Nesen Stefana Hokinga galvenā ideja - ka Visums varēja rasties no nekā - ir izaicināta, un kosmologiem bija jāizvēlas, kuru pusi ņemt. Pēc divu gadu konfrontācijas zinātnieki vienojās, ka viņu atšķirības ir atkarīgas no atšķirīgiem uzskatiem par to, kā darbojas daba. Draudzīgās debates palīdzēja saglabāt Hokinga idejas vērtību.
1981. gadā Pontifikālajā Zinātņu akadēmijā pulcējās daudzi pasaules vadošie kosmologi, kas bija zinātnes un teoloģijas saplūšanas liecinieki un atrodas elegantā villā Vatikāna dārzos. Stefans Hokings izvēlējās augusta dienu, lai iepazīstinātu ar to, ko viņš vēlāk nosauks par savu vissvarīgāko ideju: hipotēzi, ka Visums varēja rasties no nekā.
Pirms Hokinga runas visi kosmoloģiskās izcelsmes stāsti, zinātniski vai teoloģiski, bija iebilstami: "Kas notika pirms tam?" Piemēram, Lielā sprādziena teorija, kas pirmo reizi tika ierosināta 50 gadus pirms Beļģijas fiziķa un katoļu priestera Georga Lemaitera, kurš vēlāk bija Vatikāna Zinātņu akadēmijas prezidents, Hokinga lekcijas, saka, ka pirms paplašināšanās sākšanās Visums bija karsts, blīvs enerģijas saišķis. … Bet no kurienes radās sākotnējā enerģija?
Lielā sprādziena teorijai bija arī citi trūkumi. Fiziķi saprata, ka paplašinošais enerģijas saišķis drīzāk pārvērtīsies par kaut ko saburzītu un haotisku, nevis par milzīgo gludo telpu, ko novēro mūsdienu astronomi. 1980. gadā, gadu pirms Hokinga runas, kosmologs Alans Gūts saprata, ka Lielā sprādziena neprecizitātes var labot ar nelielu papildinājumu: sākotnēju, eksponenciālu izaugsmes smailu, kas pazīstams kā kosmiskā inflācija, kas padarītu Visumu milzīgu, gludu un plakanu. pirms gravitācija to varētu iznīcināt. Inflācija ātri kļuva par vadošo teoriju mūsu kosmosa izcelsmei. Un tomēr palika jautājums, kādi bija sākotnējie apstākļi: no kurienes atradās sīkā plankums, kas it kā uzpūta mūsu Visumā, un potenciālā enerģija, kas to paplašināja?
Lieliskais Hawking atrada veidu, kā izbeigt nebeidzamos mēģinājumus ielūkoties vēl dziļāk pagātnē: viņš uzskatīja, ka beigām nav nekāda sākuma vai sākuma. Saskaņā ar Vatikāna konferences protokoliem fiziķis no Kembridžas, kas bija 39 gadus vecs un kurš vēl varēja runāt savā balsī, klausītājiem sacīja: “Visuma malās jābūt kaut kam īpašam, un tam, kas varētu būt īpašāks. valsts, kurā nav robežu?"
Hokings un Džeimss Hārtls, ar kuriem viņi bieži strādāja kopā, savā 1983. gada rakstā beidzot formulēja "hipotēzi bez robežām", kur viņi ieteica, ka telpa ir veidota kā cilpas. Gluži tāpat, kā shuttlecock diametram ir nulle zemākajā punktā un pakāpeniski izplešas līdz pat augšup, Visums, saskaņā ar hipotēzi par robežu neesamību, vienmērīgi izplešas no nulles lieluma punkta. Hārtls un Hokings nāca klajā ar formulu, kas apraksta visu cilpas garu - tā saucamo “Visuma viļņu funkciju”, kas aptver visu pagātni, tagadni un nākotni, padarot bezjēdzīgu meklēt radīšanas, radītāja vai jebkādas pārejas no viena stāvokļa uz otru pagātnes izcelsmi.
“Saskaņā ar hipotēzi par robežu neesamību nav jēgas uzdot jautājumu par to, kas notika pirms Lielā sprādziena, jo nav laika koncepcijas, kas varētu kļūt par sākumpunktu,” Hawking teica citā lekcijā Pontifikālajā akadēmijā 2016. gadā, pusotra gada laikā pirms viņa nāves. "Tas ir tāpat kā jautāt, kas atrodas uz dienvidiem no Dienvidpola."
