Niedawno główny pomysł Stephena Hawkinga - że wszechświat mógł powstać z niczego - został zakwestionowany i kosmolodzy musieli wybrać, po której stronie staną. Po dwóch latach konfrontacji naukowcy zgodzili się, że różnice między nimi sprowadzają się do różnych poglądów na sposób działania przyrody. Przyjazna debata pomogła zachować wartość pomysłu Hawkinga.
W 1981 r. Wielu czołowych kosmologów świata zebrało się w Papieskiej Akademii Nauk, która była świadkiem połączenia nauki i teologii i mieści się w eleganckiej willi w ogrodach watykańskich. Stephen Hawking wybrał sierpniowy dzień, aby przedstawić to, co nazwał później swoją najważniejszą ideą: hipotezę, że wszechświat mógł powstać z niczego.
Przed przemówieniem Hawkinga wszystkie historie pochodzenia kosmologicznego, naukowe czy teologiczne, były budzące zastrzeżenia: „Co się stało wcześniej?”. Na przykład teoria Wielkiego Wybuchu - po raz pierwszy zaproponowana 50 lat przed wykładem Hawkinga przez belgijskiego fizyka i katolickiego księdza Georgesa Lemaître'a, który później był prezydentem Watykańskiej Akademii Nauk - mówi, że przed rozpoczęciem ekspansji wszechświat był gorącym, gęstym zbiorem energii … Ale skąd pochodzi pierwotna energia?
Teoria Wielkiego Wybuchu miała też inne wady. Fizycy zrozumieli, że rozszerzająca się wiązka energii wolałaby raczej zamienić się w coś pogniecionego i chaotycznego niż w ogromną gładką przestrzeń, którą obserwują współcześni astronomowie. W 1980 roku, rok przed przemówieniem Hawkinga, kosmolog Alan Guth zdał sobie sprawę, że błędy Wielkiego Wybuchu można skorygować niewielkim dodatkiem: początkowym, wykładniczym skokiem wzrostu znanym jako kosmiczna inflacja, który uczyniłby wszechświat wielkim, gładkim i płaskim. zanim grawitacja mogła go zniszczyć. Inflacja szybko stała się wiodącą teorią dotyczącą powstania naszego kosmosu. A jednak pozostawało pytanie, jakie były warunki początkowe: skąd ten maleńki punkt, który rzekomo puchnął w naszym wszechświecie, i potencjalna energia, która go rozszerzyła?
Wspaniały Hawking znalazł sposób, by położyć kres niekończącym się próbom spojrzenia jeszcze głębiej w przeszłość: założył, że nie ma końca ani początku. Zgodnie z protokołem konferencji w Watykanie fizyk z Cambridge, wówczas 39-letni, który wciąż potrafił mówić własnym głosem, powiedział słuchaczom: „W warunkach na krańcach wszechświata musi być coś wyjątkowego, a co może być bardziej wyjątkowego. stan, w którym nie ma granicy?"
Hawking i James Hartle, z którymi często razem pracowali, w końcu sformułowali hipotezę „bez granic” w artykule z 1983 roku, w którym zasugerowali, że przestrzeń ma kształt lotki. Tak jak lotka ma średnicę równą zero w najniższym punkcie i stopniowo rozszerza się w górę, tak wszechświat, zgodnie z hipotezą braku granic, płynnie rozszerza się od punktu o zerowej wielkości. Hartle i Hawking wymyślili formułę opisującą całą lotkę - tak zwaną „funkcję falową wszechświata”, która obejmuje całą przeszłość, teraźniejszość i przyszłość - co czyni bezsensownym poszukiwanie źródeł stworzenia, twórcy czy jakiegokolwiek przejścia z jednego stanu do drugiego w przeszłości.
„Zgodnie z hipotezą o braku granic nie ma sensu zadawać pytania o to, co wydarzyło się przed Wielkim Wybuchem, ponieważ nie ma pojęcia czasu, który mógłby stać się punktem wyjścia” - powiedział Hawking podczas kolejnego wykładu w Papieskiej Akademii w 2016 roku, półtora roku przed jego śmiercią. „To tak, jakby zapytać, co jest na południe od bieguna południowego”.
