Nedávno byla zpochybněna hlavní myšlenka Stephena Hawkinga - že vesmír mohl vzniknout z ničeho - a kosmologové si museli vybrat, na kterou stranu se mají ubírat. Po dvou letech konfrontace vědci souhlasili s tím, že jejich rozdíly se scvrkávají na různé pohledy na to, jak příroda funguje. Přátelská debata pomohla zachovat hodnotu Hawkingovy myšlenky.
V roce 1981 se mnoho předních světových kosmologů shromáždilo na Papežské akademii věd, který byl svědkem fúze vědy a teologie a nachází se v elegantní vile ve vatikánských zahradách. Stephen Hawking si vybral srpnový den, aby představil to, co později nazval jeho nejdůležitější myšlenkou: hypotézu, že by vesmír mohl vzniknout z ničeho.
Před Hawkingovou řečí byly všechny příběhy kosmologického původu, vědecké nebo teologické, nevhodné: „Co se stalo předtím?“Například teorie o velkém třesku - poprvé navržená 50 let před Hawkingovou přednáškou belgického fyzika a katolického kněze Georgesa Lemaîtreho, který později sloužil jako prezident Vatikánské akademie věd - říká, že před začátkem expanze byl vesmír horkým a hustým svazkem energie … Ale odkud pocházela původní energie?
Teorie Velkého třesku měla i jiné nedostatky. Fyzici pochopili, že rozšiřující se svazek energie by se raději proměnil v něco zmačkaného a chaotického, spíše než do obrovského hladkého prostoru, který moderní astronomové pozorují. V roce 1980, rok před Hawkingovou řečí, si kosmolog Alan Guth uvědomil, že nepřesnosti Velkého třesku lze napravit malým dodatkem: počátečním exponenciálním vrcholem růstu známým jako kosmická inflace, díky němuž bude vesmír obrovský, hladký a plochý. než by to gravitace mohla zničit. Inflace se rychle stala hlavní teorií původu našeho vesmíru. A přesto zůstala otázka, jaké byly počáteční podmínky: odkud nepatrná skvrna, která údajně bobtnala do našeho vesmíru, a potenciální energie, která ji rozšířila?
Velkolepý Hawking našel způsob, jak ukončit nekonečné pokusy podívat se ještě dále do minulosti: předpokládal, že není konec ani začátek. Podle zápisu z konference ve Vatikánu, fyzik z Cambridge, tehdy 39 let, který ještě mohl mluvit svým vlastním hlasem, řekl publiku: „Musí existovat něco zvláštního v podmínkách na okraji vesmíru, a to, co může být zvláštnější než tohle. stát, ve kterém není hranice? “
Hawking a James Hartle, s nimiž často pracovali společně, konečně formulovali svou „neomezenou hypotézu“ve svém dokumentu z roku 1983, kde navrhovali, že vesmír je tvarován jako kuželka. Stejně jako má kuželka s průměrem nula ve svém nejnižším bodě a postupně se rozšiřuje na své cestě vzhůru, vesmír se podle hypotézy bez hranic plynule rozšiřuje z bodu nulové velikosti. Hartle a Hawking přišli s formulací popisující celý kuželek - tzv. „Vlnovou funkci vesmíru“, která zahrnuje celou minulost, přítomnost i budoucnost - takže bylo nesmyslné hledat původy stvoření, tvůrce nebo jakýkoli přechod z jednoho státu do druhého v minulosti.
"V souladu s hypotézou o neexistenci hranic nemá smysl klást otázku, co se stalo před Velkým třeskem, protože neexistuje koncept času, který by se mohl stát výchozím bodem," řekl Hawking během další přednášky na Pontifikální akademii v roce 2016, jeden a půl roku před jeho smrtí. "Je to jako ptát se, co je jižně od jižního pólu."