Hārtlija-Hokinga hipotēze radikāli pārskatīja laika jēdzienu. Ikviens Visuma mirklis kļuva par cilpas šķērsgriezumu; Kamēr mēs uztveram Visumu kā paplašināmies un attīstāmies no viena brīža uz nākamo, laiks faktiski sastāv no korelācijām starp Visuma lielumu katrā sadaļā un citām īpašībām - it īpaši tā entropiju vai traucējumiem. Entropija palielinās no korķa līdz spalvām, mērķējot uz topošo laika bultu. Tomēr netālu no automašīnas noapaļotās pamatnes korelācijas nav tik ticamas; laiks pārstāj eksistēt un tiek aizstāts ar tīru telpu. Hartls, Kalifornijas Santa Barbaras universitātes profesors, kuram tagad ir 79 gadi, nesen telefona sarunā komentēja: “Agrākajā Visumā nebija putnu; vēlāk parādījās putni. Agrīnajā Visumā nebija laikaun tad parādījās laiks."
Reklāmas video:
Bezrobežu hipotēze fascinēja un iedvesmoja fiziķus gandrīz četrdesmit gadus. “Tā ir satriecoši skaista un provokatīva ideja,” sacīja Neils Turoks, Kanādas Vaterlo Teorētiskās fizikas institūta kosmologs un bijušais Hokinga līdzstrādnieks. Hipotēze bija pirmais kosmosa kvantu apraksta projekts - Visuma viļņu funkcija. Drīz parādījās vesela zinātnes joma, kvantu kosmoloģija, un dažādi pētnieki sāka piedāvāt alternatīvas idejas tam, kā Visums varētu nākt no nekā, analizēja dažādas prognozes un šo teoriju pārbaudes veidus un interpretēja to filozofiskās sekas. Bezgalīgā viļņa funkcija "savā ziņā bija vienkāršākais izskaidrojums tam," sacīja Hartle.
Bet pirms diviem gadiem Turoko, Ījaba Feldbrūža no Perimetra institūta un Žana Luka Lehnersa raksts no Maksa Planka gravitācijas fizikas institūta Vācijā apstrīdēja Hārtla-Hokinga hipotēzi. Šī hipotēze, protams, ir dzīvotspējīga tikai tad, ja Visums, kas rodas no bezizmēra punkta, kā to Hartls un Hokings iecerēja, dabiski izaug par tādu Visumu kā mūsu. Hokings un Hārtls apgalvoja, ka tas patiešām tā ir: Visumi bez robežām, visticamāk, būs milzīgi, neticami gludi, iespaidīgi plakani un izplešas, tāpat kā pats kosmoss. "Stefana un Džima pieejas problēma ir tā, ka tā bija neskaidra," dziļi neviennozīmīgs sacīja Turoks.
2017. gada rakstā Physical Review Letters Turoks un viņa līdzautori pievērsās Hartla-Hokinga bezrobežu hipotēzei ar jaunām matemātiskām metodēm, kuras, viņuprāt, padara viņa prognozes daudz konkrētākas. nekā iepriekš. "Mēs atklājām, ka tas nav nožēlojami izgāzies," sacīja Turoks. "Runājot par kvantu mehāniku, Visums vienkārši nevarēja parādīties tāds, kādu viņi iedomājās." Trīs zinātnieki rūpīgi pārbaudīja aprēķinus un sākotnējos datus pirms to publiskošanas, taču, "diemžēl," sacīja Turoks, "neizbēgami šķita, ka Hartle-Hawking priekšlikums nav piemērots."
Par šo rakstu izcēlās strīdi. Citi eksperti pārliecinoši atbalstīja ideju par robežu neesamību un atspēkoja Turoko un viņa kolēģu argumentus. "Mēs nepiekrītam viņa tehniskajiem argumentiem," sacīja Tomass Hertogs, Beļģijas Leuvenas katoļu universitātes fiziķis, kurš pēdējos 20 savas dzīves gadus cieši sadarbojās ar Hokingu. “Bet, kas ir vēl svarīgāk, mēs arī nepiekrītam tās definīcijai, koncepcijai, metodoloģijai. Tas ir tas, par kuru mēs, pirmkārt, gribētu argumentēt”.
