Εισαγωγή
Οι κοσμολόγοι έχουν περάσει δεκαετίες προσπαθώντας να καταλάβουν γιατί το σύμπαν μας είναι τόσο εκπληκτικά βανίλια. Όχι μόνο είναι ομαλό και επίπεδο όσο μπορούμε να δούμε, αλλά επεκτείνεται επίσης με ολοένα και τόσο αργά αυξανόμενο ρυθμό, όταν οι αφελείς υπολογισμοί υποδηλώνουν ότι — βγαίνοντας από τη Μεγάλη Έκρηξη — το διάστημα θα έπρεπε να έχει τσαλακωθεί από τη βαρύτητα και καταρρέει από την αποκρουστική σκοτεινή ενέργεια.
Για να εξηγήσουν την επιπεδότητα του σύμπαντος, οι φυσικοί έχουν προσθέσει ένα δραματικό κεφάλαιο έναρξης στην κοσμική ιστορία: Προτείνουν ότι το διάστημα φουσκώθηκε γρήγορα σαν ένα μπαλόνι στην αρχή της Μεγάλης Έκρηξης, εξαλείφοντας κάθε καμπυλότητα. Και για να εξηγήσουν την ήπια ανάπτυξη του διαστήματος μετά από αυτό το αρχικό ξόρκι του πληθωρισμού, ορισμένοι υποστήριξαν ότι το σύμπαν μας είναι μόνο ένα από τα πολλά λιγότερο φιλόξενα σύμπαντα σε ένα γιγάντιο πολυσύμπαν.
Αλλά τώρα, δύο φυσικοί έχουν ανατρέψει τη συμβατική σκέψη για το σύμπαν της βανίλιας μας. Μετά από μια σειρά έρευνας που ξεκίνησε από τους Stephen Hawking και Gary Gibbons το 1977, το δίδυμο δημοσίευσε έναν νέο υπολογισμό που υποδηλώνει ότι η απλότητα του σύμπαντος είναι αναμενόμενη και όχι σπάνια. Το σύμπαν μας είναι όπως είναι, σύμφωνα με Neil Turok του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου και Λάθαμ Μπόιλ του Perimeter Institute for Theoretical Physics στο Waterloo του Καναδά, για τον ίδιο λόγο που ο αέρας απλώνεται ομοιόμορφα σε ένα δωμάτιο: Πιο περίεργες επιλογές είναι νοητές, αλλά εξαιρετικά απίθανες.
Το σύμπαν «μπορεί να φαίνεται εξαιρετικά καλά συντονισμένο, εξαιρετικά απίθανο, αλλά [λένε], «Περιμένετε ένα λεπτό, είναι το ευνοημένο», είπε. Τόμας Χέρτογκ, κοσμολόγος στο Καθολικό Πανεπιστήμιο του Leuven στο Βέλγιο.
«Είναι μια νέα συνεισφορά που χρησιμοποιεί διαφορετικές μεθόδους σε σύγκριση με αυτό που έκαναν οι περισσότεροι άνθρωποι», είπε Steffen Gielen, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Σέφιλντ στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Το προκλητικό συμπέρασμα βασίζεται σε ένα μαθηματικό τέχνασμα που περιλαμβάνει τη μετάβαση σε ένα ρολόι που χτυπά με φανταστικούς αριθμούς. Χρησιμοποιώντας το φανταστικό ρολόι, όπως έκανε ο Χόκινγκ τη δεκαετία του '70, οι Turok και Boyle μπορούσαν να υπολογίσουν μια ποσότητα, γνωστή ως εντροπία, που φαίνεται να αντιστοιχεί στο σύμπαν μας. Αλλά το φανταστικό κόλπο του χρόνου είναι ένας κυκλικός τρόπος υπολογισμού της εντροπίας και χωρίς μια πιο αυστηρή μέθοδο, η έννοια της ποσότητας παραμένει έντονη συζήτηση. Ενώ οι φυσικοί προβληματίζονται σχετικά με τη σωστή ερμηνεία του υπολογισμού της εντροπίας, πολλοί τον βλέπουν ως έναν νέο οδηγό στο δρόμο προς τη θεμελιώδη, κβαντική φύση του χώρου και του χρόνου.
«Κάπως έτσι», είπε ο Gielen, «μας δίνει ένα παράθυρο για να δούμε ίσως τη μικροδομή του χωροχρόνου».
Φαντασμένα Μονοπάτια
Οι Turok και Boyle, συχνά συνεργάτες, είναι γνωστοί για την επινόηση δημιουργικών και ανορθόδοξων ιδεών για την κοσμολογία. