Hawking přebírá nekonečný multiverse

Poslední kniha Stephena Hawkinga o kosmologii, publikovaná posmrtně, by mohla vyřešit problém věčné inflace, teorie, která naznačuje, že náš vesmír je jen jeden v moři nekonečných vesmírů.

Tato symbolická reprezentace ukazuje vývoj vesmíru za 13, 7 miliard let. Zcela vlevo je zobrazen Velký třesk, nejčasnější okamžik, který můžeme prozkoumat, když extrémně krátký okamžik „inflace“ vyvolal výbuch exponenciálního růstu ve vesmíru. (Velikost je v tomto grafu symbolizována svislým rozsahem.)
NASA / WMAP

Existuje mnoho důkazů, které naznačují, že jen malý zlomek vteřiny po Velkém třesku prošel kojenecký vesmír fantastickým růstovým impulsem. Samotná fáze trvala jen zlomek vteřiny, ale je zodpovědná za vesmír, který nyní vidíme. Dokonce i částice, které tvoří hvězdy i lidi, byly vytvořeny z její energie.

Problém je, podle většiny teorií kosmické inflace, růstový růst nikdy opravdu nezastavil. I když naše kapsa vesmíru - jak nazýváme náš vesmír - mohla zastavit jeho exponenciální expanzi, celkový vesmír se nikdy nepřestal protahovat.

Nyní, v článku publikovaném Stephenem Hawkingem (posmrtně) a jeho kolegou Thomasem Hertogem (KU Leuven, Belgie) v časopise Journal of High Energy Physics, vědci otočili tento obrázek na hlavu a tvrdili, že musíme přehodnotit náš vesmír Začátky. Když Hawking a Hertog aplikovali kvantovou a strunovou teorii na zjednodušený matematický model vesmíru, dospěli k závěru, že kosmická inflace nakonec není věčná.

Věčná inflace

Proč si většina kosmologů myslí, že inflace je věčná? Myšlenka inflace je, že téměř okamžitě po Velkém třesku celý náš vesmír vstoupil do ne zcela stabilního energetického stavu známého jako falešné vakuum . Tento termín je trochu zavádějící, protože to, co vědci v tomto případě myslí pod vakuem, je ve skutečnosti „základní stav“; „Falešné vakuum“ je jen dalším způsobem, jak říci, že vesmír je ve stavu zvýšené energie. Podtlak tohoto stavu způsobuje, že se celý prostor exponenciálně rychle rozšiřuje.

Je zřejmé, že náš vesmír ještě není v tomto růstovém impulsu - jinak bychom ani nemohli vidět sousední galaxie. Rozšíření prostoru by už dávno odvádělo pozornost. Nějak, alespoň náš místní vesmír musel vyjít z této fáze.

Krátce poté, co Alan Guth formuloval myšlenku inflace, vědci, včetně Paul Steinhardt (tehdy na University of Pennsylvania) a Alexander Vilenkin (Tufts University), přišli na to, že kvantové výkyvy mohou udělat trik pro ukončení inflační éry. Kapsa prostoru by mohla spontánně vyjít z inflace a usadit se v relativně uklidňující fázi expanze. Ale když jsou kvantové výkyvy náhodné, inflace by se sem a tam zastavila spíše než všude najednou. Mezitím, daleko za tím, co můžeme pozorovat, vesmír neustále nafukuje exponenciální rychlostí. I když kvantové fluktuace způsobují, že jiné kapsy vesmíru podobně vycházejí z inflace, vesmír jako celek by neustále rostl exponenciálně - navždy.

Pokud je inflace skutečně věčná, pak je náš vesmír jedním z nekonečných palet vesmírů (známých jako multiverse), z nichž každý sleduje nekonečnou škálu fyzikálních zákonů.

Konečný vesmír

Stephen Hawking uvádí v roce 2003 prezentaci na pozadí vesmírné mapy vesmírné mikrovlnné oblohy ze satelitu WMAP.
Dan Falk

Alespoň to je závěr, který kosmologové dosáhli, když zacházeli s kvantovými efekty jako s malými ve vztahu k vesmíru převážně ovládanému relativitou. "Ale nikdy jsem nebyl fanouškem multiverse, " řekl Hawking v rozhovoru loni na podzim. "Pokud je škála různých vesmírů v multiverse velká nebo nekonečná, teorii nelze otestovat."

Místo toho, Hawking a Hertog tvrdí, relativita by se rozpadla v časném vesmíru; platí pouze kvantová teorie. Léčí vesmír jako jednu maličkou částici a vypočítávají jeho vlnovou funkci : jediná rovnice, která popisuje všechny možné stavy, které by náš vesmír mohl mít.

Aby to mohli udělat, nejprve matematiku zjednoduší zdánlivě podivnými způsoby. Nejprve předpokládají jednoduchý vesmír, vesmír bez hmoty nebo energie, s celkovou geometrií, která má tvar sedla. Ve skutečnosti nežijeme ve vesmíru bez hmoty nebo energie a geometrie vesmíru se zdá být plochá jako list papíru, spíše než ve tvaru sedla, ale to je výchozí bod, který mnoho kosmologů bere k vypracování nové teorie.

Ale to není všechno. Předpokládají také, že s tímto vesmírem mohou zacházet jako s hologramem. Ano, opravdu - zní to divně, ale v zásadě to, co dělají, je redukovat trojrozměrné rovnice na dvourozměrné rovnice promítnuté na povrch. (To neznamená, že náš vesmír je hologram, jen to, že s ním můžeme matematicky zacházet jako s jedním.)

Hawking a Hertog však místo toho, aby zmenšili prostorovou dimenzi, byl čas . V nadčasovém vesmíru již relativita není nutná a dvojice se místo toho mohla spoléhat pouze na kvantovou teorii.

Odtud Hawking a Hertog řeší rovnice a dospívají k ohromujícímu závěru: vesmír, který vychází z inflace, je konečný. Stále žijeme v multiverse, ale nyní je to s omezenými možnostmi.

Vilenkin však vyžaduje opatrnost při interpretaci těchto výsledků, přičemž poznamenává, že zjednodušené matematické zpracování a závěry, které z něj vycházejí Hawking a Hertog, se nemusí vztahovat na náš skutečný, komplikovanější vesmír. "Jsem si jist, že se Thomas Hertog pokusí překročit tento model, " dodává Vilenkin, "ale je těžké říci, jak úspěšné to bude."