Pēc divu gadu konfrontācijas zinātnieku grupas vienojās, ka viņu atšķirības ir atkarīgas no atšķirīgiem uzskatiem par dabas darbību. Karstas, bet tajā pašā laikā draudzīgas debates palīdzēja saglabāt tās idejas vērtību, kas satraukusi Hokingu. Pat viņu kritiķi ar Hartlu pēc īpašās formulas, ieskaitot Turoku un Lehneru, izstrādā konkurējošus kvantu-kosmoloģiskos modeļus, cenšoties izvairīties no iespējamām oriģināla kļūmēm, vienlaikus saglabājot bezgalības idejas šarmu.
Kosmisko prieku dārzs
Kopš septiņdesmitajiem gadiem Hartls un Hokings tikās bieži, parasti, kad viņiem bija ilga sadarbība Kembridžā. Melno caurumu un noslēpumaino īpatnību teorētiskie pētījumi to centros piespieda viņus pievērsties jautājumam par mūsu Visuma izcelsmi.
1915. gadā Alberts Einšteins atklāja, ka matērijas vai enerģijas koncentrācijas deformē kosmosa laika audumu, radot smagumu. Sešdesmitajos gados Hokinga un Oksfordas universitātes fiziķis Rodžers Penrozs pierādīja, ka tad, kad kosmosa laiks pietiekami strauji noliecas, piemēram, melnā cauruma iekšpusē vai varbūt Lielā sprādziena laikā, tas neizbēgami sabrūk, bezgalīgi pēkšņi saliekoties singularitātes pusē, kur Einšteina vienādojumi nedarbojas un ir nepieciešama jauna, kvantu gravitācijas teorija. Penrozes-Hokingas singularitātes teorijās teikts, ka telpas laiks nevar rasties vienmērīgi, nekustīgi vienā brīdī.
Tādējādi Hawking un Hartl apdomāja iespēju, ka Visums radās kā tīra telpa, nevis dinamisks telpas laiks. Un tas viņus noveda pie idejas par cilpas ģeometriju. Viņi definēja neierobežotu viļņu funkciju, lai aprakstītu šādu Visumu, izmantojot pieeju, kuru izgudroja Hokinga elks fiziķis Ričards Feinmans. 1940. gados Feynmans izstrādāja shēmu kvantu mehānisko notikumu iespējamo rezultātu aprēķināšanai. Feinmans atklāja, ka, teiksim, lai prognozētu daļiņu sadursmes iespējamos iznākumus, varētu apkopot visus iespējamos ceļus, pa kuriem varētu pārvietoties sadursmes daļiņas, piešķirot taisniem ceļiem lielāku nozīmi nekā līkumaini ceļi. Šī "ceļa integrala" aprēķins dod viļņa funkciju: varbūtības sadalījumu,norādot dažādus iespējamos daļiņu stāvokļus pēc sadursmes.
Tāpat Hārts un Hokings parādīja Visuma viļņa funkciju - aprakstot tā iespējamos stāvokļus - kā visu iespējamo ceļu summu, pa kuriem tas varētu vienmērīgi izplesties no kāda punkta. Viņi cerēja, ka visu iespējamo "izplešanās stāstu" summa, visu formu un izmēru gludi dibeni, radīs viļņu funkciju, kas, iespējams, ģenerēs tādu milzīgu, gludu, plakanu Visumu kā mūsējais. Ja visu iespējamo izplešanās vēstures svērtā summa ir visticamākais kāda cita veida Visuma iznākums, hipotēze par robežu nav konsekventa.
Problēma ir tā, ka integrālis visās iespējamās paplašināšanas vēsturēs ir pārāk sarežģīts, lai to precīzi aprēķinātu. Visuma formās un izmēros ir neskaitāmas variācijas, un katrs no tiem var izrādīties ļoti mulsinošs stāsts. "Murray Gell-Mann mēdza man vaicāt," sacīja Hārtls no vēlīnā Nobela prēmijas laureāta fiziķa, "ja jūs zināt Visuma viļņu funkciju, kāpēc jūs tā nekļuvāt bagāts?" Protams, lai faktiski atrastu viļņa funkciju, izmantojot Feynman metodi, Hartlam un Hawkingam bija radikāli jāvienkāršo situācija, ignorējot pat īpašās daļiņas, kas apdzīvo mūsu pasauli (kas nozīmēja, ka to formula bija ļoti tālu no akciju tirgus prognozēšanas). Viņi uzskatīja, ka trajektorija ir neatņemama visu iespējamo rotaļlietu visumu gadījumā "mini-virstelpā",tas ir, visu Visumu kopumā ar vienotu enerģijas lauku, kas iet caur tiem: enerģija, kas stimulēja kosmisko inflāciju. (Hartle-Hawking shuttlecock šis sākotnējais izplešanās periods atbilst straujam diametra palielinājumam spraudņa pamatnē.)
