Stephen Hawkings Last Paper Takes on the Multiverse

Dage før hans død den 14. marts, den berømte teoretiske fysiker og kosmolog Stephen Hawking afsluttede, hvad der ville blive hans sidste forskningsartikel. Oprindeligt stillet til rådighed via arXiv -fortrykstjenesten, den bestod peer review og blev offentliggjort online i Journal of High Energy Physics den 27. april.

Skrevet med medforfatter Thomas Hertog, en teoretisk fysiker ved universitetet i Leuven, Belgien, papiret tilføjer endnu en facet til forståelsen af ​​det univers, vi lever i. Det er overflødigt at sige, det er kompliceret. Med titlen "En smidig afgang fra evig inflation?" publikationen diskuterer et gådefuldt problem, som kosmologer står over for.

Men inden vi går i dybden med undersøgelsen, lad os gå tilbage til dengang vores univers var en baby - for cirka 13,8 milliarder år siden.

Big Bang og inflation

Mange beviser tyder på, at vores univers stammer fra en singularitet, et uendeligt tæt punkt, hvor hele universet, som vi kender det, blev født. Vi kalder den begivenhed Big Bang. Men hvordan singulariteten blev til, og hvorfor Big Bang skete, er ikke bekymret lige nu. Vi er interesserede i, hvad der skete umiddelbart efter, at vores univers blev skabt, en periode kendt som "inflation".

Kosmologer forudsiger, at inflationen skete i en forsvindende lille periode lige efter Big Bang - eller under vores universs første 10 ^-32 sekunder! Under inflationen universet ekspanderede eksponentielt og meget hurtigere end lysets hastighed. Efter kun et sekund, energien fra denne ufatteligt gigantiske eksplosion kondenseret til at danne de subatomære partikler, der, over millioner af år, skabte stjernerne, galakser, planeter og (efter 3,8 milliarder år) liv. Da denne inflationsperiode sluttede, universets ekspansionshastighed bremset, men den fortsætter med at udvide den dag i dag.

Fordi inflationen drev en ekspansion hurtigere end lyshastighed, det "observerbare univers", som vi ser i dag, er ikke hel univers. Vi eksisterer snarere bare inde i et område af kosmos, som lyset har haft tid til at nå. Det er som at tabe en sten i en rolig swimmingpool. Den første cirkulære krusning, der forplanter sig fra sprøjtet, bevæger sig med en fast hastighed over poolens overflade. Hvis vi forestiller os grænsen for vores observerbare univers er den krusning - der rejser over poolen med lysets hastighed - det er ikke, at der ikke findes noget ud over den krusning (der er meget mere pool, eller univers, ud over det), vi kan bare ikke se det endnu.

Så, konsekvensen af ​​inflationen er, at der skulle være MEGET mere univers ud over det, vi kan se med vores mest kraftfulde teleskoper.

Indtast Multiverse

Kosmologer har længe kæmpet med muligheden for, at vores univers ikke er det kun univers. Faktisk, vi kunne ikke være mere end en enkelt boble i det uendelige, skummende hav, et begreb kendt som "multiverset". Du ser, inflationen skete ikke en gang; det er altid sker via en uendelig stor kædereaktion kendt som "evig inflation". Et univers vil dukke op, inflationen vil tage overhånd udvide det univers, og det univers vil have sine egne kvanteinstabilitet, der vil fremkalde flere særpræg, der fortsætter med at skabe flere universer. Det er som at sprænge en festballon, der selv gyder mange andre festballoner, der tilsyneladende tilfældigt bryder ud af dens gummioverflade. Denne situation lyder kaotisk, og det er. Tilhængere af denne hypotese mener, at evig inflation er ustoppelig, enormt komplekse og konstant genererer nye universer. Matematikken i denne situation antyder, at multiverset fungerer som en fraktal.

Det er værd at bemærke, at hvert på hinanden følgende univers i multiverset sandsynligvis ikke deler den samme fysik som vores univers. Et univers har muligvis ikke tyngdekraften. En anden støtter måske ikke de kræfter, der holder materie sammen. Der er mange dødfødte universer, der bare ikke beløber sig til meget. Vi mennesker er simpelthen heldige at have et univers, der har det rigtige miljø til at skabe det, vi ser, et filosofisk argument kendt som det antropiske princip.

Problemet med evig inflation er, at det er rodet og uendeligt, og hypotesen er, ultimativt, ustabil. Hvad er meningen med at have en vidunderlig matematisk model for universet (eller universerne), hvis vi ikke i det mindste kan finde nogle observationsbeviser, der understøtter multivershypotesen?

