Stephen Hawkings (σχεδόν) το τελευταίο χαρτί:βάζοντας ένα τέλος στην αρχή του σύμπαντος

Όταν ο Στίβεν Χόκινγκ πέθανε στις 14 Μαρτίου, ο διάσημος θεωρητικός φυσικός είχε μερικά έγγραφα ακόμα στα σκαριά. Σήμερα, το Journal of High Energy Physics δημοσίευσε το τελευταίο του έργο στην κοσμολογία - την επιστήμη για το πώς δημιουργήθηκε και εξελίχθηκε το σύμπαν. (Άλλες εργασίες για τις μαύρες τρύπες ετοιμάζονται ακόμη.) Στη νέα εργασία, ο Χόκινγκ και ο Τόμας Χέρτογκ, ένας θεωρητικός φυσικός στο Καθολικό Πανεπιστήμιο του Leuven (KU) στο Βέλγιο, επιχειρούν να κολλήσουν μια καρφίτσα σε μια περίεργη έννοια που ονομάζεται αιώνιος πληθωρισμός. που υπονοεί -αναπόφευκτα, σύμφωνα με ορισμένους φυσικούς- ότι το σύμπαν μας είναι μόνο ένα από τα άπειρα πολλά σε ένα πολυσύμπαν. Δανειζόμενοι μια έννοια από τη θεωρία χορδών, οι Hawking και Hertog υποστηρίζουν ότι δεν υπάρχει αιώνιος πληθωρισμός και μόνο ένα σύμπαν. Αλλά αυτό στο οποίο οδηγούν είναι κάτι ακόμα πιο βασικό:Ισχυρίζονται ότι το σύμπαν μας δεν είχε ποτέ μια μοναδική στιγμή δημιουργίας.

Πώς λειτουργεί το επιχείρημα; Ακολουθήστε το νήμα περιέλιξης του μέχρι το τέλος της αρχής.

Ας ξεκινάμε με τα βασικά:Τι είναι ο κοσμικός πληθωρισμός;

Ο κοσμικός πληθωρισμός είναι μια μνημειώδης ανάπτυξη που υποτίθεται ότι τέντωσε το βρεφικό σύμπαν κατά το πρώτο μικρότερο κλάσμα του δευτερολέπτου. Όπως ονειρεύτηκε το 1979 ο Αμερικανός θεωρητικός Άλαν Γκουθ, ο πληθωρισμός υποστηρίζει ότι αμέσως μετά τη μεγάλη έκρηξη, το διάστημα τεντώθηκε εκθετικά, διπλασιάζοντας το μέγεθος του σύμπαντος ξανά και ξανά τουλάχιστον 60 φορές πριν επιβραδυνθεί δραματικά.

Γιατί οι κοσμολόγοι πίστευαν σε κάτι τόσο παράξενο;

Ο πληθωρισμός λύνει ένα μεγάλο παζλ:Γιατί το σύμπαν είναι τόσο ομοιόμορφο; Για παράδειγμα, ο χώρος είναι γεμάτος με ακτινοβολία που παραμένει από τη Μεγάλη Έκρηξη, το κοσμικό υπόβαθρο μικροκυμάτων (CMB). Έχει σχεδόν την ίδια θερμοκρασία παντού στον ουρανό. Αυτό είναι περίεργο, καθώς τα ευρέως διαχωρισμένα σημεία φαίνονται με την πρώτη ματιά να είναι πολύ μακριά μεταξύ τους για να φτάσει οποιαδήποτε επιρροή από το ένα στο άλλο κατά τη διάρκεια των 13,8 δισεκατομμυρίων ετών που υπάρχει το σύμπαν. Ο πληθωρισμός λύνει αυτό το παζλ υπονοώντας ότι όλα τα σημεία στον ουρανό ξεκίνησαν αρκετά κοντά ώστε να αλληλεπιδρούν και στη συνέχεια τεντώθηκαν πολύ μεταξύ τους.

Αυτό κάνει ο πληθωρισμός;

Κατά ειρωνικό τρόπο, ο πληθωρισμός κάνει επίσης εξαιρετική δουλειά στο να εξηγεί γιατί το σύμπαν δεν είναι εντελώς ομοιόμορφο. Προφανώς, το διάστημα είναι γεμάτο με γαλαξίες. Σύμφωνα με τη θεωρία, ο πληθωρισμός τέντωσε απειροελάχιστες κβαντικές διακυμάνσεις εκείνες τις πρώτες στιγμές σε εξωγαλαξιακό μέγεθος. Οι διακυμάνσεις στη συνέχεια προκάλεσαν παραλλαγές στην πυκνή σούπα των θεμελιωδών σωματιδίων που σπόροι στο σχηματισμό των γαλαξιών. Ο πληθωρισμός προβλέπει ένα συγκεκριμένο φάσμα μεγαλύτερες και μικρότερες διακυμάνσεις. Εντυπωσιακά, οι μελέτες του CMB και των γαλαξιών επιβεβαιώνουν αυτή την κατανομή.