Hipoteza Hartle-Hawkinga radykalnie zrewidowała pojęcie czasu. Każda chwila we wszechświecie stawała się przekrojem lotki; podczas gdy postrzegamy wszechświat jako rozszerzający się i ewoluujący z chwili na chwilę, czas w rzeczywistości składa się z korelacji między wielkością wszechświata w każdej sekcji a innymi właściwościami - zwłaszcza z jego entropią lub nieuporządkowaniem. Entropia rośnie od korka do piór, celując w pojawiającą się strzałę czasu. Jednak w pobliżu zaokrąglonego dna wahadłowca korelacje są mniej wiarygodne; czas przestaje istnieć i zostaje zastąpiony czystą przestrzenią. Hartle, profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Barbara, obecnie 79-latek, powiedział niedawno w rozmowie telefonicznej: „W najwcześniejszym wszechświecie nie było ptaków; później pojawiły się ptaki. We wczesnym wszechświecie nie było czasua potem pojawił się czas”.
Film promocyjny:
Hipoteza bez granic fascynowała i inspirowała fizyków od prawie czterdziestu lat. „To oszałamiająco piękny i prowokujący pomysł” - powiedział Neil Turok, kosmolog z Canadian Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo i były współpracownik Hawkinga. Hipoteza była pierwszym szkicem kwantowego opisu kosmosu - falowej funkcji wszechświata. Wkrótce pojawiła się cała dziedzina nauki, kosmologia kwantowa, a różni badacze zaczęli przedstawiać alternatywne pomysły na to, jak wszechświat mógł powstać z niczego, przeanalizowali różne przewidywania i sposoby testowania tych teorii oraz zinterpretowali ich filozoficzne implikacje. Nieskończona funkcja falowa „była w pewnym sensie najprostszym wytłumaczeniem tego zjawiska” - powiedział Hartle.
Ale dwa lata temu artykuł Turoka, Joba Feldbrugge'a z Perimeter Institute i Jean-Luca Lehnersa z Max Planck Institute for Gravitational Physics w Niemczech podważył hipotezę Hartla-Hawkinga. Ta hipoteza jest oczywiście możliwa tylko wtedy, gdy wszechświat, który wyłania się z bezwymiarowego punktu, jak przewidzieli Hartle i Hawking, w naturalny sposób wyrasta na wszechświat podobny do naszego. Hawking i Hartl argumentowali, że rzeczywiście tak jest: wszechświaty bez granic prawdopodobnie będą ogromne, niewiarygodnie gładkie, imponująco płaskie i rozszerzające się, tak jak sam kosmos. „Problem z podejściem Stephena i Jima polega na tym, że było ono niejednoznaczne” - powiedział Turok - „głęboko niejednoznaczne”.
W artykule z 2017 roku w Physical Review Letters, Turok i jego współautorzy podeszli do hipotezy bez granic Hartle-Hawkinga za pomocą nowych metod matematycznych, które ich zdaniem sprawiają, że jego przewidywania są znacznie bardziej szczegółowe. niż wcześniej. „Okazało się, że się nie udało” - powiedział Turok. „Z punktu widzenia mechaniki kwantowej wszechświat po prostu nie mógł wyglądać tak, jak sobie wyobrażali”. Trzej naukowcy dokładnie sprawdzili obliczenia i oryginalne dane przed ich opublikowaniem, ale „niestety” - powiedział Turok - „wydawało się nieuniknione, że propozycja Hartle-Hawkinga była nieodpowiednia”.
W związku z tym artykułem wybuchły kontrowersje. Inni eksperci stanowczo popierali ideę braku granic i odrzucali argumenty Turoka i jego współpracowników. „Nie zgadzamy się z jego argumentami technicznymi” - powiedział Thomas Hertog, fizyk z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven w Belgii, który blisko współpracował z Hawkingiem przez ostatnie 20 lat jego życia. „Ale co ważniejsze, nie zgadzamy się również z jego definicją, koncepcją, metodologią. To jest to, z czym chcielibyśmy się spierać w pierwszej kolejności”.
