glatko širi od nulte veličine. Hartle i Hawking smislili su formulu koja opisuje cjelokupni shuttlecock - takozvanu "valnu funkciju svemira" koja obuhvaća cjelokupnu prošlost, sadašnjost i budućnost - čineći besmislenim traganje za izvorima stvaranja, stvaraoca ili bilo kakvim prijelazom iz jedne države u drugu u prošlosti.
"U skladu s hipotezom o nepostojanju granica, nema smisla postavljati pitanje što se dogodilo prije Velikog praska, jer ne postoji koncept vremena koji bi mogao postati polazna točka", rekao je Hawking tijekom drugog predavanja na Papinskoj akademiji 2016. godine i pol prije njegove smrti. "To je poput pitati što je južno od Južnog pola."
Hartle-Hawkingova hipoteza radikalno je revidirala koncept vremena. Svaki je trenutak u svemiru postao presjek jastreba; dok mi percipiramo svemir kao da se širi i razvija iz trenutka u drugi, vrijeme se zapravo sastoji od korelacije između veličine svemira u svakom odjeljku i ostalih svojstava - posebno njegove entropije ili poremećaja. Entropija se povećava od plute do perja, ciljajući strelicu u nastajanju. Međutim, blizu zaobljenog dna šatla, korelacije su manje pouzdane; vrijeme prestaje postojati i zamjenjuje ga čistim prostorom. Hartle, profesor sa Kalifornijskog sveučilišta u Santa Barbari, koji sada ima 79 godina, nedavno je u telefonskom razgovoru komentirao: "U najranijem svemiru nije bilo ptica; naknadno su se pojavile ptice. U ranom svemiru nije bilo vremenaa onda se pojavilo vrijeme."
Promotivni video:
Hipoteza bez granica fascinirala je i inspirirala fizičare gotovo četrdeset godina. „To je zapanjujuće lijepa i provokativna ideja“, rekao je Neil Turok, kozmolog iz Kanadskog instituta za teoretsku fiziku Perimetra u Waterlouu i bivši Hawkingov suradnik. Hipoteza je prvi nacrt kvantnog opisa kozmosa - valne funkcije svemira. Ubrzo se pojavilo čitavo polje znanosti, kvantna kozmologija, a razni istraživači počeli su nuditi alternativne ideje o tome kako svemir može proizaći iz ničega, analizirali su različita predviđanja i načine ispitivanja ovih teorija i interpretirali njihove filozofske implikacije. Beskonačna valna funkcija "bila je na neki način najjednostavnije objašnjenje za to", rekao je Hartle.
No prije dvije godine, članak Turoka, Joba Feldbruggea s Perimetarskog instituta i Jean-Luca Lehnersa s Instituta Max Planck za gravitacijsku fiziku u Njemačkoj osporio je hipotezu Hartle-Hawkinga. Ta je hipoteza, naravno, održiva samo ako svemir koji izlazi iz bezdimenzijske točke, kao što su predviđali Hartle i Hawking, prirodno preraste u svemir poput našeg. Hawking i Hartl su tvrdili da je to doista tako: svemiri bez granica vjerojatno će biti ogromni, nevjerojatno glatki, impresivno ravni i širi se, baš kao i sam kozmos. "Problem sa Stephenovim i Jimovim pristupom je taj što je on bio dvosmislen", rekao je Turok, "duboko dvosmislen."
U članku iz 2017. u časopisima Physical Review Letters, Turok i njegovi koautori pristupili su Hartle-Hawkingovoj hipotezi bez granica s novim matematičkim metodama za koje vjeruju da njegova predviđanja čine mnogo preciznijim. nego prije. "Otkrili smo da je bijedno propao", rekao je Turok. "U pogledu kvantne mehanike, svemir se jednostavno ne bi mogao pojaviti onako kako su zamislili." Trojica znanstvenika pažljivo su provjerili proračune i izvorne podatke prije nego što su ih objavili, ali "nažalost", rekao je Turok, "činilo se neizbježnim da je Hartle-Hawkingov prijedlog neprikladan."
