Autor fizičara i najprodavaniji autor Stephen Hawking predstavio je program u Seattlu 2012. godine. Primjetite njegovu (zastarjelu) tvrdnju da singularnost i Veliki prasak prethodi epohi kozmičke inflacije, što je najranija epoha o kojoj imamo određene sigurnosti. (AP Photo / Ted S. Warren)

Ja sam astrofizičar. Evo o čemu se zapravo radi u završnom dokumentu Stephena Hawkinga

Spojler: to nije kraj svemira, pa ni on ne može dovesti do novih dokaza za Multiverse.

14. ožujka 2018. godine umro je najpoznatiji i najpoznatiji znanstvenik čovječanstvu, Stephen Hawking, u dobi od 76. Ostavio je bogato nasljeđe iza sebe u područjima astrofizike i kozmologije, dijeleći čuda svemira ne samo sa svojim kolegama, ali i široj javnosti. Najpoznatiji po svom radu o crnim rupama, općoj relativnosti, temi singulariteta i čuvenoj vrsti zračenja koja nosi njegovo ime - Hawkingovo zračenje - njegovo konačno nasljeđe čovječanstvu dolazi u obliku znanstvenog rada koji je još uvijek u toku. Iako se najvažniji doprinos koji je Hawking dao teorijskoj fizici dogodio u ranim fazama njegove karijere, u 1960-ima i 1970-ima, nastavio je raditi na temama od paradoksa informacija o crnoj rupi do problema vatrozida do nastanka prostora i vremena. Njegov završni rad pod nazivom Glatki izlazak iz vječne inflacije? (preprint ovdje), usredotočuje se na rođenje Svemira onako kako ga poznajemo.

Postoji velika skupina znanstvenih dokaza koji podupiru sliku svemira koji se širi i Velikog praska. Mali broj ulaznih parametara i velik broj uspjeha i predviđanja promatranja koji su naknadno provjereni jedan su od značajki uspješne znanstvene teorije. Ali je li Svemir započeo jedinstvenošću? To je još uvijek otvoreno pitanje. (NASA / GSFC)

Kada je u pitanju kako je nastao naš Univerzum, postoji nekoliko velikih pitanja na koja još uvijek nismo odgovorili. Općenito je prihvaćeno da je Svemir u kojem danas živimo, pun zvijezda, galaksija, planeta i, možda, bezbroj oblika života, nastao iz vrelijeg, gušćeg i ujednačenijeg stanja u prošlosti. Budući da se tkanina samog prostora proširuje, a kako se širi, ona proširuje svjetlost koja ju nastanjuje na veće i hladnije valne duljine, ima smisla zaključiti da je u prošlosti bila gušća i toplija. Budući da gravitacija s vremenom uzrokuje rast nakupina, povlačeći dodatnu tvar u najgušće regije, ima smisla zaključiti da je Svemir u prošlosti bio glatkiji i ujednačeniji. Ako ekstrapolirate unatrag u vremenu, možete zamisliti vrijeme kada još nije bilo galaksija ili čak zvijezda; kad još nije bilo neutralnih atoma; gdje nije bilo atomske jezgre. Do sada, za sve to postoji podrška promatranja. Ali ako ekstrapolirate dovoljno daleko, doći ćete do proizvoljno vrućeg, gustog stanja: jedinstvenost.

Zvijezde i galaksije koje danas vidimo nisu uvijek postojale, a što dalje odlazimo, sve je bliže savršeno glatkom Svemiru, ali postoji ograničenje glatkoće koju bi mogao postići, inače ne bismo imali nijednu danas uopće. Da bismo sve to objasnili, potrebna nam je izmjena Velikog praska: kosmološka inflacija. (NASA, ESA i A. Feild (STScI))

Barem, to je bila naivna pretpostavka koju smo stvorili generaciju ili dvije. Krajem 1970-ih postalo je jasno da je Veliki prasak od nas zahtijevao da započnemo s nizom početnih uvjeta koji su bili vrlo specifični, fino podešeni i nimalo dobro motivirani kako bismo dobili Svemir da mi vidimo. Ili su to bila jednostavno svojstva s kojima se svemir rodio, ili su nastala iz nekog postojećeg stanja koje je uzrokovalo da se ovi uvjeti počnu stvarati. Postojao je način da se dobiju ovi početni uvjeti ako bi svemir prošao kroz vrijeme kozmološke inflacije, gdje su umjesto tvari i zračenja postojali oblik energije koji je bio svojstven tkanini svemira. Ta energija vakuuma, ili energija polja, trebalo je na poseban način povezati s tkaninom svemirskog vremena i vodila bi u razdoblje u kojem se sama tkanina prostora protezala eksponencijalno, u dužem trajanju, stvarajući ravan, ujednačen Svemir lišen visokoenergetskih čestica.