Po dwóch latach konfrontacji grupy naukowców zgodziły się, że różnice między nimi sprowadzają się do różnych poglądów na sposób działania przyrody. Ożywiona, ale jednocześnie przyjacielska debata pomogła zachować wartość pomysłu, który podniecił Hawkinga. Nawet ich krytycy wraz z Hartlem o specjalnej formule, w tym Turok i Lehner, opracowują konkurencyjne modele kwantowo-kosmologiczne, starając się uniknąć rzekomych pułapek oryginału, zachowując urok idei nieskończoności.
Ogród kosmicznych rozkoszy
Od lat 70. Hartle i Hawking spotykali się często, zwykle podczas długiej współpracy w Cambridge. Teoretyczne badania czarnych dziur i tajemniczych osobliwości w ich centrach zmusiły ich do zwrócenia się ku kwestii pochodzenia naszego wszechświata.
W 1915 roku Albert Einstein odkrył, że koncentracja materii lub energii deformuje strukturę czasoprzestrzeni, powodując grawitację. W latach sześćdziesiątych XX wieku fizyk z Hawking i Uniwersytetu Oksfordzkiego Roger Penrose udowodnił, że kiedy czasoprzestrzeń zakrzywia się wystarczająco ostro, na przykład wewnątrz czarnej dziury lub być może podczas Wielkiego Wybuchu, nieuchronnie zapada się, wyginając się nieskończenie stromo w strona osobliwości, gdzie równania Einsteina nie działają i potrzebna jest nowa kwantowa teoria grawitacji. "Twierdzenia o osobliwości" Penrose-Hawkinga mówią, że czasoprzestrzeń nie może powstać gładko, nieostro w jednym punkcie.
Tak więc Hawking i Hartl rozważali możliwość, że wszechświat powstał jako czysta przestrzeń, a nie dynamiczna czasoprzestrzeń. I to doprowadziło ich do pomysłu na geometrię lotki. Zdefiniowali nieograniczoną funkcję falową, aby opisać taki wszechświat, używając podejścia wymyślonego przez fizyka-idola Hawkinga, Richarda Feynmana. W latach czterdziestych Feynman opracował schemat obliczania najbardziej prawdopodobnych wyników zdarzeń mechaniki kwantowej. Feynman odkrył, że, powiedzmy, aby przewidzieć najbardziej prawdopodobne skutki zderzenia cząstek, można podsumować wszystkie możliwe ścieżki, po których mogą się poruszać zderzające się cząstki, nadając prostym ścieżkom większe znaczenie niż zakrętom. Obliczenie tej „całki po ścieżce” daje funkcję falową: rozkład prawdopodobieństwa,wskazując różne możliwe stany cząstek po zderzeniu.
Podobnie Hartle i Hawking przedstawili funkcję falową Wszechświata - opisując jego prawdopodobne stany - jako sumę wszystkich możliwych ścieżek, po których mógłby on płynnie rozszerzać się z punktu. Mieli nadzieję, że suma wszystkich możliwych „opowieści o ekspansji”, wszechświatów o gładkich dnie, wszelkich kształtów i rozmiarów, wytworzy funkcję falową, która prawdopodobnie wygeneruje ogromny, gładki, płaski wszechświat, taki jak nasz. Jeśli ważona suma wszystkich możliwych historii ekspansji jest najbardziej prawdopodobnym wynikiem jakiegoś innego rodzaju wszechświata, hipoteza braku granic jest niespójna.