Kontroverza je izbila oko ovog članka. Ostali su stručnjaci žestoko podržavali ideju o granici i odbacili argumente Turoka i njegovih kolega. "Ne slažemo se s njegovim tehničkim argumentima", rekao je Thomas Hertog, fizičar Katoličkog sveučilišta u Leuvenu u Belgiji, koji je usko surađivao s Hawkingom posljednjih 20 godina njegova života. „Ali što je još važnije, također se ne slažemo s njegovom definicijom, konceptom i metodologijom. S ovim bismo prvo željeli osporiti “.
Nakon dvije godine suočavanja, skupine znanstvenika složile su se da se njihove razlike svode na različite poglede na to kako priroda djeluje. Vruća, ali istodobno prijateljska rasprava pomogla je očuvanju vrijednosti ideje koja je uzbudila Hawkinga. Čak i njihovi kritičari s Hartlom posebne formule, uključujući Turok i Lehnera, razvijaju konkurentne kvantno-kozmološke modele, pokušavajući izbjeći navodne zamke izvornika, zadržavajući šarm ideje beskonačnosti.
Vrt kozmičkih užitaka
Od 1970-ih Hartle i Hawking često su se susretali, obično kad su imali dugo suradnje u Cambridgeu. Teoretske studije crnih rupa i tajanstvenih posebnosti u njihovim središtima prisile su ih da se okrenu pitanju podrijetla našeg svemira.
Godine 1915. Albert Einstein otkrio je da koncentracije materije ili energije deformiraju tkivo svemira, stvarajući gravitaciju. Šezdesetih godina, fizičar sa Sveučilišta Hawking i Oxford Roger Penrose dokazao je da se, kada se prostorno vrijeme dovoljno naglo sagne, na primjer, unutar crne rupe ili možda tijekom Velikog praska, neizbježno propada, naglo se beskrajno savijajući u strane singularnosti, gdje Einsteinove jednadžbe ne djeluju i potrebna je nova, kvantna teorija gravitacije. Penrose-Hawkingove teoreme o singularnosti kažu da prostor-vrijeme u jednom trenutku ne može nastajati glatko, neskladno.
Tako su Hawking i Hartl razmišljali o mogućnosti da je svemir nastao kao čisti prostor, a ne kao dinamični prostor-vrijeme. I to ih je dovelo do ideje o geometriji shuttlecocka. Definirali su bezgraničnu valnu funkciju za opisivanje takvog svemira primjenom pristupa kojeg je izumio Hawkingov idolski fizičar Richard Feynman. U četrdesetima Feynman razvio je shemu za izračunavanje najvjerojatnijih ishoda kvantnih mehaničkih događaja. Feynman je otkrio da je, recimo, da se predvidi najvjerojatniji ishod sudara čestica, mogao sažeti sve moguće staze kojima bi se čestice sudara mogle probiti, dajući ravnim putovima važniji od krivudavih staza. Izračunavanje ovog "integral puta" daje valnu funkciju: distribuciju vjerojatnosti,ukazujući na različita moguća stanja čestica nakon sudara.
Isto tako, Hartle i Hawking prikazali su valnu funkciju svemira - opisujući njegova vjerojatna stanja - kao zbroj svih mogućih staza kojima se mogao nesmetano proširiti s točke. Nadali su se da će zbroj svih mogućih "priča o proširenju", univerzuma sa glatkim dnom svih oblika i veličina, stvoriti valnu funkciju koja će vjerojatno stvoriti ogroman, gladak, ravan svemir poput našeg. Ako je ponderirani zbroj svih mogućih povijesti ekspanzije najvjerojatniji ishod neke druge vrste svemira, bezgranična hipoteza nije konzistentna.
