Наскоро основната идея на Стивън Хокинг - че Вселената може да възникне от нищо - беше поставена под въпрос и космолозите трябваше да изберат коя страна да поемат. След две години на конфронтация учените се съгласиха, че различията им се свеждат до различни възгледи за това как работи природата. Приятелският дебат помогна да се запази стойността на идеята на Хокинг.
През 1981 г. много от водещите световни космолози се събраха в Папската академия на науките, които бяха свидетели на сливането на науката и теологията, разположени в елегантна вила във Ватиканските градини. Стивън Хокинг избра август ден, за да представи онова, което по-късно ще нарече най-важната си идея: хипотезата, че Вселената може да възникне от нищо.
Преди речта на Хокинг всички истории от космологичен произход, научни или богословски, бяха неоспорими: "Какво се случи преди това?" Например теорията за Големия взрив - за първи път предложена 50 години преди лекцията на Хокинг от белгийския физик и католически свещеник Жорж Лемаотре, който по-късно е бил президент на Ватиканската академия на науките - казва, че преди да започне разширяването, Вселената е била горещ и плътен сноп енергия … Но откъде идва оригиналната енергия?
Теорията за Големия взрив имаше и други недостатъци. Физиците разбраха, че разширяващият се сноп енергия ще се превърне по-скоро в нещо смачкано и хаотично, отколкото в огромното гладко пространство, което съвременните астрономи наблюдават. През 1980 г., година преди речта на Хокинг, космологът Алън Гут осъзнава, че неточностите на Големия взрив могат да бъдат коригирани с малко допълнение: първоначален, експоненциален скок в растежа, известен като космическа инфлация, който би направил Вселената огромна, гладка и плоска. преди гравитацията да може да го унищожи. Инфлацията бързо се превърна във водеща теория за произхода на нашия космос. И все пак остана въпросът, какви бяха първоначалните условия: откъде се появи мъничкото петно, което уж се е навлязло в нашата Вселена, и потенциалната енергия, която я разширява?
Великолепният Хокинг намери начин да сложи край на безкрайните опити да се вгледа още повече в миналото: той предположи, че няма край или начало изобщо. Според протокола от конференцията във Ватикана, физик от Кеймбридж, тогава на 39 години и който все още може да говори със собствения си глас, каза на публиката: „Трябва да има нещо особено в условията на края на Вселената и какво може да бъде по-специално от това. държава, в която няма граница?"
Хокинг и Джеймс Хартъл, с които често са работили заедно, най-накрая формулират своята „безгранична хипотеза“в своята книга от 1983 г., където те предполагат, че пространството е оформено като таван. Точно както совалката има диаметър нула в най-ниската си точка и постепенно се разширява по пътя нагоре, Вселената, според хипотезата за без граници, плавно се разширява от точка с нулев размер. Хартъл и Хокинг измислиха формула, описваща цялото чорапогащник - така наречената „вълнова функция на Вселената“, която обхваща цялото минало, настояще и бъдеще - правейки безсмислено търсенето на произхода на творението, създателя или всеки преход от едно състояние в друго в миналото.
„В съответствие с хипотезата за липсата на граници, няма смисъл да задавате въпроса какво се е случило преди Големия взрив, тъй като няма концепция за време, която би могла да стане отправна точка“, казва Хокинг по време на друга лекция в Папската академия през 2016 г., година и половина преди смъртта му. „Все едно да питаш какво е на юг от Южния полюс“.
Хипотезата на Хартъл-Хокинг радикално преразгледа концепцията за времето. Всеки миг във Вселената се превръщаше в напречно сечение на совалката; докато ние възприемаме Вселената като разширяваща се и развиваща се от момент на момент, времето всъщност се състои от корелации между размера на Вселената във всеки раздел и други свойства - особено нейната ентропия или разстройство. Ентропията се увеличава от корк до пера, като се насочва към появяващата се стрелка на времето. В близост до заобленото дъно на совалката корелациите са по-малко надеждни; времето престава да съществува и е заменено от чисто пространство. Хартъл, професор от Калифорнийския университет в Санта Барбара, сега на 79 години, наскоро коментира в телефонен разговор: „В най-ранната вселена нямаше птици; впоследствие се появиха птиците. В ранната вселена нямаше времеи тогава се появи времето “.