Napuhavanje uzrokuje eksponencijalno širenje prostora, što može vrlo brzo rezultirati da bilo koji prethodno postojeći zakrivljeni prostor izgleda kao ravan, a sve postojeće čestice se naduvaju jedna od druge. (E. Siegel (L); udžbenik za kosmologiju Ned Wrighta (R))

Ispostavilo se da ovo razdoblje kozmičke inflacije objašnjava veliki broj opažanja, od kojih mnoga još nisu izvršena prilikom prvog izračunavanja inflacijskih predviđanja. Predviđao je Svemir specifičnom spektru i obrascu kolebanja, koji će se pojaviti u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, u strukturi svemira velikih razmjera i u nizu zapaženih korelacija. Predviđalo je da će postojati gornja granica temperatura postignuta u vrućem Velikom prasku i da će doći do fluktuacija super-horizonta, na ljestvicama većim od brzine svjetlosti koja bi mogla putovati od trenutka Velikog praska. Sporazum između teorije i promatranja do sada je bio spektakularan, potvrđujući inflaciju gdje god se takva opažanja mogu dati.

Kvantne fluktuacije do kojih dolazi tijekom inflacije prostiru se u svemiru, a kad inflacija prestane, one postaju fluktuacije gustoće. To dovodi do vremena do strukture velikih razmjera u Svemiru danas, kao i do oscilacija temperature opaženih u CMB. (E. Siegel, sa slikama izvedenim iz ESA / Planck i međuagencijske radne skupine DoE / NASA / NSF o CMB istraživanju)

Ali postoje neki neriješeni problemi s inflacijom. Prvo, postoji problem kako je započela inflacija. Izravno je pokazati, kao što su to Borde, Guth i Vilenkin 2001. godine učinili da su sve čestice koje nastaju u inflatornom svemirskom vremenu sigurno morale ispuniti neko vremensko razdoblje. U jeziku relativnosti, naduvavanje prostora je prošlo vremensko razdoblje nepotpuno. Ovaj teorem nije univerzalan, što znači da neki modeli inflacije mogu potencijalno izbjeći početak inflacije. Ali tamo gdje se primjenjuje, ona ukazuje da je inflacija nastala iz već postojećeg stanja i da stoga podrazumijeva postojanje jedinstvenosti. Stephen Hawking stručnjak je za teoreme o singularnosti, njegov bezgranični prijedlog s Jamesom Hartleom povezan je s tim pitanjem, a tijekom života bio je (razumljivo) djelomičan prema svemirskim vremenima koji imaju jedinstven početak.

Unutar crne rupe, prostorna zakrivljenost je toliko velika da svjetlost ne može pobjeći niti čestice ni pod kojim uvjetima. Pojedinačnost, utemeljena na našim trenutnim zakonima fizike, mora biti neizbježnost. Stephen Hawking bio je stručnjak za jedinstvenosti i teoreme singularnosti, a pretpostavio je da je to neizbježnost i na početku Svemira, iako je to do sada nedokazano. (Pixabayov korisnik JohnsonMartin)

Tu je i problem vječne inflacije: kada pokrenete područje naduvanja prostora u prostorima, brzo se proširuje sve ostalo. Ako napuhava samo 0,000001% svemira, nakon otprilike 10–30 sekundi samo se jedan dio u 10 ^ 300 ne napuhava. Možda će postojati proizvoljno velik broj regija u kojima dolazi do zaustavljanja inflacije i to će dovesti do vrućeg Velikog praska, ali oni će zauvijek biti razdvojeni naduvavanjem prostora među njima. Naziv vječna inflacija nastaje zato što jednom kada pokrenete inflaciju, ona proizvoljno proizlazi daleko u budućnost, i to čini u većini krajeva prostora.

Gdje god se dogodi inflacija (plave kocke), ona stvara eksponencijalno više područja prostora sa svakim korakom naprijed u vremenu. Čak i ako postoji mnogo kockica gdje se inflacija završava (crveni X), postoji daleko više regija u kojima će se inflacija nastaviti u budućnosti. Činjenica da ovo nikada ne dolazi do kraja čini inflaciju

Pokušaj razumijevanja:

  1. kako je započela inflacija,
  2. Koji su uvjeti postojali prije početka inflacije,
  3. zbog čega je inflacija završila tamo gdje jesmo,
  4. kolika je vjerojatnost da će se okončati u određenoj regiji,
  5. i da li je vječna, bilo u budućnost ili prošlost,

su sva aktivna područja istraživanja. Mnogi su vrhunski kozmolozi i astrofizičari objavili ovu temu, a to rade odabirom načina za modeliranje ovog fizičkog ponašanja i izvodeći posljedice. Konačni rad Hawkinga, zajedno s bivšim učenikom Thomasom Hertogom, još je jedan ulazak u sagu.