Hawking var ikke fan af multiverset

Så, hvad har Hawking og Hertogs forskning at gøre med dette utrættelige multivers?

I multiverset, vores univers er blot et lommeunivers, hvor inflationen er slut, og, trods oddsene, det fandt ro at skabe en overflod af stjerner og galakser og en flok mennesker, der lever på en tilfældig sten, der grubler over kosmos. Hvad der foregår ud over vores lomme af ro er, imidlertid, noget anderledes.

"Den sædvanlige teori om evig inflation forudsiger, at vores univers globalt set er som en uendelig fraktal, med en mosaik af forskellige lommeuniverser, adskilt af et oppusteligt hav, "sagde Hawking i et interview sidste år." De lokale love inden for fysik og kemi kan variere fra et lommeunivers til et andet, som tilsammen ville danne et multivers. Men jeg har aldrig været fan af multiverset. Hvis omfanget af forskellige universer i multiverset er stort eller uendeligt, kan teorien ikke testes. "

Problemet, ifølge Hawking og Hertog, ligger med uforeneligheden mellem Einsteins generelle relativitet (der styrer universets udvikling) og kvantemekanik (der frøer til dannelsen af ​​nye universer gennem kvantesvingninger). Multiversets evige inflationsmodel "udsletter adskillelsen mellem klassisk og kvantefysik, "Sagde Hertog i den medfølgende pressemeddelelse." Som en konsekvens heraf Einsteins teori bryder sammen i evig inflation. "

Deres undersøgelse går ikke så langt som at forene generel relativitet med kvantefysik (en søgen, der har, indtil nu, været uden held), men de bruger matematik fra strengteori til at forenkle multiversemodellen. Hurtig opsummering:Stringteori forudsiger, at alle de subatomære partikler i vores univers faktisk er sammensat af endimensionelle strenge, der formerer sig gennem rummet. Vibrationstilstanden for disse strenge er det, der giver disse partikler deres kvantetilstand (såsom ladning, spin og masse). Men strengteori forudsiger også eksistensen af ​​den hypotetiske graviton, en kvantepartikel, der bærer tyngdekraften. Strengteori ville derfor give en forklaring på, hvordan Einsteins generelle relativitet (tyngdekraften) svirrer med kvantefysik.

Ved hjælp af den matematiske ramme for strengteori, denne undersøgelse forenkler multiverset. Hawking og Hertog brugte strengteoribegrebet holografi til at reducere vores tredimensionelle univers ned til en todimensionel "overflade, "hvorfra det univers, vi kender og elsker, projiceres. Ved at gøre dette, de var i stand til at beskrive evig inflation uden generel relativitet, at skabe en "tidløs stat".

"Når vi sporer udviklingen af ​​vores univers baglæns i tiden, på et tidspunkt når vi tærsklen til evig inflation, hvor vores velkendte forestilling om tid ikke længere har nogen betydning, "sagde Hertog i en erklæring.

Matematikken er kompleks, men resultatet er interessant. Beregningerne har den virkning, at det uendelige og fraktale multiverse bliver til en langt enklere (og endelig) situation, end den evige inflation forudsiger.

"Vi er ikke nede på en enkelt, unikt univers, men vores fund indebærer en betydelig reduktion af multiverset, til et meget mindre udvalg af mulige universer, "sagde Hawking.

Hvordan tester vi det?

For at sætte det i perspektiv, Hawkings sidste papir revolutionerer ikke vores forståelse af, hvordan universet (og, Ja, multiverset) virker, men det er en værdifuld tilføjelse til et stort område af teoretisk arbejde. Specifikt, Hertog håber, at denne undersøgelse kan hjælpe os med at søge efter gamle gravitationsbølger, der blev genereret af evig inflation. Disse krusninger i rumtiden er alt for svage til, at nuværende gravitationsbølgedetektorer kan registrere, imidlertid. Vi bliver nødt til at vente, indtil avancerede rumbaserede observatorier-såsom det planlagte europæiske rumagenturs LISA-mission-bliver lanceret.

Uanset om denne undersøgelse fører til banebrydende opdagelser om det kosmos, vi lever i, det er et vidnesbyrd om en stor videnskabsmand, der arbejdede utrætteligt hele sit liv på at besvare nogle af de største spørgsmål, menneskeheden har grublet over. Og på Hawkings skuldre, andre store sind vil bygge videre på dette arbejde for forhåbentlig at tyde, om vores univers er unikt - eller om det er en boble, der kaotisk flyder i multiversets hav.

Den 27-årige kandidatstuderende ved Princeton University ved navn Hugh Everett III, der brainstormede konceptet om multiverset, havde oprindeligt problemer med at få sin vakuumidé udgivet.