Problem polega na tym, że całka ze wszystkich możliwych historii ekspansji jest zbyt złożona, aby można ją było dokładnie obliczyć. Istnieje niezliczona liczba odmian kształtów i rozmiarów wszechświatów, a każdy z nich może okazać się bardzo zagmatwaną historią. „Murray Gell-Mann zwykł mnie pytać” - powiedział Hartle o nieżyjącym już fizyku, laureacie Nagrody Nobla - „jeśli znasz funkcję falową wszechświata, dlaczego nie stałeś się bogaty?” Oczywiście, aby faktycznie znaleźć funkcję falową metodą Feynmana, Hartl i Hawking musieli radykalnie uprościć sytuację, ignorując nawet konkretne cząstki zamieszkujące nasz świat (co oznaczało, że ich formuła była bardzo daleka od przewidywania rynków akcji). Uważali, że trajektoria jest integralna dla wszystkich możliwych zabawkowych wszechświatów w „mini-superprzestrzeni”,to znaczy w sumie wszystkich wszechświatów, przez które przechodzi jedno pole energii: energia, która napędzała kosmiczną inflację. (W wahadłowcu Hartle-Hawking ten początkowy okres ekspansji odpowiada szybkiemu wzrostowi średnicy u podstawy czopa.)
Nawet miniprzestrzeń jest trudna do dokładnego obliczenia, ale fizycy wiedzą, że istnieją dwie możliwe historie ekspansji, które mogą być najbardziej prawdopodobnymi wynikami tych obliczeń. Te konkurujące ze sobą formy wszechświata odpowiadają dwóm stronom obecnej debaty.
Te dwie konkurujące ze sobą teorie reprezentują dwie „klasyczne” historie ekspansji wszechświata, która mogła mieć miejsce. Po początkowym wybuchu kosmicznej inflacji o rozmiarze zero, wszechświaty te stale się rozszerzają, zgodnie z teorią grawitacji i czasoprzestrzeni Einsteina. Bardziej złożone historie ekspansji, takie jak wszechświaty piłki nożnej i gąsienic, są w dużej mierze negowane przez komputery kwantowe.
Jedno z dwóch klasycznych rozwiązań przypomina nasz wszechświat. Na większą skalę jest gładki, a energia jest w nim losowo rozpraszana z powodu fluktuacji kwantowych podczas inflacji. Podobnie jak w prawdziwym wszechświecie, różnice gęstości między jego różnymi regionami tworzą krzywą Gaussa bliską zeru. Jeśli to możliwe rozwiązanie jest rzeczywiście najbardziej wiarygodne przy obliczaniu funkcji falowej dla minisuperprzestrzeni, można sobie wyobrazić, że znacznie bardziej szczegółowa i dokładna wersja funkcji falowej nieskończonej mogłaby posłużyć jako realny kosmologiczny model prawdziwego wszechświata.
Inna potencjalnie dominująca forma wszechświata wcale nie jest podobna do prawdziwej. Gdy się rozszerza, energia, która go wypełnia, zmienia się coraz bardziej i bardziej, tworząc ogromne gradienty gęstości z jednego miejsca do drugiego, a grawitacja stale rośnie. Zmiany gęstości tworzą odwróconą krzywą Gaussa, gdzie różnice między regionami zbliżają się do nieskończoności, a nie do zera. Jeśli jest to dominujący termin w nieskończonej funkcji fal dla minisuperprzestrzeni, to propozycja Hartle-Hawkinga może wydawać się błędna.
Dwie dominujące historie ekspansji zmuszają nas do wyboru sposobu wykonania całki ścieżki. Jeśli dominującymi historiami są dwie lokalizacje na mapie, megamiasta w królestwie wszystkich możliwych wszechświatów mechaniki kwantowej, pytanie brzmi, jaką trajektorię powinniśmy obrać przez te ziemie. Jaką dominującą historię ekspansji, a może być tylko jedna, powinien wybrać nasz „kontur integracji”? Naukowcy przetarli już różne ścieżki.
W artykule z 2017 roku Turok, Feldbrugge i Lehner przeszli przez ogród możliwych historii ekspansji, które doprowadziły ich do drugiej dominującej decyzji. Ich zdaniem jedynym sensownym obrysem jest taki, który patrzy na wartości rzeczywiste (w przeciwieństwie do wartości urojonych, które zawierają pierwiastki kwadratowe z liczb ujemnych) dla zmiennej zwanej „odstępami”. Zasadniczo odstępy to wysokość każdego możliwego wszechświata lotek, odległość, na której osiąga on określoną średnicę. Ponieważ odchylenie nie ma punktu wyjścia, nie mieści się w naszym rozumieniu czasu. Niemniej jednak Turok i jego współpracownicy częściowo odwołują się w swoim rozumowaniu do związku przyczynowego, argumentując, że znaczenia fizyczne mają tylko rzeczywiste wartości przedziału. A sumowanie wszechświatów z rzeczywistymi wartościami tej zmiennej prowadzi do rozwiązania, które jest wysoce niestabilne i bez znaczenia z punktu widzenia fizyki.
