Autor fizičara i najprodavaniji 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 ikakvu sigurnost. (AP Photo / Ted S. Warren)

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

Spojler: To nije kraj svemira, pa ni to vjerojatno neće dovesti do novih dokaza za Multiverse.

14. ožujka 2018. 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 Univerzuma sa ne samo svojim kolege, 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 tijeku. 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 velik niz 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. Za sada postoji podrška promatranja za sve to. Ali ako ekstrapolirate dovoljno daleko, došli biste 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 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 je Svemir rođen, ili su nastala iz nekog postojećeg stanja koje je uzrokovalo nastanak tih uvjeta. Postojao je način da se dobiju ti početni uvjeti ako bi svemir prošao kroz vrijeme kozmološke inflacije, gdje su umjesto tvari i zračenja postojali oblik energije koji je bio svojstven tkivu svemira. Ta energija vakuuma ili energija polja potrebna je na određeni način da se spoji s tkaninom svemirskog vremena i dovela bi do razdoblja u kojem će se sama tkanina prostora protezati eksponencijalno, u dužem trajanju, stvarajući ravni, ujednačeni 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); Vodič za kosmologiju Ned Wrighta (R))

Pokazalo se da je ovo razdoblje kozmičke inflacije objasnilo veliki broj zapažanja, od kojih mnoga još nisu izvršena prilikom prvog izračunavanja inflacije. Predviđao je Svemir specifičnom spektru i obrascu fluktuacija, koji će se pojaviti u kozmičkoj mikrovalnoj pozadini, u širokoj strukturi Svemira 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. Jednostavno je pokazati, kao što su to radili Borde, Guth i Vilenkin 2001. godine, 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 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 tečnosti i jedinstvenosti te je pretpostavio da je to neizbježnost i na početku Svemira, iako je to još uvijek nedokazano. (Pixabayov korisnik JohnsonMartin)

Tu je i problem vječne inflacije: jednom kada pokrenete područje naduvanja prostornog vremena, brzo se proširuje sve ostalo. Ako se samo 0,000001% Svemira napuhava, tada nakon otprilike 10 ^ -30 sekundi, samo 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), to stvara eksponencijalno više područja prostora sa svakim korakom naprijed u vremenu. Čak i ako postoji mnogo kockica gdje inflacija završava (crveni Xs), postoji mnogo više regija u kojima će se inflacija nastaviti u budućnosti. Činjenica da se tome nikada ne nazire kraj je ono što čini inflaciju

Pokušaj razumijevanja:

  1. kako je započela inflacija,
  2. Koji su uvjeti postojali prije početka inflacije,
  3. zbog čega se inflacija završila tamo gdje jesmo,
  4. kolika je vjerojatnost da će se okončati u određenoj regiji,
  5. i da li je vječno ili 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 neprekidnim 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 iz http://www.freeimages.com/profile/karen46)

Evo, ukratko, što rade. Oni stvaraju (deformiranu) teoriju konformnog polja koja je matematički ekvivalentna (ili dvostruka) vječno napuhanom svemirskom vremenu i istražuju neka matematička svojstva te teorije polja. Oni, posebno, izgledaju tamo gdje se granica svemirskog vremena koje se napuhava za vječnost (naprijed u vremenu) nasuprot onome koje ne, i odabiru to kao zanimljiv problem koji treba uzeti u obzir. Zatim pregledavaju geometrije koje proizlaze iz teorije polja, pokušavaju ih preslikati na fizički napuhani svemir i iz toga zaključiti. Na temelju onoga što pronađu, tvrde da vam izlazak iz inflacije ne daje nešto vječno napuhavanje 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 Svemira ugrađenih u veći univerzum.

Svemir koji se širi, pun galaksija i složene strukture kakvu 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 papir. Nema vidljivih posljedica; nema se što mjeriti; nema se što testirati. Nema predviđanja o kraju svemira i nema čvrstih zaključaka iz kojih bismo mogli izvući njegov početak. 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 tako daleko da u raspravi o ovom radu priznaju 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 točan i relevantan, a može biti nijedan - jesu prijedlozi odgovora. Pristup se u velikoj mjeri temelji na poslu koji su Hartle, Hawking i Hertog radili u prošlosti, dS / CFT vezu koju su pokrenuli Chris Hull i drugi, zajedno s nizom nadahnutim radom Andreja Stromingera i njegovih suradnika. Ništa se od toga ne temelji na bilo kojem realnom kosmološkom modelu; to 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 jedna ne-nulta šansa da je to stvarno. A u teorijskoj fizici, nova ideja koja ima šansu vrijedi beskonačno više nego što uopće nema novih ideja.

Kozmolog Stephen Hawking na najavu za 2016. novu inicijativu za proboj 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 oduševljavati, zbunjivati ​​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.