Промоционално видео:
Безграничната хипотеза очарова и вдъхнови физиците от близо четиридесет години. „Това е изумително красива и провокативна идея“, казва Нийл Турок, космолог от Канадския институт по теория на физиката във Ватерлоо и бивш сътрудник на Хокинг. Хипотезата беше първият проект на квантово описание на космоса - вълновата функция на Вселената. Скоро се появи цяла област на науката, квантовата космология и различни изследователи започнаха да предлагат алтернативни идеи за това как Вселената може да произхожда от нищо, анализираха различни прогнози и начини за тестване на тези теории и интерпретираха техните философски последици. Безкрайната вълнова функция "беше в някои отношения най-простото обяснение за това", каза Хартъл.
Но преди две години статия на Турок, Йов Фелдбруге от Института по периметър и Жан-Люк Ленерс от Института за гравитационна физика Макс Планк в Германия оспорва хипотезата на Хартл-Хокинг. Тази хипотеза, разбира се, е жизнеспособна само ако една вселена, която възниква от безразмерна точка, както предвиждаха Хартъл и Хокинг, естествено прераства във вселена като нашата. Хокинг и Хартл твърдят, че това наистина е така: вселените без граници вероятно ще бъдат огромни, невероятно гладки, впечатляващи плоски и разширяващи се, подобно на самия Космос. "Проблемът с подхода на Стивън и Джим е, че той беше двусмислен", каза Турок, "дълбоко двусмислен."
В статия от 2017 г. в „Физически преглед писма“Турок и неговите съавтори се обърнаха към безграничната хипотеза на Хартъл-Хокинг с нови математически методи, които според тях правят прогнозите му много по-конкретни. отколкото преди. „Установихме, че се е провалил мизерно“, каза Турок. „По отношение на квантовата механика Вселената просто не би могла да се появи така, както си го представяха“. Тримата учени внимателно провериха изчисленията и основните данни, преди да ги публикуват, но „за съжаление - каза Турок,„ изглежда неизбежно предложението на Хартъл-Хокинг да е неподходящо “.
Спорът избухна заради тази статия. Други експерти категорично подкрепиха идеята за липса на граници и опровергаха аргументите на Турок и неговите колеги. „Не сме съгласни с неговите технически аргументи“, казва Томас Хертог, физик в Католическия университет в Льовен в Белгия, който работи в тясно сътрудничество с Хокинг през последните 20 години от живота си. „Но по-важното е, че ние също не сме съгласни с неговото определение, неговата концепция и методология. Това е, с което бихме искали да спорим на първо място”.
След две години конфронтация групите учени се съгласиха, че различията им се свеждат до различни възгледи за това как работи природата. Горещ, но в същото време приятелски дебат помогна да се запази стойността на идеята, която вълнува Хокинг. Дори техните критици с Хартл на специалната формула, включително Турок и Ленер, разработват конкурентни квантово-космологични модели, опитвайки се да избегнат предполагаемите клопки на оригинала, като същевременно поддържат очарованието на идеята за безкрайността.
Градината на космическите изкушения
От 70-те години Хартъл и Хокинг се срещат често, обикновено когато са имали дълго сътрудничество в Кеймбридж. Теоретичните изследвания на черните дупки и тайнствените особености в техните центрове ги принуждават да се обърнат към въпроса за произхода на нашата вселена.
През 1915 г. Алберт Айнщайн открива, че концентрациите на материя или енергия деформират тъканта на космическото време, произвеждайки гравитация. През 60-те години физикът от университета Хокинг и Оксфорд Роджър Пенроуз доказа, че когато космическото време се огъне достатъчно рязко, например, в черна дупка или може би по време на Големия взрив, тя неизбежно се срива, като се огъва безкрайно в страна на сингулярността, където уравненията на Айнщайн не работят и е необходима нова, квантова теория на гравитацията. Теоремите за сингулярност на Пенроуз-Хокинг казват, че пространството-времето не може да възникне гладко, неравномерно в един момент.