Pat minimālo virstelpu ir grūti precīzi aprēķināt, taču fiziķi zina, ka pastāv divas iespējamās izplešanās vēstures, kas varētu būt šo aprēķinu visticamākie rezultāti. Šīs konkurējošās Visuma formas atbilst pašreizējo debašu divām pusēm.
Šīs divas konkurējošās teorijas pārstāv divus "klasiskos" stāstus par Visuma paplašināšanos, kas varēja notikt. Pēc sākotnējās nulles kosmiskās inflācijas pārsprāgšanas šie Visumi nepārtraukti paplašinās saskaņā ar Einšteina gravitācijas un kosmosa laika teoriju. Sarežģītākus izplešanās stāstus, piemēram, futbola un kāpurķēžu universus, kvantu skaitļošana lielā mērā noliedz.
Viens no diviem klasiskajiem risinājumiem atgādina mūsu Visumu. Lielākā mērogā tas ir gluds, un enerģija tajā ir nejauši izkliedēta kvantu svārstību dēļ inflācijas laikā. Tāpat kā reālajā Visumā, blīvuma atšķirības starp dažādiem reģioniem veido Gausa līkni tuvu nullei. Ja šis iespējamais risinājums patiešām ir visdrošākais, aprēķinot minimālās telpas kosmosa viļņu funkciju, ir iespējams iedomāties, ka daudz detalizētāka un precīzāka bezgalīgā viļņa funkcijas versija varētu kalpot par reālā visuma dzīvotspējīgu kosmoloģisko modeli.
Vēl viena Visuma potenciāli dominējošā forma nepavisam nelīdzinās reālajai. Paplašinoties, enerģija, kas to piepilda, mainās arvien straujāk, radot milzīgus blīvuma gradientus no vienas vietas uz otru, un gravitācija nepārtraukti palielinās. Blīvuma izmaiņas veido apgrieztu Gausa līkni, kur atšķirības starp reģioniem tuvojas bezgalībai, nevis nullei. Ja tas ir dominējošais termins minisperspace bezgalīgajā viļņu funkcijā, Hartle-Hawking priekšlikums var šķist nepareizs.
Divi dominējošie izplešanās stāsti liek mums izvēlēties, kā jāveic ceļa integrālis. Ja dominējošie stāsti ir divas atrašanās vietas kartē, megapilsētas visu iespējamo kvantu mehānisko Visumu valstībā, jautājums ir par to, kāda trajektorija mums būtu jāveic caur šīm zemēm. Kāda ir dominējošā paplašināšanās vēsture, un tāda var būt tikai viena, ja vajadzētu izvēlēties mūsu “integrācijas kontūru”? Pētnieki jau ir iezīmējuši dažādus ceļus.
2017. gada rakstā Turok, Feldbrugge un Lehner izvēlējās ceļu cauri iespējamo izplešanās stāstu dārzam, kas viņus noveda pie otra dominējoša lēmuma. Pēc viņu domām, vienīgais saprātīgais kontūrs ir tāds, kas aplūko reālās vērtības (pretstatā iedomātajām vērtībām, kas ietver negatīvo skaitļu kvadrātsaknes) mainīgajam, ko sauc par “atstarpi”. Pamatā atstarpe ir katra iespējamā shuttlecock visuma augstums, attālums, kādā tas sasniedz noteiktu diametru. Tā kā novirzei nav izejas punkta, tā neatbilst mūsu laika izpratnei. Tomēr Turoks un viņa kolēģi savā argumentācijā daļēji atsaucas uz cēloņsakarību, apgalvojot, ka fiziskajām nozīmēm ir tikai reālas intervāla vērtības. Apkopojot Visumus ar šī mainīgā reālajām vērtībām, tiek iegūts risinājums, kas ir ļoti nestabils un bezjēdzīgs no fizikas viedokļa.
