Как Вселенная могла появиться из ничего

-
22:12

В 1981 году многие из ведущих космологов мира собрались в Папской академии наук, пережитке соединенных линий науки и теологии, расположенном в элегантной вилле в садах Ватикана. Стивен Хокинг выбрал августовскую обстановку, чтобы представить то, что он позже посчитает своей самой важной идеей: предложение о том, как вселенная могла возникнуть из ничего.

До выступления Хокинга все истории космологического происхождения, научные или теологические, вызывали возражение: «Что случилось до этого?». Например, теория Большого взрыва — впервые за 50 лет до лекции Хокинга бельгийским физиком и католическим священником Жоржем Лемэтром, который позже служил президентом академии наук Ватикана — перематывает расширение вселенной обратно в горячий, плотный сгусток энергии. Но откуда взялась первоначальная энергия?

У теории Большого взрыва были другие проблемы. Физики понимали, что расширяющийся сгусток энергии превратится в смятый беспорядок, а не в огромный гладкий космос, который наблюдают современные астрономы. В 1980 году, за год до выступления Хокинга, космолог Алан Гут понял, что проблемы Большого взрыва могут быть исправлены с помощью дополнения: начального, экспоненциального всплеска роста, известного как космическая инфляция, который сделал бы вселенную огромной, гладкой и плоской до гравитации был шанс разрушить его. Инфляция быстро стала ведущей теорией нашего космического происхождения. И все же проблема начальных условий осталась: каков был источник крошечного пятна, которое якобы всплывало в наш космос, и потенциальной энергии, которая его надула?

Хокинг в своем великолепии видел способ положить конец бесконечному ощупыванию во времени: он предположил, что нет конца или начала вообще. Согласно записи конференции в Ватикане, физик из Кембриджа, которому тогда было 39 лет, и который все еще мог говорить своим собственным голосом, сказал собравшимся: «В граничных условиях вселенной должно быть что-то особенное, и что может быть более особенное, чем условие, что нет границы?»

«Безграничное предложение», которое Хокинг и его частый сотрудник Джеймс Хартл полностью сформулировали в газете 1983 года, предполагает, что космос имеет форму волана. Подобно тому, как волан имеет нулевой диаметр в самой нижней точке и постепенно расширяется по пути вверх, вселенная, согласно предложению без границ, плавно расширяется от точки нулевого размера.Хартл и Хокинг вывели формулу, описывающую весь волан — так называемую «волновую функцию вселенной», которая охватывает все прошлое, настоящее и будущее — делая спор о созерцании семян творения, создателя или любого перехода от время раньше.

«Спрашивать, что было до Большого взрыва, не имеет смысла, согласно предложению о безграничности, потому что у нас нет понятия времени, на которое можно сослаться», — сказал Хокинг в другой лекции в Папской академии в 2016 году, полтора года назад его смерть. «Это все равно, что спросить, что лежит к югу от Южного полюса».

Предложение Хартла и Хокинга радикально переосмыслило время. Каждый момент во вселенной становится поперечным сечением волана; в то время как мы воспринимаем вселенную как расширяющуюся и эволюционирующую от одного момента к другому, время действительно состоит из корреляций между размером вселенной в каждом сечении и другими свойствами — в частности, ее энтропией или беспорядком. Энтропия возрастает от пробки до перьев, направляя появляющуюся стрелу времени. Однако около закругленного дна волана корреляции менее надежны; время перестает существовать и заменяется чистым пространством. Как Хартл, которому сейчас 79 лет, и профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, недавно объяснил это по телефону: «У нас не было птиц в самой ранней вселенной; у нас есть птицы позже… У нас не было времени в ранней вселенной, но у нас есть время позже».

Предложение без границ очаровывало и вдохновляло физиков в течение почти четырех десятилетий. «Это потрясающе красивая и провокационная идея», — сказал Нил Турок, космолог из Института теоретической физики по периметру в Ватерлоо, Канада, и бывший сотрудник Хокинга. Предложение представляло собой первое предположение о квантовом описании космоса — волновой функции вселенной.Вскоре возникло целое поле, квантовая космология, когда исследователи разработали альтернативные идеи о том, как Вселенная могла появиться из ничего, проанализировали различные предсказания и способы их проверки и интерпретировали их философское значение. По словам Хартла, безграничная волновая функция «была в некотором роде самым простым предложением для этого».

Но два года назад статья Турока, Джоба Фельдбрюгге из Института периметра и Жана-Люка Ленера из Института гравитационной физики Макса Планка в Германии поставила под сомнение предложение Хартла-Хокинга. Это предложение, конечно, жизнеспособно только в том случае, если вселенная, которая выходит из безразмерной точки, как воображали Хартл и Хокинг, естественным образом вырастает во вселенную, подобную нашей. Хокинг и Хартл утверждали, что это действительно так — что вселенные без границ будут иметь тенденцию быть огромными, невероятно гладкими, впечатляюще плоскими и расширяющимися, точно так же, как и сам космос. «Проблема с подходом Стивена и Джима в том, что он был неоднозначным, — сказал Турок, — глубоко двусмысленным».

