Recent, ideea principală a lui Stephen Hawking - că universul ar fi putut apărea din nimic - a fost contestată, iar cosmologii au fost nevoiți să aleagă ce parte să o ia. După doi ani de confruntare, oamenii de știință au fost de acord că diferențele lor se reduce la opinii diferite asupra modului în care funcționează natura. Dezbaterea prietenoasă a contribuit la păstrarea valorii ideii lui Hawking.
În 1981, mulți dintre cei mai importanți cosmologi ai lumii s-au reunit la Pontifical Academy of Sciences, care a fost martorul fuziunii științei și teologiei și este situat într-o vilă elegantă din grădinile Vaticanului. Stephen Hawking a ales ziua de august pentru a prezenta ceea ce avea să numească ulterior cea mai importantă idee a sa: ipoteza că universul ar fi putut să apară din nimic.
Înainte de discursul lui Hawking, toate poveștile de origine cosmologică, științifice sau teologice, erau obiecționale: „Ce s-a întâmplat înainte de asta?” De exemplu, teoria Big Bang - propusă pentru prima dată cu 50 de ani înainte de prelegerea lui Hawking de către fizicianul belgian și preotul catolic Georges Lemaître, care mai târziu a fost președinte al Academiei de Științe din Vatican - spune că înainte de începerea expansiunii, universul era un pachet fierbinte și dens de energie. … Dar de unde a venit energia inițială?
Teoria Big Bang-ului a avut și alte defecte. Fizicienii au înțeles că pachetul de energie în expansiune se va transforma mai degrabă în ceva sfărâmat și haotic, decât în imensul spațiu neted pe care îl observă astronomii moderni. În 1980, cu un an înaintea discursului lui Hawking, cosmologul Alan Guth și-a dat seama că erorile Big Bang-ului ar putea fi corectate cu o adăugare mică: o creștere inițială, exponențială a creșterii cunoscută sub numele de inflație cosmică, care ar face universul imens, neted și plat. înainte ca gravitația să o poată distruge. Inflația a devenit rapid teoria principală pentru originea cosmosului nostru. Și totuși, a rămas întrebarea cu privire la care erau condițiile inițiale: de unde a fost minuscul punct care se presupune că s-a umflat în universul nostru și energia potențială care l-a extins?
Magnificul Hawking a găsit o modalitate de a pune capăt încercărilor interminabile de a privi și mai departe în trecut: a presupus că nu există niciun sfârșit sau început. Conform procesului-verbal al conferinței de la Vatican, un fizician de la Cambridge, în vârstă de 39 de ani și care ar putea totuși să vorbească cu propria voce, a spus publicului: „Trebuie să existe ceva special în condiții de la marginea universului și ce poate fi mai special decât atât. un stat în care nu există graniță?"
Hawking și James Hartle, cu care au lucrat deseori împreună, și-au formulat în cele din urmă „ipoteza fără graniță” în lucrarea lor din 1983, unde au sugerat că spațiul are forma unei navete. La fel cum un naveta navetă are un diametru de zero în punctul cel mai mic și se extinde treptat pe parcursul drumului sus, universul, conform ipotezei fără limite, se extinde fără probleme de la un punct de mărime zero. Hartle și Hawking au venit cu o formulă care descrie întreaga navetă - așa-numita „funcție de undă a universului” care cuprinde tot trecutul, prezentul și viitorul - făcând fără sens căutarea originilor creației, ale creatorului sau a oricărei tranziții de la un stat la altul în trecut.
„În conformitate cu ipoteza absenței granițelor, nu are sens să se pună întrebarea ce s-a întâmplat înainte de Big Bang, deoarece nu există un concept de timp care să poată deveni un punct de plecare”, a spus Hawking în cadrul unei alte prelegeri la Academia Pontificală în 2016, un an și jumătate înainte de moartea sa. „Este ca și cum ai întreba ce este la sudul Polului Sud”.
Ipoteza Hartle-Hawking a revizuit radical conceptul de timp. Fiecare moment din univers a devenit o secțiune transversală a unui shuttlecock; în timp ce percepem universul ca se extinde și evoluează din moment în moment, timpul este de fapt format din corelații între mărimea universului din fiecare secțiune și alte proprietăți - în special entropia sau tulburarea sa. Entropia crește de la plută la pene, vizând săgeata emergentă a timpului. Cu toate acestea, aproape de fundul rotunjit al navetei, corelațiile sunt mai puțin fiabile; timpul încetează să mai existe și este înlocuit de spațiul pur. Hartle, profesor la Universitatea California din Santa Barbara, acum 79 de ani, a comentat recent într-o conversație telefonică: „Nu au existat păsări în cel mai timpuriu univers; ulterior au apărut păsările. Nu a existat timp în universul timpuriuși apoi a apărut timpul”.