Hartle-Hawkingova hypotéza radikálně revidovala koncept času. Každý okamžik ve vesmíru se stal průřezem péráku; zatímco my vnímáme vesmír jako rozšiřující se a vyvíjející se z jednoho okamžiku na další, čas ve skutečnosti sestává z korelace mezi velikostí vesmíru v každé sekci a dalšími vlastnostmi - zejména jeho entropií nebo poruchou. Entropie se zvyšuje z korku na peří a zaměřuje se na vznikající šipku času. Nicméně, blízko zaoblené dno raketoplánu, korelace jsou méně spolehlivé; čas přestává existovat a je nahrazen čistým prostorem. Hartle, profesor na Kalifornské univerzitě v Santa Barbara, nyní 79 let, nedávno komentoval telefonní rozhovor: „V nejranějším vesmíru nebyli ptáci; následně se objevili ptáci. V časném vesmíru nebyl časa pak se objevil čas. “
Propagační video:
Neomezená hypotéza fascinovala a inspirovala fyziky téměř čtyřicet let. "Je to ohromně krásný a provokativní nápad," řekl Neil Turok, kosmolog z Kanadského institutu pro teoretickou fyziku ve Waterloo a bývalého spolupracovníka Hawking. Hypotéza byla prvním návrhem kvantového popisu vesmíru - vlnovou funkcí vesmíru. Brzy se objevilo celé pole vědy, kvantové kosmologie a různí vědci začali nabízet alternativní nápady, jak vesmír může přijít z ničeho, analyzovali různé předpovědi a způsoby testování těchto teorií a interpretovali jejich filosofické důsledky. Funkce nekonečné vlny „byla v některých ohledech tím nejjednodušším vysvětlením,“řekla Hartle.
Ale před dvěma lety, článek od Turoka, Job Feldbrugge z Perimeter Institute a Jean-Luc Lehners z Institutu Maxe Plancka pro gravitační fyziku v Německu zpochybnil Hartle-Hawkingovu hypotézu. Tato hypotéza je samozřejmě životaschopná pouze tehdy, pokud se vesmír, který se vynoří z bezrozměrného bodu, jak předpokládal Hartle a Hawking, přirozeně vyvine ve vesmír, jako je ten náš. Hawking a Hartl tvrdili, že tomu tak skutečně je: vesmír bez hranic bude pravděpodobně obrovský, neuvěřitelně hladký, působivě plochý a rozšiřující se, stejně jako samotný vesmír. "Problém Stephena a Jimova přístupu spočívá v tom, že to bylo dvojznačné," řekl Turok, "hluboce dvojznačný."
V článku z roku 2017 publikovaném v dopise Physical Review Letters Turok a jeho spoluautoři přistoupili k Hartle-Hawkingově neomezené hypotéze s novými matematickými technikami, o nichž se domnívají, že jeho předpovědi jsou mnohem konkrétnější. než předtím. "Zjistili jsme, že to nešťastně selhalo," řekl Turok. "Pokud jde o kvantovou mechaniku, vesmír se prostě nemohl objevit tak, jak si představovali." Tito tři vědci pečlivě zkontrolovali výpočty a výchozí data, než je uvolnili, ale „bohužel,“řekl Turok, „zdálo se nevyhnutelné, že Hartle-Hawkingův návrh byl nevhodný.“
Spor o tento článek vypukl. Ostatní odborníci vehementně podpořili myšlenku bez hranic a vyvrátili argumenty Turoka a jeho kolegů. "Nesouhlasíme s jeho technickými argumenty," řekl Thomas Hertog, fyzik na katolické univerzitě v Leuvenu v Belgii, který úzce spolupracoval s Hawkingem posledních 20 let jeho života. „Ale co je důležitější, nesouhlasíme také s jeho definicí, jejím konceptem, metodologií. To je to, s čím bychom se v první řadě chtěli hádat. “
Po dvou letech konfrontace se skupiny vědců shodly na tom, že jejich rozdíly se scvrkávají na různé pohledy na to, jak příroda funguje. Horká, ale zároveň přátelská debata pomohla zachovat hodnotu myšlenky, která Hawkinga vzrušovala. Dokonce i jejich kritici s Hartlem zvláštního vzorce, včetně Turoka a Lehnera, vyvíjejí konkurenční kvantově-kosmologické modely, snaží se vyhnout údajným úskalím originálu, přičemž si zachovávají kouzlo myšlenky nekonečna.
Zahrada kosmických rozkoší
Od sedmdesátých let se Hartle a Hawking často setkávali, obvykle, když měli v Cambridge dlouhé spolupráce. Teoretická studia černých děr a tajemných singularit v jejich centrech je přinutila obrátit se k otázce původu našeho vesmíru.
V roce 1915 Albert Einstein objevil, že koncentrace hmoty nebo energie deformují strukturu časoprostoru a způsobují gravitaci. V 60. letech 20. století dokázal Roger Penrose fyzik Hawking a Oxford University, že když se časoprostor ohýbá dostatečně ostře, například uvnitř černé díry nebo snad během Velkého třesku, nevyhnutelně se zhroutí a ohýbá nekonečně strmě do strana singularity, kde Einsteinovy rovnice nefungují a je zapotřebí nová kvantová teorie gravitace. „Věty o singularitě“podle Penrose-Hawking tvrdí, že časoprostor nemůže vzniknout hladce, nestejnoměrně v jednom bodě.