Ogroman broj zasebnih regija u kojima se događaju velike praske razdvojene su neprestanim naduvavanjem prostora u vječnoj inflaciji. Da bi postojao naš Univerzum, on mora imati konačnu vjerojatnost stvaranja s obzirom na multiverzum. Neki radovi, uključujući novi od strane Hawkinga i Hertoga, osporavaju ovaj zaključak. (Karen46 od http://www.freeimages.com/profile/karen46)

Evo, ukratko, što rade. Oni stvaraju (deformiranu) konformnu teoriju polja koja je matematički ekvivalentna (ili dvostruka) vječno naduvanom svemirskom vremenu i istražuju neka matematička svojstva te teorije polja. Oni posebno izgledaju gdje se grana svemirskog vremena koje se napuhava za vječnost (naprijed u vremenu) nasuprot onome koje nema, i to smatraju zanimljivim problemom koji treba uzeti u obzir. Zatim pregledavaju geometrije koje proizlaze iz teorije polja, pokušavaju to preslikati na naš fizički napuhani Univerzum i iz toga zaključuju. Na temelju onoga što otkrivaju, tvrde da vam izlazak iz inflacije ne daje nešto vječno naduvavanje u budućnost, s nepovezanim džepovima u kojima se javljaju vruće velike praske, već je izlaz konačan i gladak. Drugim riječima, on vam daje jedan Svemir, a ne niz rastavljenih Univerzuma ugrađenih u veći multiverse.

Svemir koji se širi, pun galaksija i složene strukture koju danas vidimo, nastao je iz manjeg, toplijeg, gušćeg, ujednačenijeg stanja. (C. Faucher-Giguère, A. Lidz i L. Hernquist, Science 319, 5859 (47))

To je njihov rad. Nema vidljivih posljedica; nema se što mjeriti; nema se što testirati. Ne postoje predviđanja o kraju svemira i nema čvrstih zaključaka koje možemo izvući o njegovom početku. Ogromna su ograničenja implikacija ovog rada i malo je uvjerljivih razloga koji vjeruju da njihov model igračaka ima relevantnost za naš fizički svemir. To je sjeme ideje koja je i sama po sebi kontroverzna, temeljena na također kontroverznim temeljima i to je vrlo mali korak u njenom razvoju. Nadalje, sve što rade temelji se na pretpostavci bez granica Hartle-Hawkinga, koja još uvijek nije općenito prihvaćena kao istina. Autori idu toliko daleko da priznaju, u raspravi ovog rada, da čak i unutar svog modela igračaka nisu pokazali da postoji ne-multiverzalni poticaj za vječnu inflaciju:

Stoga ostaje otvoreno pitanje utječe li pretpostavljena glatkoća površina konstantne gustoće na vječnost vječne inflacije.
Plave i crvene linije predstavljaju „tradicionalni“ scenarij Velikog praska, gdje sve započinje u trenutku t = 0, uključujući i sam prostor-vrijeme. Ali u inflatornom scenariju (žuto) nikada ne postižemo singularnost, gdje prostor ide u jedinstveno stanje; umjesto toga, u prošlosti može dobiti samo proizvoljno male, dok vrijeme i dalje ide zauvijek unatrag. Bezgranični uvjeti Hawking-Hartle dovode u pitanje dugovječnost ove države, kao i teorema Borde-Guth-Vilenkin, ali nijedno nije sigurno. (E. Siegel)

Pitanja na koja pokušavaju odgovoriti su još uvijek valjana, otvorena pitanja, i najbolje što ovaj rad može učiniti - ako je ispravno i relevantno, a možda nije jedno - ne pruža prijedloge za odgovor. Pristup se u najvećoj mjeri temelji na poslu koji su Hartle, Hawking i Hertog radili u prošlosti, dS / CFT vezu koju su pokrenuli Chris Hull i drugi, zajedno sa nizom nadahnutim radom Andreja Stromingera i njegovih suradnika. Ništa se od toga ne temelji na bilo kojem realnom kosmološkom modelu; ovo su modeli igračaka koje oni izračunavaju, a zatim rasuđivanje po analogiji s onim što mi zapravo znamo. Kao i većina teorijskih djela u vrlo ranim fazama, postoje i zanimljive ideje koje su predstavljene, rad i proračuni vrlo su spekulativni, a ne postoji nužno i veza sa stvarnošću. Ali postoji vjerojatnost da nije nula stvarna. A u teorijskoj fizici, nova ideja koja ima šansu vrijedi beskonačno više nego što uopće nema novih ideja.

Kozmolog Stephen Hawking na najavi 2016. godine nove probojne inicijative usredotočen na istraživanje svemira i potragu za životom u svemiru. (AP Photo / Bebeto Matthews)

Bez obzira kako se sve to ispostavilo, ova temeljna pitanja nastavit će oduševiti, zagonetiti i frustrirati fizičare dok tražimo konačne odgovore o pravoj prirodi samog Univerzuma.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.