At tæmme multiverset – Stephen Hawkings sidste teori om big bang

Professor Stephen Hawkings sidste teori om universets oprindelse, som han arbejdede på i samarbejde med professor Thomas Hertog fra KU Leuven, er blevet offentliggjort i dag i Journal of High Energy Physics .

Teorien, som blev indsendt til offentliggørelse før Hawkings død tidligere i år, er baseret på strengteori og forudsiger, at universet er begrænset og langt enklere, end mange nuværende teorier om big bang siger.

Professor Hertog, hvis arbejde er blevet støttet af Det Europæiske Forskningsråd, annoncerede først den nye teori på en konference på University of Cambridge i juli sidste år, arrangeret i anledning af professor Hawkings 75 års fødselsdag.

Moderne teorier om big bang forudsiger, at vores lokalunivers opstod med et kort inflationsudbrud – med andre ord, en lille brøkdel af et sekund efter selve big bang, universet udvidede sig med en eksponentiel hastighed. Det er en udbredt opfattelse, imidlertid, at når inflationen starter, der er områder, hvor det aldrig stopper. Det menes, at kvanteeffekter kan holde inflationen i gang for evigt i nogle områder af universet, således at globalt, inflationen er evig. Den observerbare del af vores univers ville da bare være et gæstfrit lommeunivers, et område, hvor inflationen er ophørt, og stjerner og galakser er dannet.

"Den sædvanlige teori om evig inflation forudsiger, at globalt set er vores univers som en uendelig fraktal, med en mosaik af forskellige lommeuniverser, adskilt af et oppustet hav, " sagde Hawking i et interview sidste efterår. "De lokale love 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 skalaen af ​​forskellige universer i multiverset er stor eller uendelig, kan teorien ikke testes. "

I deres nye avis, Hawking og Hertog siger, at denne beretning om evig inflation som en teori om big bang er forkert. "Problemet med den sædvanlige beretning om evig inflation er, at den antager et eksisterende baggrundsunivers, der udvikler sig i henhold til Einsteins generelle relativitetsteori og behandler kvanteeffekterne som små udsving omkring dette, sagde Hertog. dynamikken i evig inflation udsletter adskillelsen mellem klassisk og kvantefysik. Som en konsekvens, Einsteins teori bryder sammen i evig inflation."

"Vi forudser, at vores univers, på den største skala, er rimelig glat og globalt begrænset. Så det er ikke en fraktal struktur, " sagde Hawking.

Teorien om evig inflation, som Hawking og Hertog fremlagde, er baseret på strengteori:en gren af ​​teoretisk fysik, der forsøger at forene tyngdekraft og generel relativitet med kvantefysik, dels ved at beskrive universets grundlæggende bestanddele som små vibrerende strenge. Deres tilgang bruger strengteorikonceptet holografi, som postulerer, at universet er et stort og komplekst hologram:fysisk virkelighed i visse 3-D rum kan matematisk reduceres til 2-D projektioner på en overflade.

Hawking og Hertog udviklede en variation af dette holografibegreb for at fremskrive tidsdimensionen i evig inflation. Dette gjorde dem i stand til at beskrive evig inflation uden at skulle stole på Einsteins teori. I den nye teori, evig inflation reduceres til en tidløs tilstand defineret på en rumlig overflade ved tidens begyndelse.

"Når vi sporer udviklingen af ​​vores univers tilbage i tiden, på et tidspunkt når vi tærsklen til evig inflation, hvor vores velkendte begreb om tid holder op med at have nogen betydning, sagde Hertog.

Hawkings tidligere 'no boundary-teori' forudsagde, at hvis du går tilbage i tiden til universets begyndelse, universet krymper og lukker sig som en kugle, men denne nye teori repræsenterer et skridt væk fra det tidligere arbejde. "Nu siger vi, at der er en grænse i vores fortid, sagde Hertog.

Hertog og Hawking brugte deres nye teori til at udlede mere pålidelige forudsigelser om universets globale struktur. De forudsagde, at universet, der opstår fra evig inflation på fortidens grænse, er begrænset og langt enklere end den uendelige fraktale struktur forudsagt af den gamle teori om evig inflation.

Deres resultater, hvis det bekræftes af yderligere arbejde, ville have vidtrækkende konsekvenser for multiversparadigmet. "Vi er ikke nede på en eneste, unikt univers, men vores resultater indebærer en betydelig reduktion af multiverset, til et meget mindre udvalg af mulige universer, " sagde Hawking.

Dette gør teorien mere forudsigelig og testbar.

Hertog planlægger nu at studere implikationerne af den nye teori på mindre skalaer, der er inden for rækkevidde af vores rumteleskoper. Han mener, at primordiale gravitationsbølger – krusninger i rumtiden – genereret ved udgangen fra evig inflation udgør den mest lovende "rygende pistol" til at teste modellen. Udvidelsen af ​​vores univers siden begyndelsen betyder, at sådanne gravitationsbølger ville have meget lange bølgelængder, uden for rækkevidden af ​​de aktuelle LIGO-detektorer. Men de kan blive hørt af det planlagte europæiske rumbaserede gravitationsbølgeobservatorium, LISA, eller set i fremtidige eksperimenter, der måler den kosmiske mikrobølgebaggrund.