Hawking a Hartl tak přemýšleli o možnosti, že vesmír vznikl spíše jako čistý prostor než dynamický prostorový čas. A to je vedlo k myšlence na geometrii péráku. Definovali funkci neomezené vlny, která popisuje takový vesmír pomocí přístupu vynalezeného Hawkingovým idolovým fyzikem Richardem Feynmanem. Ve 40. letech 20. století vyvinul Feynman schéma výpočtu nejpravděpodobnějších výsledků kvantových mechanických událostí. Feynman zjistil, že, řekněme, pro předpovídání nejpravděpodobnějšího výsledku srážky částic, je možné shrnout všechny možné cesty, které by kolizní částice mohly cestovat, a dát přímým cestám větší význam než zakřivené cesty. Výpočet tohoto „integrálu cesty“dává vlnovou funkci: rozdělení pravděpodobnosti,označující různé možné stavy částic po kolizi.
Podobně Hartle a Hawking prezentovali vlnovou funkci vesmíru - popisující jeho pravděpodobné stavy - jako součet všech možných cest, ve kterých se mohl plynule rozšiřovat z určitého bodu. Doufali, že součet všech možných „expanzních příběhů“, vesmírů hladkého dna všech tvarů a velikostí, vytvoří vlnovou funkci, která pravděpodobně vytvoří obrovský, hladký, plochý vesmír jako ten náš. Je-li vážený součet všech možných expanzních dějin nejpravděpodobnějším výsledkem nějakého jiného druhu vesmíru, hypotéza bez hranic je nekonzistentní.
Problém je v tom, že integrál ve všech možných expanzních dějinách je příliš složitý na to, aby byl přesně vypočítán. Existuje nespočet variací tvarů a velikostí vesmírů a každý z nich se může ukázat jako velmi matoucí příběh. „Murray Gell-Mann se mě ptal,“řekla Hartle o fyzikovi, který získal Nobelovu cenu, „pokud znáte vlnovou funkci vesmíru, proč jste nezbohatli?“Hartl a Hawking museli samozřejmě skutečně najít vlnovou funkci pomocí Feynmanovy metody, museli situaci radikálně zjednodušit, ignorovat dokonce i specifické částice, které obývají náš svět (což znamenalo, že jejich vzorec byl velmi daleko od předpovídání akciových trhů). Věřili, že trajektorie je nedílnou součástí všech možných vesmírů hraček v „mini-superspace“,to je, v souhrnu všech vesmírů s jediným energetickým polem procházejícím skrze ně: energie, která poháněla kosmickou nafukování. (U nosného koše Hartle-Hawking odpovídá tato počáteční expanzní doba rychlému nárůstu průměru na základně zátky.)
Dokonce i minisuperspace je obtížné přesně spočítat, ale fyzici vědí, že existují dvě možné historie expanze, které by mohly být nejpravděpodobnějšími výsledky těchto výpočtů. Tyto konkurenční formy vesmíru odpovídají dvěma stranám současné debaty.
Tyto dvě konkurenční teorie představují dva „klasické“příběhy o expanzi vesmíru, k nimž mohlo dojít. Po počátečním výbuchu nulové kosmické inflace se tyto vesmíry neustále rozšiřují podle Einsteinovy teorie gravitace a časoprostoru. Složitější příběhy o expanzi, jako jsou fotbalové a houslové vesmíry, jsou kvantovým výpočtem do značné míry negovány.
Jedno ze dvou klasických řešení se podobá našemu vesmíru. Ve větším měřítku je hladký a energie je v něm náhodně rozptýlena kvůli kvantovým výkyvům během inflace. Stejně jako ve skutečném vesmíru tvoří rozdíly hustoty mezi jeho různými oblastmi Gaussovu křivku blízkou nule. Pokud je toto možné řešení při výpočtu vlnové funkce pro minisuperspace skutečně nejpravděpodobnější, lze si představit, že mnohem podrobnější a přesnější verze nekonečné vlnové funkce by mohla sloužit jako životaschopný kosmologický model skutečného vesmíru.