Video promotional:
Ipoteza fără margini i-a fascinat și a inspirat pe fizicieni de aproape patruzeci de ani. „Este o idee uimitor de frumoasă și provocatoare”, a spus Neil Turok, cosmolog la Institutul canadian de perimetru pentru fizică teoretică din Waterloo și fost colaborator Hawking. Ipoteza a fost primul proiect al unei descrieri cuantice a cosmosului - funcția de undă a universului. Curând, a apărut un întreg domeniu de știință, cosmologia cuantică, iar diverși cercetători au început să ofere idei alternative pentru modul în care universul ar fi putut veni din nimic, au analizat diverse predicții și modalități de testare a acestor teorii și au interpretat implicațiile lor filozofice. Funcția de undă infinită „a fost în unele moduri cea mai simplă explicație pentru acest lucru”, a spus Hartle.
În urmă cu doi ani, un articol al lui Turok, Job Feldbrugge al Institutului Perimetrului și Jean-Luc Lehners al Institutului Max Planck pentru fizică gravitațională din Germania au contestat ipoteza Hartle-Hawking. Această ipoteză, desigur, este viabilă numai dacă un univers care iese dintr-un punct fără dimensiuni, așa cum au conceput Hartle și Hawking, crește în mod natural într-un univers ca al nostru. Hawking și Hartl au susținut că acesta este într-adevăr cazul: universurile fără granițe sunt susceptibile de a fi uriașe, incredibil de netede, impresionant de plate și în expansiune, la fel ca și cosmosul în sine. "Problema abordării lui Stephen și Jim este că a fost ambiguă", a spus Turok, "profund ambiguu".
Într-un articol din 2017 publicat în Physical Review Letters, Turok și coautorii săi au abordat ipoteza fără margini Hartle-Hawking cu noi tehnici matematice care cred că fac predicțiile lui mult mai specifice. decât înainte. "Am constatat că a eșuat mizerabil", a spus Turok. „În ceea ce privește mecanica cuantică, universul pur și simplu nu ar fi putut apărea așa cum și-au imaginat”. Cei trei oameni de știință au verificat cu atenție calculele și datele originale înainte de a le elibera, dar, „din păcate”, a spus Turok, „părea inevitabil că propunerea Hartle-Hawking nu era potrivită”.
Controversa a izbucnit asupra acestui articol. Alți experți au confirmat vehement ideea fără frontiere și au respins argumentele lui Turok și ale colegilor săi. „Nu suntem de acord cu argumentele sale tehnice”, a declarat Thomas Hertog, fizician la Universitatea Catolică din Leuven din Belgia, care a lucrat îndeaproape cu Hawking în ultimii 20 de ani ai vieții sale. „Dar, mai important, de asemenea, nu suntem de acord cu definiția, conceptul, metodologia sa. Cu aceasta am vrea să ne certăm în primul rând”.
După doi ani de confruntare, grupurile de oameni de știință au fost de acord că diferențele lor se potrivesc la concepții diferite asupra modului în care funcționează natura. O dezbatere aprinsă, dar în același timp, prietenoasă a ajutat la păstrarea valorii ideii care îl încânta pe Hawking. Chiar și criticii lor cu Hartl față de formula specială, inclusiv Turok și Lehner, dezvoltă modele cosmologice cosmologice concurente, încercând să evite presupusele capcane ale originalului, păstrând totodată farmecul ideii infinitului.
Grădina încântărilor cosmice
Începând cu anii '70, Hartle și Hawking se întâlneau frecvent, de obicei când au avut colaborări îndelungate la Cambridge. Studiile teoretice asupra găurilor negre și a singularităților misterioase din centrele lor i-au obligat să apeleze la problema originii universului nostru.