В своей статье 2017 года, опубликованной вPhysical Review Letters, Турок и его соавторы подошли к безграничному предложению Хартла и Хокинга с помощью новых математических методов, которые, по их мнению, делают его предсказания гораздо более конкретными, чем раньше. «Мы обнаружили, что это с треском провалилось», — сказал Турок. «У квантовой механики просто не было возможности начать так, как они себе представляли». Трио проверило их математику и выяснило их исходные предположения, прежде чем обнародовать, но «к сожалению, — сказал Турок, — это просто казалось неизбежным, что предложение Хартла-Хокинга было катастрофой».

Бумага зажгла противоречие. Другие эксперты энергично защищали идею без границ и опровергали доводы Турока и его коллег. «Мы не согласны с его техническими аргументами», — сказал Томас Хертог, физик из Католического университета в Левене в Бельгии, который тесно сотрудничал с Хокингом в течение последних 20 лет его жизни. «Но что более важно, мы также не согласны с его определением, его концепцией, его выбором принципов. И это более интересная дискуссия.

После двух лет спарринга группы проследили свое техническое несогласие с различными взглядами на то, как работает природа. Горячие, но в то же время дружеские дебаты помогли обосновать идею, которая поразила воображение Хокинга. Даже критики его специфической формулы и Хартла, в том числе Турок и Ленерс, разрабатывают конкурирующие квантово-космологические модели, которые пытаются избежать предполагаемых ловушек оригинала, сохраняя при этом его безграничную привлекательность.

Сад космических наслаждений

Хартл и Хокинг видели друг друга с 1970-х годов, как правило, когда они встречались в Кембридже в течение долгих периодов сотрудничества. Теоретические исследования дуэта черных дыр и таинственных сингулярностей в их центрах поставили их перед вопросом нашего космического происхождения.

В 1915 году Альберт Эйнштейн обнаружил, что концентрации вещества или энергии деформируют ткань пространства-времени, вызывая гравитацию. В 1960-х годах Хокинг и физик Оксфордского университета Роджер Пенроуз доказали, что когда пространство-время изгибается достаточно круто, например, внутри черной дыры или, возможно, во время Большого взрыва, оно неизбежно разрушается, бесконечно круто изгибаясь в сторону сингулярности, где нарушаются уравнения Эйнштейна, вниз и новая, квантовая теория гравитации необходима. «Теоремы сингулярности» Пенроуза-Хокинга означали, что у пространства-времени нет возможности начать плавно, недраматично в одной точке.

Таким образом, Хокинг и Хартл размышляли над возможностью того, что вселенная возникла как чистое пространство, а не как динамическое пространство-время. И это привело их к геометрии волана.Они определили безграничную волновую функцию, описывающую такую вселенную, используя подход, изобретенный героем Хокинга, физиком Ричардом Фейнманом. В 1940-х годах Фейман разработал схему для расчета наиболее вероятных результатов квантово-механических событий. Чтобы предсказать, скажем, наиболее вероятные результаты столкновения частиц, Фейнман обнаружил, что вы можете суммировать все возможные пути, которые могут пройти сталкивающиеся частицы, взвешивая прямые пути больше, чем извилистые в сумме. Вычисление этого «интеграла по траектории» дает вам волновую функцию: распределение вероятностей, указывающее различные возможные состояния частиц после столкновения.

Аналогично, Хартл и Хокинг выразили волновую функцию вселенной — которая описывает ее вероятные состояния — как сумму всех возможных путей, которыми она могла бы плавно расширяться из точки. Была надежда, что сумма всех возможных «историй расширения», вселенных с гладким дном всех различных форм и размеров, даст волновую функцию, которая с высокой вероятностью дает такую огромную, гладкую, плоскую вселенную, как наша. Если взвешенная сумма всех возможных историй расширения дает какой-то другой вид вселенной в качестве наиболее вероятного результата, предложение без границ терпит неудачу.

Проблема в том, что интеграл по всем возможным историям расширения слишком сложен, чтобы его можно было точно рассчитать. Возможны бесчисленные всевозможные формы и размеры вселенных, и каждая из них может быть грязной. «Мюррей Гелл-Манн имел обыкновение спрашивать меня, — сказал Хартл, обращаясь к физику, лауреату покойной Нобелевской премии, — если ты знаешь волновую функцию вселенной, почему ты не богат?» Конечно, чтобы на самом деле решить волновую функцию, используя метод Фейнмана Метод, Хартл и Хокинг должны были радикально упростить ситуацию, игнорируя даже конкретные частицы, которые населяют наш мир (что означало, что их формула была далеко не в состоянии предсказать фондовый рынок). Они считали, что путь является интегральным по всем возможным игрушечным вселенным в «минисуперпространстве», определяемом как совокупность всех вселенных с единым энергетическим полем, проходящим через них: энергией, которая питала космическую инфляцию.