Problem je što je integral za sve moguće povijesti ekspanzije previše složen da bi se mogao precizno izračunati. Postoji bezbroj varijacija oblika i veličina svemira, a svaki od njih može se pokazati vrlo zbunjujućom pričom. "Murray Gell-Mann me je pitao", rekao je Hartle, pokojni fizičar pokojne Nobelove nagrade, "ako znate valnu funkciju svemira, zašto se niste obogatili?" Naravno, da bi zapravo pronašli valnu funkciju pomoću Feynmanove metode, Hartl i Hawking morali su radikalno pojednostaviti situaciju, zanemarujući čak i specifične čestice koje nastanjuju naš svijet (što je značilo da je njihova formula bila jako daleko od predviđanja burzi). Vjerovali su da je putanja sastavna za sve moguće igračke svemire u "mini-nadprostoru",to jest, u zbiru svih svemira s jednim energetskim poljem koje prolazi kroz njih: energijom koja potiče kozmičku inflaciju. (Kod jastuka Hartle-Hawking, ovo početno razdoblje širenja odgovara brzom povećanju promjera na dnu čepa.)
Čak je i minisuperspace teško točno izračunati, ali fizičari znaju da postoje dvije moguće povijesti ekspanzije koje bi mogle biti najvjerojatniji rezultati ovih izračuna. Ovi konkurentski oblici svemira odgovaraju dvije strane trenutne rasprave.
Te dvije konkurentske teorije predstavljaju dvije "klasične" priče o širenju svemira koje bi se moglo dogoditi. Nakon početnog praska kozmičke inflacije veličine nula, ti se svemiri neprestano šire u skladu s Einsteinovom teorijom gravitacije i prostora-vremena. Složenije ekspanzijske priče, poput nogometnih svemira i gusjenica, u velikoj mjeri negiraju kvantno računanje.
Jedno od dva klasična rješenja nalikuje našem svemiru. U većem je opsegu glatka, a energija se nasumično rasipa kroz kvantne fluktuacije tijekom inflacije. Kao iu stvarnom svemiru, razlike u gustoći između različitih regija formiraju Gaussovu krivulju blizu nule. Ako je ovo moguće rješenje doista najvjerojatnije prilikom izračuna valne funkcije za minisuperspace, zamisli se da bi mnogo detaljnija i točnija verzija beskonačne valne funkcije mogla poslužiti kao održivi kozmološki model stvarnog svemira.
Drugi potencijalno dominantan oblik svemira uopće nije poput stvarnog. Kako se širi, energija koja ju puni mijenja se sve oštrije, stvarajući ogromne gradijente gustoće s jednog mjesta na drugo, a gravitacija se neprestano povećava. Promjene gustoće tvore obrnutu Gaussovu krivulju, gdje se razlike između regija približavaju beskonačnosti, a ne nuli. Ako je ovo dominantan pojam u beskonačnoj valnoj funkciji za minisuperspace, prijedlog Hartle-Hawkinga može se činiti pogrešnim.
Dvije dominantne priče o ekspanziji prisiljavaju nas da odaberemo kako integralni put treba izvoditi. Ako su dominantne priče dvije lokacije na karti, megagradovi u carstvu svih mogućih kvantno mehaničkih svemira, pitanje je koju putanju trebamo proći kroz ove krajeve. Koju dominantnu povijest širenja, a može postojati samo jedna, treba odabrati "kontura integracije"? Istraživači su već prokrčili različite putove.