„Ludzie przywiązują dużą wagę do intuicji Stevena” - powiedział Turok przez telefon. „Z oczywistych powodów - to znaczy, miał chyba najlepszą intuicję w tych sprawach. Ale nie zawsze miał rację”.
Wyimaginowane światy
Jonathan Halliwell, fizyk z Imperial College London, studiował hipotezę bez granic, odkąd studiował u Hawkinga w latach 80. Razem z Hartlem przeanalizowali kwestię konturu integracji w 1990 roku. Z ich punktu widzenia, a także z punktu widzenia Hertoga i przypuszczalnie Hawkinga, kontur nie jest fundamentalny, ale raczej narzędzie matematyczne, które zapewnia najwięcej korzyści. Podobnie trajektoria planety wokół Słońca może być przedstawiona matematycznie jako seria kątów, jako seria czasów lub jako dowolny z kilku innych dogodnych parametrów. „Możesz oszacować ten parametr na wiele sposobów, ale żaden z nich nie jest bardziej fizyczny niż drugi” - powiedział Halliwell.
On i jego koledzy argumentują, że w przypadku minisuperprzestrzeni sens mają tylko zarysy, które przedstawiają prawidłową historię rozszerzenia. Mechanika kwantowa wymaga, aby prawdopodobieństwa sumowały się do 1 lub były „normalizowalne”, ale wysoce niestabilny wszechświat, do którego doszedł zespół Turoka, już nie. Ta decyzja jest bezsensowna, cierpi na nieskończoność i nie przestrzega praw kwantowych - zdaniem zwolenników hipotezy bez granic wskazuje to wyraźnie na potrzebę pójścia w drugą stronę.
Prawdą jest, że kontury przechodzące przez prawidłowe rozwiązanie sumują możliwe wszechświaty z urojonymi wartościami ich zmiennych. Ale oprócz Turoka i firmy niewielu uważa to za problem. Liczby urojone przenikają mechanikę kwantową. Krytycy zespołu Hartle-Hawking powołują się na błędne przekonanie o przyczynowości, żądając, aby „interwał” był prawdziwy. „Jest to zasada, która nie została ustanowiona przez niebo i z którą głęboko się nie zgadzamy” - mówi Hertog.
Hertog mówi, że Hawking rzadko wspominał o integralnej postaci ścieżki funkcji fali nieskończonej w ostatnich latach, po części z powodu niejednoznaczności w doborze konturu. Postrzegał znormalizowaną historię ekspansji, którą niedawno odkryto przy użyciu ścieżki integralnej, jako rozwiązanie bardziej fundamentalnego równania wszechświata, postawionego w latach sześćdziesiątych przez fizyków Johna Wheelera i Bryce'a DeWitta. Wheeler i DeWitt, zastanawiając się nad tym pytaniem, zatrzymując się na międzynarodowym lotnisku Raleigh-Durham, argumentowali, że funkcja falowa wszechświata, cokolwiek by to nie była, nie może być zależna od czasu, ponieważ nie ma zewnętrznego zegara, według którego mogłaby być pomiar. Dlatego ilość energii we wszechświecie, kiedy dodasz dodatni i ujemny wkład materii i grawitacji, zawsze musi pozostawać zerowa. Nieograniczona funkcja falowa spełnia równanie Wheelera-DeWitta dla minisuperprzestrzeni.
W ostatnich latach życia Hawkinga on i jego współpracownicy zaczęli używać holografii, nowego przebojowego podejścia, które postrzega czasoprzestrzeń jako hologram, aby lepiej zrozumieć funkcję fal jako całość. Hawking szukał holograficznego opisu wszechświata w postaci lotki, w której geometria całej przeszłości byłaby rzutowana z teraźniejszości.