În 1915, Albert Einstein a descoperit că concentrațiile de materie sau energie deformează țesătura spațiu-timpului, producând gravitație. În anii 1960, fizicianul de la Hawking și Oxford, Roger Penrose, a dovedit că atunci când spațiul timpului se îndoaie suficient de brusc, de exemplu, în interiorul unei găuri negre sau poate în timpul Big Bang-ului, acesta se prăbușește inevitabil, aplecându-se în mod continuu în latura singularității, unde ecuațiile lui Einstein nu funcționează și este necesară o nouă teorie cuantică a gravitației. Teoremele de singularitate Penrose-Hawking spun că spațiul-timp nu poate apărea lin, fără încărcătură la un moment dat.
Astfel, Hawking și Hartl au avut în vedere posibilitatea ca universul să apară ca spațiu pur și nu ca spațiu-timp dinamic. Iar acest lucru i-a dus la ideea geometriei navetei. Ei au definit o funcție de undă nelimitată pentru a descrie un astfel de univers folosind o abordare inventată de fizicianul idol al lui Hawking, Richard Feynman. În anii 1940, Feynman a dezvoltat o schemă pentru calcularea rezultatelor cele mai probabile ale evenimentelor mecanice cuantice. Feynman a descoperit că, să spunem, pentru a prezice rezultatele cele mai probabile ale unei coliziuni de particule, s-ar putea să însumăm toate căile posibile pe care particulele de coliziune le-ar putea parcurge, oferind căilor drepte mai multă importanță decât căile curbe. Calcularea acestei „integrale a căii” oferă funcția de undă: distribuția probabilității,indicând diferitele stări posibile ale particulelor după coliziune.
În mod similar, Hartle și Hawking au prezentat funcția de undă a universului - descriind stările sale probabile - ca suma tuturor căilor posibile în care se poate extinde fără probleme dintr-un punct. Ei sperau că suma tuturor posibilelor „povești de expansiune”, universuri cu funduri netede, de toate formele și dimensiunile, să producă o funcție de undă care poate genera un univers imens, neted, plat, ca al nostru. Dacă suma ponderată a tuturor istoriilor de expansiune posibile este rezultatul cel mai probabil al unui alt tip de univers, ipoteza fără graniță este inconsistentă.
Problema este că integralitatea tuturor istoriilor de expansiune posibile este prea complexă pentru a fi calculată cu exactitate. Există nenumărate variații în formele și dimensiunile universurilor și fiecare dintre ele se poate dovedi a fi o poveste foarte confuză. "Murray Gell-Mann m-a întrebat", a spus Hartle despre fizicianul care a câștigat premiul Nobel, "dacă știți funcția valului universului, de ce nu v-ați îmbogățit?" Desigur, pentru a găsi efectiv funcția de val folosind metoda Feynman, Hartl și Hawking trebuiau să simplifice radical situația, ignorând chiar și particulele specifice care locuiesc în lumea noastră (ceea ce înseamnă că formula lor era foarte departe de a prezice piețele bursiere). Ei credeau că traiectoria este integrală pentru toate universurile posibile ale jucăriei din „mini-spațiul suprapersonal”,adică în ansamblul tuturor universurilor cu un singur câmp energetic care trece prin ele: energia care alimentează inflația cosmică. (În naveta Hartle-Hawking, această perioadă inițială de expansiune corespunde unei creșteri rapide a diametrului la baza dopului.)
Chiar și minisuperspațiul este dificil de calculat cu exactitate, dar fizicienii știu că există două istorii de expansiune posibile care ar putea fi rezultatele cele mai probabile ale acestor calcule. Aceste forme concurente ale universului corespund celor două părți ale dezbaterii actuale.
Aceste două teorii concurente reprezintă două povești „clasice” despre expansiunea universului care ar fi putut avea loc. După explozia inițială a inflației cosmice de mărime zero, aceste universuri se extind constant în conformitate cu teoria lui Einstein despre gravitație și spațiu. Povestile de expansiune mai complexe, cum ar fi universul de fotbal și omida, sunt în mare parte negate de calculul cuantic.
Una dintre cele două soluții clasice seamănă cu universul nostru. La o scară mai mare, este netedă, iar energia este distribuită la întâmplare prin ea, din cauza fluctuațiilor cuantice din timpul inflației. Ca și în universul real, diferențele de densitate între diferitele sale regiuni formează o curbă gaussiană aproape de zero. Dacă această soluție posibilă este într-adevăr cea mai plauzibilă atunci când se calculează funcția de undă pentru spațiul minisupers, este posibil să ne imaginăm că o versiune mult mai detaliată și precisă a funcției de undă infinită ar putea servi ca model cosmologic viabil al universului real.