Така Хокинг и Хартл обмисляха възможността Вселената да възникне като чисто пространство, а не като динамично пространство-време. И това ги доведе до идеята за геометрията на совалката. Те дефинираха безгранична вълнова функция, за да опишат такава вселена, използвайки подход, измислен от идолския физик на Хокинг Ричард Фейнман. През 40-те години Фейнман разработва схема за изчисляване на най-вероятните резултати от квантовите механични събития. Фейнман установява, че, да речем, за да се предскажат най-вероятните резултати от сблъсък на частици, човек може да обобщи всички възможни пътища, по които могат да изминат сблъскващите се частици, придавайки на правите пътеки по-голямо значение от кривите пътеки. Изчисляването на този "интегрален път" дава вълновата функция: вероятностното разпределение,показващи различните възможни състояния на частиците след сблъсък.
По същия начин Хартъл и Хокинг представиха вълновата функция на Вселената - описвайки нейните вероятни състояния - като сумата от всички възможни пътища, по които тя може плавно да се разшири от точка. Те се надяваха, че сборът от всички възможни „истории за разширение“, вселени с гладко дъно с всякакви форми и размери, ще доведе до вълнова функция, която вероятно ще генерира огромна, гладка, плоска вселена като нашата. Ако претеглената сума от всички възможни истории на разширяване е най-вероятният резултат от някакъв друг вид вселена, безграничната хипотеза е непоследователна.
Проблемът е, че интегралът във всички възможни истории на разширение е твърде сложен, за да бъде точно изчислен. Има безброй вариации във формите и размерите на вселените и всяка от тях може да се окаже много объркваща история. "Мъри Гел-Ман ме питаше", каза Хартъл за покойния физик, спечелен с Нобелова награда, "ако знаете вълновата функция на Вселената, защо не забогатехте?" Разбира се, за да намерят действително вълновата функция по метода на Фейнман, Хартъл и Хокинг трябваше да опростят радикално ситуацията, игнорирайки дори специфичните частици, които обитават нашия свят (което означаваше, че тяхната формула е много далеч от прогнозирането на фондовите пазари). Те вярвали, че траекторията е неразделна за всички възможни играчки Вселени в "мини-суперпространството",тоест в съвкупността от всички вселени с едно енергийно поле, преминаващо през тях: енергията, която подхранва космическата инфлация. (В копчето Хартъл-Хокинг този първоначален период на разширяване съответства на бързо увеличаване на диаметъра в основата на щепсела.)
Дори минипространството е трудно да се изчисли точно, но физиците знаят, че има две възможни истории на разширяване, които биха могли да бъдат най-вероятните резултати от тези изчисления. Тези конкуриращи се форми на Вселената съответстват на две страни на настоящия дебат.
Тези две конкуриращи се теории представляват две "класически" истории за разширяването на Вселената, което би могло да се случи. След първоначалния срив на космическа инфлация с размер нула, тези вселени непрекъснато се разширяват в съответствие с теорията на Айнщайн за гравитацията и космическото време. По-сложните истории за разширяване, като футбол и гъсеници на Вселената, до голяма степен се отричат от квантовите изчисления.
Едно от двете класически решения прилича на нашата вселена. В по-голям мащаб тя е гладка и енергията се разпръсква на случаен принцип в нея поради квантови колебания по време на инфлация. Както в реалната Вселена, разликите в плътността между различните й региони формират гаусска крива, близка до нулата. Ако това възможно решение наистина е най-правдоподобното при изчисляване на вълновата функция за минипространствено пространство, е възможно да си представим, че много по-подробна и точна версия на безкрайната вълнова функция може да служи като жизнеспособен космологичен модел на реалната Вселена.