Te wysiłki są kontynuowane pod nieobecność Hawkinga. Ale Turek postrzega tę zmianę akcentu jako zmianę zasad. Według niego, odmawiając sformułowania całki ścieżki, zwolennicy modelu bez granic sprawili, że jest ona słabo zdefiniowana. Jego zdaniem to, co badają, nie jest już modelem Hartle-Hawkinga, chociaż sam Hartl się z tym nie zgadza.
W ciągu ostatniego roku Turok i jego koledzy z Perimeter Institute, Latham Boyle i Kieran Finn, opracowali nowy model kosmologiczny, który ma wiele wspólnego z modelem bez granic. Ale zamiast jednej lotki składa się z dwóch korków w kształcie klepsydry, w których czas płynie w obu kierunkach. Chociaż model nie jest jeszcze wystarczająco rozwinięty, aby cokolwiek przewidzieć, jego piękno polega na tym, że jego płatki realizują symetrię CPT, najwyraźniej podstawowe naturalne lustro, które jednocześnie odbija materię i antymaterię, z lewej i prawej strony, a także z przodu i cofnąć się w czasie. Jedną z jego wad jest to, że płatki lustrzanego odbicia wszechświata występują w liczbie pojedynczej w czasoprzestrzeni,co wymaga zrozumienia nieznanej kwantowej teorii grawitacji. Boyle, Finn i Turok stawiają na osobliwość, ale ta próba jest spekulacyjna.
Odradza się również zainteresowanie „modelem tunelowania”, alternatywnym poglądem na pochodzenie wszechświata z niczego, opracowanym w latach 80. przez niezależnych rosyjsko-amerykańskich kosmologów Aleksandra Vilenkina i Andreya Lindego. Model, który różni się od funkcji fali nieskończonej głównie znakiem minus, traktuje narodziny Wszechświata jako zjawisko „tunelowania” mechaniki kwantowej, podobne do sytuacji, gdy cząstka unosi się za barierą w eksperymencie mechaniki kwantowej.
Istnieje wiele pytań dotyczących związku różnych modeli z rozumowaniem antropicznym i niesławną ideą multiwersu. Na przykład nieskończona funkcja falowa faworyzuje puste wszechświaty, podczas gdy ogromny, złożony wszechświat wymaga znacznych ilości materii i energii. Hawking argumentował, że ogromny zakres możliwych wszechświatów, które pasują do funkcji falowej, musi zostać zrealizowany w jakimś większym multiwersie, w ramach którego tylko tak złożone wszechświaty jak nasz będą miały mieszkańców zdolnych do obserwacji. (Niedawne kontrowersje toczą się wokół pytania, czy te złożone, zamieszkałe wszechświaty będą gładkie, czy też będą podlegały dużym fluktuacjom). Zaletą modelu tunelowania jest to, że faworyzuje on wszechświaty wypełnione materią i energią.podobnie jak nasz, nie ma potrzeby uciekać się do rozumowania antropicznego - chociaż tunelowanie do istnienia wszechświatów może mieć inne problemy.
Cokolwiek się stanie, być może część istoty obrazu, namalowanego po raz pierwszy przez Hawkinga w Papieskiej Akademii Nauk 38 lat temu, nadal pozostanie. A może zamiast początku, jak biegun południowy, wszechświat wyłonił się z osobliwości i potrzebny jest zupełnie inny rodzaj funkcji falowej. W każdym razie wyszukiwanie będzie kontynuowane. „Jeśli mówimy o teorii mechaniki kwantowej, co jeszcze można znaleźć poza funkcją falową?” - zapytał Juan Maldacena, wybitny fizyk teoretyczny z Institute for Advanced Study w Princeton w stanie New Jersey, który w dużej mierze trzymał się z daleka od niedawnych kontrowersji. Według Maldaceny, który notabene jest członkiem Papieskiej Akademii, kwestia funkcji falowej wszechświata jest „właściwą kwestią”. „Czy znajdziemy właściwą funkcję falową,lub jak powinniśmy sobie wyobrazić funkcję falową, nie jest już tak jasne”.
Natalie Wolchover