U članku iz 2017. godine Turok, Feldbrugge i Lehner krenuli su kroz vrt mogućih priča o proširenju što ih je dovelo do druge dominantne odluke. Prema njihovom mišljenju, jedina razumna kontura je ona koja gleda stvarne vrijednosti (za razliku od imaginarnih vrijednosti, koje uključuju kvadratne korijene negativnih brojeva) za varijablu koja se zove "razmak". U osnovi, razmak je visina svakog mogućeg svemira, s razmakom, udaljenost na kojoj doseže određeni promjer. Budući da odstupanje nema početnu točku, ne uklapa se u naše razumijevanje vremena. Unatoč tome, Turok i njegovi kolege dijelom se pozivaju na uzročnost, tvrdeći da fizička značenja imaju samo stvarne vrijednosti intervala. A zbrajanje preko svemira sa stvarnim vrijednostima ove varijable dovodi do rješenja vrlo nestabilnog i besmislenog s gledišta fizike.
"Ljudi daju veliku vrijednost Stevenovoj intuiciji", rekao je Turok preko telefona. "Iz očitih razloga - mislim, vjerojatno je imao najbolju intuiciju u tim stvarima. Ali nije uvijek bio u pravu."
Zamišljeni svjetovi
Jonathan Halliwell, fizičar na Imperial College Londonu, proučavao je hipotezu bez granica otkad je studirao s Hawkingom 1980-ih. Zajedno s Hartlom analizirali su pitanje konture integracije 1990. godine. Sa njihove točke gledišta, kao i sa Hertoginog i, po svemu sudeći, Hawkingovog putanja, kontura nije temeljna, već matematički alat koji pruža najviše koristi. Slično tome, putanja planeta oko Sunca može se matematički predstaviti kao niz kutova, kao niz puta ili kao bilo koji od nekoliko drugih prikladnih parametara. "Procjenu ovog parametra možete učiniti na mnogo načina, ali nijedan od njih nije više fizički od drugog", rekao je Halliwell.
On i njegove kolege tvrde da u slučaju minisuperspacea imaju smisla samo obrisi koji bilježe ispravnu priču o proširenju. Kvantna mehanika zahtijeva vjerojatnost zbrajanja 1 ili "normalizirati", ali vrlo nestabilan svemir u koji je došao Turokov tim nije. Ta je odluka besmislena, pati od beskonačnosti i ne pokorava se kvantnim zakonima - prema zagovornicima hipoteze bez granica to jasno ukazuje na potrebu da se krene drugim putem.
Točno je da konture koje prolaze kroz ispravno rješenje zbrajaju moguće svemire s imaginarnim vrijednostima njihovih varijabli. Ali osim Turoka i tvrtke, malo ih to smatra problemom. Zamišljeni brojevi prožimaju kvantnu mehaniku. Kritičari Hartle-Hawking tima navode pogrešno mišljenje o uzročnosti zahtijevajući da "interval" bude stvaran. "Ovo je princip koji nije naručeno od neba i s kojim se duboko ne slažemo", kaže Hertog.
Hertog kaže da je Hawking posljednjih godina rijetko spominjao integralni oblik puta beskonačne valne funkcije, dijelom zbog nejasnoća u izboru konture. Normaliziranu povijest ekspanzije, koja je nedavno otkrivena korištenjem integralnog puta, promatrao je kao rješenje za fundamentalniju jednadžbu svemira, koju su 1960. godine postavili fizičari John Wheeler i Bryce DeWitt. Wheeler i DeWitt, razmišljajući o ovom pitanju dok su se zaustavljali u međunarodnoj zračnoj luci Raleigh-Durham, tvrdili su da valna funkcija svemira, ma kakva god bila, ne može ovisiti o vremenu, jer ne postoji vanjski sat kojim bi on mogao biti mjera. Stoga količina energije u svemiru kada zbrojite pozitivne i negativne doprinose materije i gravitacije mora uvijek ostati jednaka nuli. Funkcija neograničenog vala zadovoljava Wheeler-DeWitt jednadžbu za minisuperspace.
U posljednjim godinama Hawkingova života, on i njegovi suradnici počeli su koristiti holografiju, novi blockbusterski pristup koji prostor-vrijeme promatra kao hologram, kako bi bolje razumio funkciju valova u cjelini. Hawking je tražio holografski opis svemira u obliku sakoa, u kojem bi se iz sadašnjosti projicirala geometrija cijele prošlosti.