Друга потенциално доминираща форма на Вселената изобщо не е като истинската. С разширяването си енергията, която я запълва, варира все по-рязко и създава огромни градиенти на плътност от едно място на друго и гравитацията непрекъснато се увеличава. Промените в плътността образуват обърната гаусска крива, при която разликите между регионите се доближават до безкрайността, а не до нулата. Ако това е доминиращият термин в безкрайната вълнова функция за минипространството, тогава предложението на Хартъл-Хокинг може да изглежда погрешно.
Две доминиращи истории за разширение ни принуждават да изберем как трябва да се изпълни интегралът на пътя. Ако доминиращите истории са две локации на карта, мегаполиси в царството на всички възможни квантови механични вселени, въпросът е каква траектория трябва да поемем през тези земи. Каква доминираща история на разширяването и може да има само една, трябва ли да избере нашия „интеграционен контур“? Изследователите вече пламнаха различни пътища.
В статия от 2017 г. Турок, Фелдбрюге и Лехнер поеха през градината от възможни истории за разширяване, които ги доведоха до второ доминиращо решение. Според тях единственият разумен контур е този, който разглежда реалните стойности (за разлика от въображаемите стойности, които включват квадратните корени на отрицателните числа) за променлива, наречена „разстояние“. По същество, разстоянието е височината на всяка възможна вселена на волан, разстоянието, на което достига определен диаметър. Тъй като отклонението няма начална точка, то не се вписва в нашето разбиране за времето. Независимо от това, Турок и неговите колеги отчасти се позовават в разсъжденията си на причинно-следствената връзка, като твърдят, че физическите значения имат само реални стойности на интервала. И сумирането над вселени с реални стойности на тази променлива води до решение, което е много нестабилно и безсмислено от гледна точка на физиката.
"Хората ценят много на интуицията на Стивън", каза Турок по телефона. „По очевидни причини - искам да кажа, той вероятно имаше най-добрата интуиция по тези въпроси. Но той не винаги е бил прав."
Въображаеми светове
Джонатан Халиуел, физик от Imperial College London, изучава безграничната хипотеза, тъй като е учил с Хокинг през 80-те години. Заедно с Hartl те анализираха въпроса за контура на интеграцията през 1990г. От тяхна гледна точка, както и от гледна точка на Хертог и, очевидно, Хокинг, контурът не е основен, а по-скоро математическият инструмент, който осигурява най-много ползи. По същия начин, траекторията на планетата около Слънцето може да бъде представена математически като поредица от ъгли, като поредица от времена или като някой от няколко други удобни параметри. „Можете да направите оценката на този параметър по много начини, но никой от тях не е по-физически от другия“, каза Халиуел.
Той и неговите колеги твърдят, че в случая на минипространствено пространство, само очертания, които улавят правилната история за разширение, имат смисъл. Квантовата механика изисква вероятности да добавят до 1 или да бъдат „нормализируеми“, но силно нестабилната вселена, в която е дошъл екипът на Турок, не е такава. Това решение е безсмислено, страда от безкрайности и не се подчинява на квантовите закони - според защитниците на безграничната хипотеза това ясно показва необходимостта да се върви по другия път.
Вярно е, че контурите, преминаващи през правилното решение, сумират възможните вселени с въображаемите стойности на техните променливи. Но освен Турок и компания, малцина смятат това за проблем. Въображаемите числа проникват в квантовата механика. Критиците на екипа на Хартъл-Хокинг цитират погрешно схващане за причинно-следствената връзка, като изискват "интервалът" да бъде реален. „Това е принцип, който не е определен от небето и с който ние не сме съгласни,“казва Хертог.
Хертог казва, че Хокинг рядко споменава интегралната форма на пътя на функцията на безкрайната вълна през последните години, отчасти поради неяснота в избора на контура. Той разглежда нормализираната история на разширяването, която наскоро беше открита с помощта на интегралния път, като решение на по-фундаментално уравнение на Вселената, поставено през 60-те години от физиците Джон Уилър и Брайс ДеУит. Уилър и ДеУит, обмисляйки този въпрос, докато спираха на международното летище Рали-Дърам, твърдяха, че вълновата функция на Вселената, каквато и да е тя, не може да зависи от времето, тъй като няма външен часовник, по който би могъл да бъде измерване. Следователно количеството енергия във Вселената, когато добавите положителните и отрицателните приноси на материята и гравитацията, винаги трябва да остане нула. Функцията за неограничена вълна удовлетворява уравнението на Wheeler-DeWitt за минипространството.