Λοιπόν, είναι αιώνιος πληθωρισμός;

Εδώ είναι που η έννοια του πληθωρισμού αντιμετωπίζει από μόνη της προβλήματα. Οι φυσικοί αντιπαθούν βαθιά την ιδέα ότι ο πληθωρισμός θα σταματήσει ξαφνικά, χωρίς ιδιαίτερο λόγο. Θα προτιμούσαν να έχουν έναν μηχανισμό που εξηγεί τι οδήγησε τον πληθωρισμό και στη συνέχεια τον σταμάτησε. Γι' αυτό υποθέτουν ότι κάποιο είδος κβαντικού πεδίου το έδιωξε, πριν εξαφανιστεί. Η ιδέα είναι ότι το πεδίο ξεκινά σε μια μόνο περίπου σταθερή, υψηλότερης ενέργειας κατάσταση "ψευδούς κενού" στην οποία ο χώρος εκτείνεται εκθετικά. Στη συνέχεια χαλαρώνει στην πραγματική χαμηλότερη ενεργειακή του κατάσταση, στην οποία ο χώρος διαστέλλεται πολύ πιο αργά.

Ωστόσο, το σενάριο λειτουργεί λίγο πολύ καλά. Το εκθετικά διευρυνόμενο ψευδές κενό παράγει όλο και περισσότερο από μόνο του, επομένως υπάρχει ολοένα και περισσότερος χώρος που διαστέλλεται με απίστευτα γρήγορο ρυθμό. Το σύμπαν μας είναι ένα έμπλαστρο που έχει υποστεί τη μετάβαση στην πραγματική κατάσταση κενού χαμηλής ενέργειας. Αλλά τέτοιες μεταβάσεις θα πρέπει να συμβαίνουν τυχαία, επομένως θα πρέπει να υπάρχουν και πολλά άλλα σύμπαντα. Στην πραγματικότητα, η διαδικασία θα πρέπει να παράγει μια συνεχώς αυξανόμενη ποσότητα χώρου που αυξάνεται με εκθετικό ρυθμό, με άπειρο αριθμό "σύμπαντα τσέπης" που αναπτύσσονται πιο αργά.

Είναι αυτό πρόβλημα;

Εξαρτάται από ποιον ρωτάς. Στο πιο βασικό επίπεδο, η ύπαρξη όλων αυτών των άλλων συμπάντων δεν θα επηρέαζε το σύμπαν μας. Είναι πολύ μακριά για να έχουν οποιαδήποτε σχέση με τους δικούς μας. Από την άλλη πλευρά, η έννοια του αιώνιου πληθωρισμού και ενός πολυσύμπαντος μπορεί να εμποδίσει ολόκληρη την προσπάθεια των κοσμολόγων να εξηγήσουν γιατί το σύμπαν είναι όπως είναι, λέει ο Hertog. Πράγματα όπως οι τιμές ορισμένων βασικών φυσικών σταθερών θα μπορούσαν να διαφέρουν τυχαία μεταξύ των συμπάντων τσέπης, λέει, κάτι που θα καθιστούσε αμφισβητήσιμη κάθε προσπάθεια να εξηγηθεί γιατί έχουν τις τιμές που έχουν στο σύμπαν μας. Θα ορίζονταν τυχαία, λέει ο Hertog, και αυτό δεν είναι πολύ ικανοποιητικό.

Τι κάνει λοιπόν ο Χόκινγκ s και Hertog' το χαρτί λύνει το πρόβλημα;

Ο Χόκινγκ και ο Χέρτογκ υποστηρίζουν ότι, στην πραγματικότητα, δεν υπάρχει αιώνιος πληθωρισμός. Για να το κάνουν αυτό, δανείζονται μια έννοια από τη θεωρία χορδών που τους επιτρέπει να εξισώνουν δύο διαφορετικούς τύπους θεωριών με διαφορετικές διαστάσεις. Το 1997, ο Αργεντινο-Αμερικανός θεωρητικός Juan Maldacena εξέτασε έναν όγκο διαστήματος στον οποίο δρούσε η βαρύτητα. Ο Μαλντασένα, ο οποίος βρίσκεται τώρα στο Ινστιτούτο Προηγμένων Μελετών στο Πρίνστον του Νιου Τζέρσεϊ, έδειξε στη συνέχεια ότι η θεωρία ισοδυναμούσε με μια πιο εύκολη στην εργασία κβαντική θεωρία στα όρια του χώρου που δεν περιελάμβανε τη βαρύτητα. Είναι σαν να λέμε ότι οτιδήποτε συμβαίνει μέσα σε ένα κουτάκι αναψυκτικού μπορεί να συλληφθεί από μια θεωρία που περιγράφει μόνο τι συμβαίνει στην επιφάνεια του κουτιού.