Další potenciálně dominantní forma vesmíru není vůbec jako skutečná. Jak se rozšiřuje, energie, která ji vyplňuje, se mění čím dál ostřeji, vytváří obrovské gradienty hustoty z jednoho místa na druhé a gravitace neustále roste. Změny hustoty tvoří obrácenou Gaussovu křivku, kde rozdíly mezi regiony se blíží k nekonečnu, spíše než k nule. Pokud je toto dominantní termín v nekonečné vlnové funkci pro minisuperspace, pak se Hartle-Hawkingův návrh může zdát špatný.
Dva dominantní příběhy o expanzi nás nutí zvolit, jak má být integrál cesty proveden. Pokud jsou dominantní příběhy dvě umístění na mapě, megacity v říši všech možných kvantových mechanických vesmírů, je otázkou, jakou trajektorii bychom měli projít těmito zeměmi. Jakou dominantní historii expanze a může existovat pouze jedna, měl by si náš „integrační obrys“zvolit? Vědci již vydali různé cesty.
V článku z roku 2017 se Turok, Feldbrugge a Lehner vydali na cestu zahradou možných příběhů o expanzi, která je vedla k druhému dominantnímu rozhodnutí. Podle jejich názoru je jediným rozumným obrysem ten, který se dívá na skutečné hodnoty (na rozdíl od imaginárních hodnot, které zahrnují druhou odmocninu záporných čísel) pro proměnnou zvanou „mezery“. V zásadě je rozestup výškou každého možného vesmíru s pérovou koulí, vzdálenost, ve které dosáhne určitého průměru. Protože odchylka nemá žádný výchozí bod, nezapadá do našeho chápání času. Turok a jeho kolegové nicméně ve svých úvahách částečně poukazují na příčinnou souvislost a argumentují tím, že fyzické významy mají pouze skutečné hodnoty intervalu. A shrnutí vesmírů se skutečnými hodnotami této proměnné vede k řešení, které je z hlediska fyziky vysoce nestabilní a bezvýznamné.
"Lidé kladou na Stevenovu intuici velký význam," řekl po telefonu Turok. "Ze zřejmých důvodů - myslím, že měl pravděpodobně nejlepší intuici v těchto věcech." Ale neměl vždy pravdu. “
Imaginární světy
Jonathan Halliwell, fyzik z Imperial College London, studoval mezní hypotézu od doby, kdy studoval u Hawkinga v 80. letech. Společně s Hartlem analyzovali otázku kontury integrace v roce 1990. Z jejich pohledu, stejně jako z pohledu Hertoga a zřejmě Hawkinga není kontura zásadní, ale spíše matematický nástroj, který poskytuje největší výhody. Podobně trajektorie planety kolem Slunce může být matematicky znázorněna jako řada úhlů, jako řada časů nebo jako jakýkoli z několika dalších vhodných parametrů. "Tento odhad parametrů můžete provést mnoha způsoby, ale žádný z nich není fyzičtější než ten druhý," řekl Halliwell.
On a jeho kolegové tvrdí, že v případě minisuperspace mají pouze obrysy, že zachycení správného příběhu o rozšíření má smysl. Kvantová mechanika vyžaduje pravděpodobnost, že se přidá 1 nebo bude "normalizovatelná", ale vysoce nestabilní vesmír, k němuž Turokův tým přišel, není. Toto rozhodnutí nemá smysl, trpí nekonečnostmi a nedodržuje kvantové zákony - podle obhájců hypotézy bez hranic to jasně ukazuje, že je třeba jít opačným směrem.
Je pravda, že kontury procházející správným řešením shrnují možné vesmíry s imaginárními hodnotami jejich proměnných. Ale kromě Turoka a společnosti to málokdo považuje za problém. Imaginární čísla prostupují kvantovou mechanikou. Kritici týmu Hartle-Hawking citují mylnou představu o kauzalitě tím, že požadují, aby „interval“byl skutečný. "To je princip, který není nařízen nebem a s nímž hluboce nesouhlasíme," říká Hertog.
Hertog říká, že Hawking málokdy zmínil integrální formu cesty funkce nekonečné vlny v posledních letech, částečně kvůli dvojznačnosti ve výběru obrysu. Normalizovanou historii expanze, která byla nedávno objevena pomocí integrální cesty, považoval za řešení základní teorie rovnice vesmíru, kterou v 60. letech představovali fyzici John Wheeler a Bryce DeWitt. Wheeler a DeWitt, uvažující o této otázce při zastavení na mezinárodním letišti v Raleigh-Durham, tvrdili, že vlnová funkce vesmíru, ať už je to cokoli, nemůže být časově závislá, protože neexistují žádné externí hodiny, kterými by mohla být opatření. Proto množství energie ve vesmíru, když sečtete pozitivní a negativní příspěvky hmoty a gravitace, musí vždy zůstat nulové. Funkce neomezené vlny splňuje Wheeler-DeWittovu rovnici pro minisuperspace.