O altă formă potențial dominantă a universului nu este deloc asemănătoare cu cea reală. Pe măsură ce se extinde, energia care o umple variază din ce în ce mai mult, creând gradienți de densitate uriași dintr-un loc în altul, iar gravitația este în continuă creștere. Schimbările de densitate formează o curbă gaussiană inversată, unde diferențele dintre regiuni se apropie de infinit, mai degrabă decât de zero. Dacă acesta este termenul dominant în funcția de undă infinită pentru spațiul minisupers, atunci propunerea Hartle-Hawking poate părea greșită.
Două povești de expansiune dominante ne obligă să alegem modul în care ar trebui să se efectueze integral calea. Dacă poveștile dominante sunt două locații pe o hartă, megacități pe tărâmul tuturor universurilor mecanice cuantice posibile, întrebarea este ce traiectorie ar trebui să parcurgem pe aceste meleaguri. Ce istorie dominantă a expansiunii și nu poate exista decât una, ar trebui să aleagă „conturul nostru de integrare”? Cercetătorii au aruncat deja diferite căi.
Într-un articol din 2017, Turok, Feldbrugge și Lehner au făcut o cale prin grădina posibilelor povești de expansiune care i-au dus la o a doua decizie dominantă. În opinia lor, singurul contur sensibil este cel care privește valorile reale (spre deosebire de valorile imaginare, care includ rădăcinile pătrate ale numerelor negative) pentru o variabilă numită „spațiere”. Practic, distanțarea este înălțimea fiecărui univers navetă posibil, distanța la care atinge un anumit diametru. Deoarece abaterea nu are un punct de plecare, aceasta nu se încadrează în înțelegerea noastră despre timp. Cu toate acestea, Turok și colegii săi se referă parțial în raționamentul lor la cauzalitate, argumentând că sensurile fizice au doar valori reale ale intervalului. Iar însumarea universurilor cu valori reale ale acestei variabile duce la o soluție extrem de instabilă și lipsită de sens din punct de vedere al fizicii.
„Oamenii pun multă valoare pe intuiția lui Steven”, a spus Turok la telefon. „Din motive evidente - vreau să spun, probabil că a avut cea mai bună intuiție în aceste chestiuni. Dar nu a avut întotdeauna dreptate.
Lumile imaginare
Jonathan Halliwell, fizician la Imperial College London, a studiat ipoteza fără margini de când a studiat cu Hawking în anii '80. Împreună cu Hartl, au analizat problema conturului integrării în 1990. Din punctul lor de vedere, precum și din punctul de vedere al lui Hertog și, aparent, Hawking, conturul nu este fundamental, ci mai degrabă instrumentul matematic care oferă cele mai multe avantaje. În mod similar, traiectoria unei planete în jurul Soarelui poate fi reprezentată matematic ca o serie de unghiuri, ca o serie de ori, sau ca oricare dintre alți parametri convenabili. „Puteți face această estimare a parametrilor în multe feluri, dar niciunul dintre ei nu este mai fizic decât celălalt”, a spus Halliwell.
El și colegii săi susțin că în cazul minisuperspației, doar contururile care surprind povestea de expansiune corectă au sens. Mecanica cuantică necesită probabilități de a adăuga până la 1 sau de a fi „normalizabile”, dar universul extrem de instabil la care a venit echipa Turok nu este. Această decizie este lipsită de sens, suferă de infinități și nu se supune legilor cuantice - potrivit susținătorilor ipotezei fără graniță, aceasta indică clar necesitatea de a merge pe invers.
Este adevărat că contururile care trec prin soluția corectă însumează universurile posibile cu valorile imaginare ale variabilelor lor. Dar, în afară de Turok și companie, puțini consideră că aceasta este o problemă. Numerele imaginare pătrund în mecanica cuantică. Criticii echipei Hartle-Hawking invocă o concepție greșită a cauzalității cerând ca „intervalul” să fie real. „Acesta este un principiu care nu este rânduit de cer și cu care nu suntem de acord profund”, spune Hertog.
Hertog spune că Hawking a menționat rar forma integrală a căii funcției de undă infinită în ultimii ani, în parte datorită ambiguității în alegerea conturului. El a privit istoria de expansiune normalizată, care a fost recent descoperită folosind calea integrală, ca o soluție la o ecuație mai fundamentală a universului, prezentată în anii '60 de fizicienii John Wheeler și Bryce DeWitt. Wheeler și DeWitt, gândind această întrebare în timp ce se opreau pe Aeroportul Internațional Raleigh-Durham, au susținut că funcția de undă a universului, oricare ar fi ea, nu poate depinde de timp, deoarece nu există un ceas extern prin care acesta să poată fi măsura. Prin urmare, cantitatea de energie din univers când adăugați contribuțiile pozitive și negative ale materiei și gravitației trebuie să rămână întotdeauna zero. Funcția de undă nelimitată satisface ecuația Wheeler-DeWitt pentru minispațiu.