Ο αιώνιος πληθωρισμός εμφανίζεται επειδή, στο πολύ πρώιμο σύμπαν, οι κβαντικές διακυμάνσεις στο πεδίο που οδηγεί τον πληθωρισμό είναι τόσο μεγάλες όσο η μέση τιμή του πεδίου. Αλλά οι Hawking και Hertog υποστηρίζουν ότι κάτω από αυτές τις συνθήκες δεν μπορεί κανείς απλώς να συνεχίσει με τη γενική θεωρία της σχετικότητας του Albert Einstein, αλλά αντίθετα πρέπει να χρησιμοποιήσει έναν ελιγμό όπως αυτός του Maldacena για να δει ολόκληρη την κατάσταση σε έναν χώρο με μια λιγότερη διάσταση. Σε αυτόν τον εναλλακτικό χώρο, τα πράγματα είναι πιο ευέλικτα, ισχυρίζονται, και η φυσική δεν οδηγεί σε αιώνιο πληθωρισμό. Αντίθετα, συγχωνεύεται ένα ενιαίο σύμπαν με καλή συμπεριφορά.

Λοιπόν, τι σχέση έχει αυτό με την αρχή του σύμπαντος;

Εκεί είναι που τα πράγματα γίνονται ενδιαφέροντα και δύσκολα. Η έννοια της εξίσωσης μιας θεωρίας με την άλλη σε ένα χώρο με μια λιγότερη διάσταση είναι γνωστή στους θεωρητικούς φυσικούς ως ολογραφία. Στο έργο του, ο Maldacena εξίσωσε τη μια θεωρία με την άλλη σε έναν χώρο με μια λιγότερη χωρική διάσταση. Αλλά, υποστηρίζει ο Hertog, η αρχή της ολογραφίας επιτρέπει στους θεωρητικούς να απορρίψουν τη διάσταση του χρόνου. Έτσι, στη θεωρία του Hawking και του Hertog, μέσω της αρχής της ολογραφίας, το πολύ πρώιμο σύμπαν θα πρέπει να περιγράφεται από μια θεωρία με τρεις μόνο χωρικές διαστάσεις και χωρίς χρόνο.

Αλλά γιατί θέλετε να απαλλαγείτε από τον χρόνο;

Από τότε που έγινε σαφές ότι το σύμπαν είχε μια αρχή, η στιγμή της γέννησής του ήταν πονοκέφαλος για τους θεωρητικούς. Σε γενικές γραμμές, η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν κάνει μια καλή δουλειά στο να εξηγεί τα πράγματα μετά τη στιγμή της μεγάλης έκρηξης, αλλά δεν μπορεί να διαχειριστεί τη στιγμή της ίδιας της δημιουργίας. Αυτή η στιγμή σχηματίζει μια «μοναδικότητα» στον χωροχρόνο - όπως μια μαθηματική συνάρτηση που εκρήγνυται στο άπειρο - που σκοντάφτει τη θεωρία. Έτσι, οι θεωρητικοί έχουν από καιρό αναζητήσει έναν τρόπο για να αποφύγουν αυτή τη μοναδικότητα—και η απώλεια χρόνου θα ήταν ένας τρόπος για να γίνει αυτό.

Είναι ένα πρόβλημα που γοήτευσε τον Χόκινγκ σε όλη του την καριέρα, λέει ο Χέρτογκ. Πριν από δεκαετίες, πρότεινε μια εναλλακτική λύση, υποθέτοντας ότι στην αρχή, ο χρόνος ήταν, ωμά, διαστάσεων, μια ιδέα που δεν συνδυάζεται με το νέο έργο.

Είναι λοιπόν αυτό το τέλος για τον αιώνιο πληθωρισμό και τη μοναδικότητα του big bang;

Πιθανώς όχι. Άλλοι θα εξετάσουν εξονυχιστικά την επίκληση του Χόκινγκ και του Χέρτογκ στη σχέση αλλαγής διαστάσεων. Και ακόμα κι αν άλλοι ερευνητές το βρουν σωστό, υπάρχει ακόμα ένα σημαντικό ερώτημα που πρέπει να απαντηθεί, αναγνωρίζει ο Hertog. Εάν οι θεωρητικοί ξεκινούν με μια θεωρία με μόνο χωρικές διαστάσεις, πώς τελικά προκύπτει ο χρόνος από αυτήν; "Πετάξαμε ένα νέο παράδειγμα", λέει ο Hertog, "αλλά υπάρχει πολλή δουλειά να γίνει."

*Διόρθωση, 3 Μαΐου, 10 π.μ.: Αυτή η ιστορία έχει ενημερωθεί για να διορθώσει το όνομα του Ινστιτούτου Προηγμένων Μελετών.