Ovi napori se nastavljaju u Hawkingovom odsustvu. Ali Turk vidi ovaj pomak u naglašavanju kao promjenu pravila. Prema njegovim riječima, odbijajući formulirati integralnu stazu, pristalice modela bez granica učinile su ga slabo definiranim. Prema njegovom mišljenju, ono što oni proučavaju više nije Hartle-Hawkingov model, iako se sam Hartl s tim ne slaže.
Tijekom protekle godine, Turok i njegovi kolege s Instituta za perimetar Latham Boyle i Kieran Finn razvijali su novi kozmološki model koji ima mnogo toga zajedničkog s modelom bez granica. Ali umjesto jednog rukavca, sastoji se od dvije čepove u obliku sata, u kojima vrijeme teče u oba smjera. Iako model još nije dovoljno razvijen da bi mogao išta predvidjeti, njegova ljepota leži u činjenici da njegove latice ostvaruju CPT simetriju, naizgled temeljno prirodno ogledalo koje istovremeno odražava materiju i antimateriju, lijevo i desno, kao i naprijed i naprijed natrag u vremenu. Jedan od njegovih nedostataka je taj što se latice zrcalne slike svemira pojavljuju u jednini, u prostor-vremenu,što zahtijeva razumijevanje nepoznate kvantne teorije gravitacije. Boyle, Finn i Turok se klade na jedinstvenost, ali ovaj je pokušaj spekulativan.
Postoji i porast interesa za "model tuneliranja", alternativni koncept podrijetla svemira iz ničega, koji su u 1980-ima razvili neovisni rusko-američki kozmolozi Alexander Vilenkin i Andrei Linde. Model koji se od funkcije beskonačnog vala razlikuje uglavnom po znaku minus, rođenje svemira smatra kvantno mehaničkim događajem "tuneliranja", slično kao kad čestica lebdi iza barijere u kvantnom mehaničkom eksperimentu.
Mnogo je pitanja o tome kako se različiti modeli odnose na antropsko rasuđivanje i zloglasnu ideju multiverzuma. Na primjer, beskonačna valna funkcija favorizira prazne svemire, dok ogroman složeni svemir zahtijeva značajne količine materije i energije. Hawking je tvrdio da ogroman raspon mogućih svemira koji se uklapaju u funkciju valova mora biti realiziran u nekom većem multiverzumu, unutar kojeg će samo tako složeni svemiri kao što je naš imati stanovnike sposobne promatrati. (Nedavna kontroverza se vrti oko pitanja hoće li ovi složeni stambeni svemiri biti glatki ili visoko fluktuirajući.) Prednost modela tuneliranja je ta što daje prednost univerzumima koji su ispunjeni materijom i energijom.poput našeg, nema potrebe pribjegavati antropskim rezonovanjima - iako bi tuneliranje svemira u postojanje moglo imati i drugih problema.
Što god da se dogodi, možda će i dalje ostati neka bit slike, koju je Hawking naslikao na Papinskoj akademiji znanosti prije 38 godina. Ili je možda umjesto početnika poput Južnog pola, svemir izronio iz singularnosti i potrebna je neka potpuno drugačija funkcija valova. U svakom slučaju potraga će se nastaviti. "Ako govorimo o kvantnoj mehaničkoj teoriji, što se osim valne funkcije može pronaći još?" pitao je Juan Maldacena, uglednog teorijskog fizičara s Instituta za napredna istraživanja u Princetonu, New Jersey, koji se uvelike držao podalje od nedavnih kontroverzi. Prema Maldaceni, koja je, uzgred, članica Papinske akademije, pitanje valne funkcije svemira je "pravo pitanje". "Pronalazimo li ispravnu valnu funkciju,ili kako bismo trebali zamisliti da valna funkcija više nije toliko jasna."
Natalie Wolchover