“Cilvēki Stīvena intuīcijai piešķir lielu vērtību,” pa tālruni sacīja Turoks. “Acīmredzamu iemeslu dēļ - es domāju, ka šajos jautājumos viņam, iespējams, bija vislabākā intuīcija. Bet viņam ne vienmēr bija taisnība."
Iedomātas pasaules
Džonatans Hallivels, Londonas Imperiālā koledžas fiziķis, ir pētījis hipotēzi bez robežām kopš studijas kopā ar Hokingu 1980. gados. Kopā ar Hartlu viņi analizēja jautājumu par integrācijas kontūru 1990. gadā. No viņu viedokļa, kā arī no Hertog un acīmredzot Hawking viedokļa kontūra nav fundamentāla, bet drīzāk matemātisks rīks, kas sniedz vislielākās priekšrocības. Līdzīgi planētas ap Sauli trajektoriju matemātiski var attēlot kā leņķu virkni, kā laika virkni vai kā jebkuru no vairākiem citiem ērtiem parametriem. "Šo parametru novērtēšanu var veikt dažādos veidos, taču neviens no tiem nav fiziskāks par otru," sacīja Hallivels.
Viņš un viņa kolēģi apgalvo, ka minisperspace gadījumā jēga ir tikai kontūriem, kas atspoguļo pareizo paplašināšanas stāstu. Kvantu mehānika pieprasa varbūtību pieskaitīt 1 vai būt “normalizējamai”, taču ļoti nestabilais visums, uz kuru ieradās Turokas komanda, nav. Šis lēmums ir bezjēdzīgs, cieš no bezgalības un nepakļaujas kvantu likumiem - saskaņā ar hipotēzes par robežu aizstāvjiem tas skaidri norāda uz nepieciešamību iet citu ceļu.
Ir taisnība, ka kontūras, kas iet cauri pareizam risinājumam, summē iespējamos Visumus ar to mainīgo iedomātajām vērtībām. Bet tikai Turok un uzņēmums, daži to uzskata par problēmu. Iedomāti skaitļi iekļūst kvantu mehānikā. Hartle-Hawking komandas kritiķi citē nepareizu cēloņsakarības izpratni, pieprasot, lai "intervāls" būtu reāls. "Šis ir princips, kuru debesis neparedz un kuram mēs dziļi nepiekrītam," saka Hertogs.
Hertogs saka, ka Hokings pēdējos gados reti pieminējis bezgalīgā viļņa funkcijas neatņemamo formu, daļēji tāpēc, ka kontūra izvēlē ir daudznozīmība. Viņš aplūkoja normalizēto izplešanās vēsturi, kas nesen tika atklāta, izmantojot neatņemamu ceļu, kā risinājumu fundamentālākam Visuma vienādojumam, ko 1960. gados izvirzīja fiziķi Džons Vellers un Braiss Devits. Ritlers un Devits, apdomādami šo jautājumu, apstājoties Roli-Darhemas starptautiskajā lidostā, apgalvoja, ka Visuma viļņu funkcija, lai kāda tā būtu, nevar būt atkarīga no laika, jo nav ārēja pulksteņa, pēc kura tā varētu būt mērs. Tāpēc enerģijas daudzumam Visumā, saskaitot matērijas un smaguma pozitīvo un negatīvo ieguldījumu, vienmēr jābūt nullei. Neierobežota viļņa funkcija atbilst Wheeler-DeWitt vienādojumam minisperspace.
Pēdējos Hokinga dzīves gados viņš un viņa līdzstrādnieki sāka izmantot hologrāfiju - jaunu bloķētāja pieeju, kas telpas-laiku uztver kā hologrammu, lai labāk izprastu viļņu funkciju kopumā. Hawking meklēja hologrāfisku Visuma aprakstu cilpas formā, kurā visas pagātnes ģeometrija tiktu projicēta no tagadnes.
Šie centieni turpinās Hokinga prombūtnes laikā. Bet turks uzskata šo uzsvara maiņu kā noteikumu maiņu. Pēc viņa teiktā, atsakoties formulēt ceļa integrālu, modeļa bez robežām atbalstītāji padarīja to vāji definētu. Pēc viņa domām, tas, ko viņi pēta, vairs nav Hartla-Hokinga modelis, kaut arī pats Hartls tam nepiekrīt.