Даже вычисление минисуперпространства трудно точно решить, но физики знают, что есть две возможные истории расширения, которые потенциально доминируют в вычислениях. Эти конкурирующие формы вселенной закрепляют две стороны текущей дискуссии.

Конкурирующими решениями являются две «классические» истории расширения, которые может иметь вселенная. После первоначального всплеска космической инфляции с нулевого размера эти вселенные неуклонно расширяются в соответствии с теорией гравитации Эйнштейна и пространством-временем. Более странные истории расширения, такие как футбольные вселенные или гусеничные, в основном сводятся на нет в квантовых вычислениях.

Одно из двух классических решений напоминает нашу вселенную. В больших масштабах он плавный и случайно пестрый с энергией из-за квантовых колебаний во время инфляции.Как и в реальной вселенной, различия в плотности между регионами образуют колоколообразную кривую вокруг нуля. Если это возможное решение действительно доминирует над волновой функцией для мини-пространства, становится правдоподобным представить, что гораздо более детальная и точная версия безграничной волновой функции может служить жизнеспособной космологической моделью реальной вселенной.

Другая потенциально доминирующая форма вселенной не имеет ничего общего с реальностью. По мере того, как он расширяется, энергия, вливающая его, меняется все более и более чрезвычайно, создавая огромные различия в плотности от одного места к другому, что гравитация постоянно ухудшается. Изменения плотности образуют перевернутую кривую колокольчика, где различия между регионами приближаются не к нулю, а к бесконечности. Если это доминирующий член в неограниченной волновой функции для минисуперпространства, то предложение Хартла-Хокинга может показаться неверным.

Две доминирующие истории расширения представляют выбор того, как должен выполняться интеграл по путям. Если доминирующие истории — это два местоположения на карте, мегаполисы в сфере всех возможных квантово-механических вселенных, вопрос в том, какой путь мы должны пройти через местность. Какую доминирующую историю расширения, и может быть только одну, должен выбрать наш «контур интеграции»? Исследователи прокладывали разные пути.

В своей статье 2017 года Turok, Feldbrugge и Lehners пошли по пути возможных историй расширения, которые привели ко второму доминирующему решению. По их мнению, единственным разумным контуром является тот, который просматривает реальные значения (в противоположность мнимым значениям, которые включают квадратные корни отрицательных чисел) для переменной, называемой «упущением». По сути, упущение — это высота каждой возможной вселенной волана — расстояние, необходимое для достижения определенного диаметра.Не имея причинного элемента, упущение не совсем наше обычное представление о времени. Тем не менее, Turok и его коллеги частично утверждают на том основании, что физические смыслы имеют только реальные значения. А суммирование по вселенным с реальными значениями ошибок приводит к дико колеблющемуся физически бессмысленному решению.

«Люди очень верят в интуицию Стивена, — сказал Турок по телефону. «По понятной причине — я имею в виду, он, вероятно, имел лучшую интуицию из всех на эти темы. Но он не всегда был прав.

Воображаемые вселенные

Джонатан Холливэлл, физик из Имперского колледжа в Лондоне, изучал предложение без границ с тех пор, как он учился у Хокинга в 1980-х годах. Он и Хартл проанализировали проблему контура интеграции в 1990 году. С их точки зрения, а также с точки зрения Хертога и, по-видимому, Хокинга, контур является не фундаментальным, а скорее математическим инструментом, который можно использовать с наибольшим преимуществом. Это похоже на то, как траектория движения планеты вокруг Солнца может быть математически выражена в виде серии углов, в виде ряда времен или в виде любого из нескольких других удобных параметров. «Вы можете выполнять эту параметризацию разными способами, но ни один из них не является более физическим, чем другой», — сказал Холливэлл.

Он и его коллеги утверждают, что в случае минисуперпространства имеют смысл только контуры, которые улавливают хорошую историю расширения. Квантовая механика требует, чтобы вероятности прибавлялись к 1 или были «нормализуемыми», но дико колеблющаяся вселенная, в которую приземлилась команда Турока, — нет. Это решение бессмысленно, страдает от бесконечностей и не допускается квантовыми законами — очевидные признаки, по мнению защитников без границ, идти другим путем.