În ultimii ani ai vieții lui Hawking, el și colegii săi au început să folosească holografia, o nouă abordare a blockbuster-ului care vede spațiul timp ca o hologramă, pentru a înțelege mai bine funcția valului în ansamblu. Hawking a căutat o descriere holografică a universului sub forma unei navete, în care geometria întregului trecut va fi proiectată din prezent.
Aceste eforturi continuă în absența lui Hawking. Însă turcul vede această schimbare în accent ca o schimbare a regulilor. Potrivit acestuia, refuzând să formuleze calea integrală, susținătorii modelului fără margini au făcut-o să fie definită prost. În opinia sa, ceea ce studiază nu mai este modelul Hartle-Hawking, deși Hartl însuși nu este de acord cu acest lucru.
În ultimul an, Turok și colegii săi din Institutul Perimetrului, Latham Boyle și Kieran Finn, au dezvoltat un nou model cosmologic care are în comun foarte mult modelul fără margini. Dar, în loc de o navetă, este format din două plute în formă de clepsidră în care timpul curge în ambele direcții. Deși modelul nu este încă suficient de dezvoltat pentru a prezice ceva, frumusețea sa constă în faptul că petalele sale implementează simetria CPT, aparent o oglindă naturală fundamentală care reflectă simultan materia și antimateria, la stânga și la dreapta, precum și înainte și înainte înapoi în timp. Unul dintre dezavantajele sale este că petalele imaginii în oglindă a universului apar la singular, în spațiu-timp,ceea ce necesită o înțelegere a teoriei cuantice necunoscute a gravitației. Boyle, Finn și Turok pariază pe singularitate, dar această încercare este speculativă.
Există, de asemenea, o reînviere a interesului pentru „modelul tunelului”, o perspectivă alternativă a originii universului din nimic, dezvoltată în anii 1980 de către cosmologii independenți ruso-americani Alexander Vilenkin și Andrey Linde. Modelul, care diferă de funcția de undă infinită, în principal prin semnul minus, consideră nașterea Universului ca un eveniment mecanic cuantic „tunel”, similar cu când o particulă plutește în spatele unei bariere într-un experiment mecanic cuantic.
Există multe întrebări despre modul în care diferitele modele se raportează la raționamentul antropic și ideea infamă a unui multivers. De exemplu, o funcție de undă infinită favorizează universurile goale, în timp ce un univers complex uriaș necesită cantități semnificative de materie și energie. Hawking a susținut că o serie uriașă de universuri posibile care se încadrează în funcția de undă trebuie realizate într-un multivers mai mare, în cadrul căruia doar universuri atât de complexe ca ale noastre vor avea locuitori capabili să observe. (Controversele recente se învârte în jurul întrebării dacă aceste universuri complexe locuibile vor fi fluide sau fluctuante foarte mari.) Avantajul modelului de tunel este că favorizează universurile pline de materie și energie.la fel ca al nostru, nu este nevoie să recurgem la raționamentul antropic - deși universurile care se tunelizează în existență pot avea alte probleme.
Orice s-ar întâmpla, poate rămâne în continuare o parte din esența picturii, pictată prima dată de Hawking la Pontifical Academy of Sciences acum 38 de ani. Sau, poate, în loc de un început fără Polul Sud, universul a apărut din singularitate și este necesar un fel de funcție de undă complet diferită. În orice caz, căutarea va continua. „Dacă vorbim despre teoria mecanică cuantică, ce se mai poate găsi pe lângă funcția de undă?” l-a întrebat Juan Maldacena, distins fizician teoretic la Institutul de Studii Avansate din Princeton, New Jersey, care s-a ferit în mare măsură de controversele recente. Potrivit Maldacenei, care, întâmplător, este membru al Pontifical Academy, întrebarea funcției de undă a universului este „întrebarea corectă”. „Găsim funcția de undă corectă,sau cum ar trebui să ne imaginăm funcția de undă nu mai este atât de clară.
Natalie Wolchover