V posledních letech Hawkingova života začal on a jeho spolupracovníci používat holografii, nový přístup blockbuster, který vidí spacetime jako hologram, aby lépe porozuměl vlnové funkci jako celku. Hawking hledal holografický popis vesmíru ve formě péráku, ve kterém by byla geometrie celé minulosti promítnuta od současnosti.
Toto úsilí pokračuje i v Hawkingově nepřítomnosti. Turek však vidí tento posun v důrazu jako změnu pravidel. Podle něj, zastánci modelu bez hranic, odmítl formulovat integrál cesty, způsobil, že byl špatně definován. Podle jeho názoru to, co studují, již není Hartle-Hawkingův model, i když Hartl s tím nesouhlasí.
Během posledního roku vyvíjejí Turok a jeho kolegové z perimetrického institutu Latham Boyle a Kieran Finn nový kosmologický model, který má mnoho společného s modelem bez hranic. Ale místo jednoho péroše se skládá ze dvou zátek ve tvaru přesýpacích hodin, ve kterých čas plyne oběma směry. Přestože model ještě není dostatečně vyvinut, aby předpovídal cokoli, jeho krása spočívá v tom, že jeho okvětní lístky implementují symetrii CPT, zjevně základní přírodní zrcadlo, které současně odráží hmotu a antihmotu, vlevo a vpravo, stejně jako vpřed a zpět v čase. Jednou z jeho nevýhod je to, že okvětní lístky zrcadlového obrazu vesmíru se vyskytují v singulární, v časoprostoru,což vyžaduje pochopení neznámé kvantové teorie gravitace. Boyle, Finn a Turok vsazují na jedinečnost, ale tento pokus je spekulativní.
Existuje také oživení zájmu o „tunelovací model“, alternativní pohled na původ vesmíru z ničeho, vyvinutý v 80. letech nezávislými rusko-americkými kosmology Alexander Vilenkin a Andrey Linde. Model, který se liší od funkce nekonečné vlny hlavně znaménkem mínus, považuje zrození vesmíru za kvantovou mechanickou „tunelovací“událost, podobnou tomu, když částice plave za bariérou v kvantovém mechanickém experimentu.
Existuje mnoho otázek o tom, jak různé modely souvisejí s antropickým zdůvodněním a neslavnou myšlenkou multivesmíru. Například funkce nekonečné vlny upřednostňuje prázdné vesmíry, zatímco obrovský složitý vesmír vyžaduje značné množství hmoty a energie. Hawking tvrdil, že v některých větších multivesmírech musí být realizována obrovská škála možných vesmírů, které zapadají do vlnové funkce, v rámci které budou mít pouze takové komplexní vesmíry, jako jsou ty naše, obyvatele schopné pozorování. (Nedávná diskuse se točí kolem otázky, zda tyto komplexní obyvatelné vesmíry budou hladké nebo vysoce kolísavé.) Výhodou modelu tunelování je, že zvýhodňuje vesmíry naplněné hmotou a energií.jako je naše, není třeba uchýlit se k antropickému uvažování - ačkoli vesmíry tunelování do existence mohou mít jiné problémy.
Ať se stane cokoli, možná některá podstata malby, která byla poprvé malovaná Hawkingem na Pontifikální akademii věd před 38 lety, zůstane. Nebo, možná, místo nezačátku, jako je jižní pól, se vesmír vynořil ze singularity a je zapotřebí nějakého úplně jiného druhu vlnové funkce. V každém případě bude vyhledávání pokračovat. "Pokud mluvíme o kvantové mechanické teorii, co jiného lze kromě vlnové funkce najít?" zeptal se Juan Maldacena, významný teoretický fyzik na Institutu pro pokročilé studium v Princetonu v New Jersey, který se do značné míry vyhnul nedávné diskusi. Podle Maldaceny, která je mimochodem členem Pápežské akademie, je otázkou vlnové funkce vesmíru „správná otázka“. "Najdeme správnou vlnovou funkci,nebo jak bychom si měli představit, že vlnová funkce už není tak jasná. “
Natalie Wolchoverová