Pēdējā gada laikā Turoks un viņa Perimetra institūta kolēģi Latham Boyle un Kieran Finn ir izstrādājuši jaunu kosmoloģisko modeli, kam ir daudz kopīga ar modeli bez malām. Bet tā vietā, lai izveidotu piegriezienu, tas sastāv no diviem smilšu pulksteņa formas korķiem, kuros laiks plūst abos virzienos. Lai arī modelis vēl nav pietiekami izstrādāts, lai kaut ko paredzētu, tā skaistums slēpjas faktā, ka tā ziedlapiņas īsteno CPT simetriju, kas acīmredzot ir fundamentāls dabiskais spogulis, kas vienlaikus atspoguļo matēriju un antimatēriju, pa kreisi un pa labi, kā arī uz priekšu un atpakaļ laikā. Viens no tā trūkumiem ir tāds, ka Visuma spoguļattēla ziedlapiņas rodas vienskaitlī, telpā-laikā,kas prasa izpratni par nezināmo kvantu gravitācijas teoriju. Boilejs, Soms un Turoks veic derības par individualitāti, taču šis mēģinājums ir spekulatīvs.
Atjaunojas arī interese par "tuneļu modeli" - alternatīvu Visuma izcelsmes jēdzienu no nekā, ko 1980. gados izstrādājuši neatkarīgie krievu-amerikāņu kosmologi Aleksandrs Vilenkins un Andrejs Linde. Modelis, kas atšķiras no bezgalīgā viļņa funkcijas galvenokārt ar mīnusa zīmi, Visuma dzimšanu uzskata par kvantu mehāniskās "tuneļveidības" notikumu, līdzīgi kā tad, kad kvantu mehāniskā eksperimentā daļiņa peld aiz barjeras.
Ir daudz jautājumu par to, kā dažādie modeļi ir saistīti ar antropoloģisko domāšanu un drausmīgo multiverse ideju. Piemēram, bezgalīga viļņa funkcija dod priekšroku tukšiem Visumiem, savukārt milzīgs sarežģīts Visums prasa ievērojamus matērijas un enerģijas daudzumus. Hokings apgalvoja, ka milzīgāks iespējamo Visumu diapazons, kas iekļaujas viļņu funkcijā, ir jārealizē lielākajā multividē, kurā tikai tādi sarežģīti Visumi kā mūsējie būs iedzīvotāji, kurus varēs novērot. (Nesenie strīdi ir saistīti ar jautājumu par to, vai šie sarežģītie apdzīvojamie Visumi būs gludi vai ļoti svārstīgi.) Tuneļa modeļa priekšrocība ir tāda, ka tas dod priekšroku Visumiem, kas piepildīti ar matēriju un enerģiju.tāpat kā mūsējais, nav nepieciešams ķerties pie antropiskas spriešanas - kaut arī Visumiem, kas tunelē pastāvēšanai, var būt arī citas problēmas.
Lai kas arī notiktu, iespējams, joprojām paliks kāda no gleznas būtībām, kuru pirmo reizi gleznojis Hokings Pontifikālajā Zinātņu akadēmijā pirms 38 gadiem. Vai, iespējams, tā vietā, kas nav tāds sākums kā Dienvidpols, Visums ir izveidojies no singularitātes, un ir nepieciešama kāda pavisam cita veida viļņu funkcija. Jebkurā gadījumā meklēšana tiks turpināta. "Ja mēs runājam par kvantu mehānisko teoriju, ko vēl var atrast papildus viļņu funkcijai?" vaicāja Huans Maldacena, izcils teorētiskais fiziķis Izvērsto pētījumu institūtā Prinstonā, Ņūdžersijas štatā, kurš lielā mērā ir atturējies no nesenajiem strīdiem. Pēc Maldacena teiktā, kurš, starp citu, ir Pontifikālās akadēmijas loceklis, jautājums par Visuma viļņu funkciju ir "pareizais jautājums". “Vai mēs atrodam pareizo viļņu funkciju,vai kā mums vajadzētu iedomāties viļņu funkciju, vairs nav tik skaidrs."
Natālija Volčovera