Это правда, что контуры, проходящие через хорошее решение, суммируют возможные вселенные с мнимыми значениями их переменных. Но кроме Турока и компании, мало кто думает, что это проблема. Мнимые числа пронизывают квантовую механику. Команде Хартл-Хокинг критики ссылаются на ложное представление о причинности, требуя, чтобы ошибка была реальной. «Это принцип, который не записан на звездах и с которым мы глубоко не согласны», — сказал Хертог.

Согласно Хертогу, Хокинг редко упоминал интегральную форму пути безграничной волновой функции в последние годы, отчасти из-за неоднозначности выбора контура. Он рассматривал нормируемую историю расширения, которую интегральный путь только что помог раскрыть, как решение более фундаментального уравнения вселенной, поставленного в 1960-х годах физиками Джоном Уилером и Брайсом ДеВиттом.Уилер и ДеВитт — после обдумывания вопроса во время остановки в Роли-Дарем Интернешнл — утверждали, что волновая функция вселенной, какой бы она ни была, не может зависеть от времени, поскольку нет внешних часов, по которым ее можно было бы измерить. И, таким образом, количество энергии во вселенной, когда вы складываете положительный и отрицательный вклады материи и гравитации, должно всегда оставаться на нуле.

В последние годы своей жизни, чтобы лучше понять волновую функцию в целом, Хокинг и его сотрудники начали применять голографию — новый подход блокбастера, который рассматривает пространство-время как голограмму. Хокинг искал голографическое описание вселенной в форме волана, в которой геометрия всего прошлого проецировалась бы из настоящего.

Эти усилия продолжаются в отсутствие Хокинга. Но Турок видит это изменение в акценте как изменение правил. Отказываясь от формулировки интеграла пути, говорит он, сторонники идеи без границ сделали ее плохо определенной. По его мнению, то, что они изучают, больше не Хартл-Хокинг, хотя сам Хартл не согласен.

В течение прошлого года Турок и его коллеги из Института периметра Латам Бойл и Киран Финн разрабатывали новую космологическую модель, которая имеет много общего с предложением о безграничности. Но вместо одного волана он представляет собой две упорядоченные пробки в пробку в виде фигуры песочных часов, в которой время течет в обоих направлениях. Хотя модель еще недостаточно развита, чтобы делать предсказания, ее прелесть заключается в том, что ее лепестки реализуют симметрию СРТ, внешне фундаментальное зеркало в природе, которое одновременно отражает материю и антивещество, левое и правое, а также вперед и назад во времени. Одним из недостатков является то, что лепестки зеркального отображения вселенной встречаются в сингулярности, в точке-пространстве, которая требует неизвестной квантовой теории гравитации, чтобы понять. Бойл, Финн и Турок делают ставку на сингулярность, но такая попытка носит спекулятивный характер.

Наблюдается также возрождение интереса к «предложению о туннелировании», альтернативному способу возникновения вселенной из ничего, задуманному в 80-х годах независимыми российско-американскими космологами Александром Виленкиным и Андреем Линде. Предложение, которое отличается от безграничной волновой функции главным образом знаком минус, бросает рождение Вселенной как квантово-механическое «туннельное» событие, подобное тому, когда частица всплывает за барьер в квантово-механическом эксперименте.

Существует множество вопросов о том, как различные предложения пересекаются с антропными рассуждениями и печально известной идеей мультивселенной. Например, безграничная волновая функция благоприятствует пустым вселенным, тогда как для придания энергии огромности и сложности необходимы значительные материя и энергия. Хокинг утверждал, что огромный разброс возможных вселенных, разрешенных волновой функцией, должен быть реализован в некотором более крупном мультивселенном, внутри которого только такие сложные вселенные, как наша, будут иметь обитателей, способных проводить наблюдения. (Недавние дебаты касаются вопроса о том, будут ли эти сложные, пригодные для обитания вселенные гладкими или дико колеблющимися.) Преимущество предложения о туннелировании заключается в том, что оно благоприятствует вселенным, наполненным материей и энергией, таким как наша, не прибегая к антропным рассуждениям — хотя вселенные туннелируют к существованию, могут быть другие проблемы.

Независимо от того, как идут дела, возможно, мы останемся с какой-то сущностью картины Хокинга, впервые написанной в Папской академии наук 38 лет назад. Или, возможно, вместо не-начала, подобного Южному полюсу, вселенная вышла из сингулярности, требуя совершенно другого типа волновой функции. В любом случае, преследование будет продолжено. «Если мы говорим о квантово-механической теории, что еще можно найти, кроме волновой функции?» — спросил Хуан Мальдасена выдающийся физик-теоретик из Института перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, который в основном остался в стороне от недавней драки. Вопрос о волновой функции вселенной «является правильным вопросом», сказал Мальдасена, который, кстати, является членом Папской академии. «Находим ли мы правильную волновую функцию или как мы должны думать о волновой функции — это менее ясно».

Оценили:
Пока никто не отметился
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!