В последните години от живота на Хокинг той и неговите колеги започнаха да използват холография, нов блокбастър подход, който разглежда пространството и времето като холограма, за да разбере по-добре функцията на вълната като цяло. Хокинг потърси холографско описание на Вселената под формата на сако, в което геометрията на цялото минало ще се проектира от настоящето.
Тези усилия продължават в отсъствие на Хокинг. Но турчинът вижда това изместване в ударението като промяна в правилата. Според него, отказвайки да формулират интеграла на пътя, привържениците на безграничния модел го правят лошо дефиниран. Според него това, което учат, вече не е моделът на Хартъл-Хокинг, въпреки че самият Хартл не е съгласен с това.
През последната година Турок и колегите му от Института по периметър Латъм Бойл и Кийран Фин разработиха нов космологичен модел, който има много общо с безграничния модел. Но вместо един колан, той се състои от два тапа с форма на часовници, в които времето тече в двете посоки. Въпреки че моделът все още не е достатъчно развит, за да предскаже каквото и да било, красотата му се крие във факта, че венчелистчетата му прилагат CPT симетрия, очевидно основно естествено огледало, което едновременно отразява материята и антиматерията, отляво и отдясно, както и движение напред и назад във времето. Един от недостатъците му е, че венчелистчетата на огледалния образ на Вселената се срещат в единствено число, в пространство-време, т.е.което изисква разбиране на неизвестната квантова теория на гравитацията. Бойл, Фин и Турок залагат на сингулярността, но този опит е спекулативен.
Има също така възобновяване на интереса към „тунелния модел“, алтернативен поглед за произхода на Вселената от нищо, разработен през 80-те години от независимите руско-американски космолози Александър Виленкин и Андрей Линде. Моделът, който се различава от функцията за безкрайна вълна главно по знака минус, разглежда раждането на Вселената като квантово механично „тунелиране”, подобно на това, когато частица плува зад преграда при квантов механичен експеримент.
Има много въпроси за това как различните модели се свързват с антропните разсъждения и скандалната идея за мултиверс. Например, безкрайната вълнова функция благоприятства празните вселени, докато огромна сложна вселена изисква значителни количества материя и енергия. Хокинг твърди, че огромен диапазон от възможни вселени, които се вписват във вълновата функция, трябва да бъде реализиран в някаква по-голяма мултисеверна, в която само такива сложни вселени като нашата ще имат жители, способни да наблюдават. (Скорошното противоречие се върти около въпроса дали тези сложни обитаеми вселени ще бъдат гладки или силно колебаещи се.) Предимството на тунелния модел е, че той предпочита фаловете, пълни с материя и енергия.подобно на нашата, няма нужда да прибягваме до антропични разсъждения - въпреки че вселените тунелиране в съществуване може да имат други проблеми.
Каквото и да се случи, може би ще остане част от същността на картината, първоначално рисувана от Хокинг в Папската академия на науките преди 38 години. Или, може би, вместо начало като Южния полюс, Вселената е излязла от сингулярността и се изисква някакъв напълно различен вид вълнова функция. Във всеки случай търсенето ще продължи. "Ако говорим за квантова механична теория, какво друго може да се намери освен вълновата функция?" - попита Хуан Малдасена, изтъкнат физик-теоретик в Института за усъвършенствани изследвания в Принстън, Ню Джърси, който до голяма степен се държи настрана от скорошните спорове. Според Малдацена, която между другото е член на Папската академия, въпросът за вълновата функция на Вселената е „правилният въпрос“. „Откриваме ли правилната вълнова функция,или как трябва да си представим вълновата функция вече не е толкова ясна."
Натали Вълчовър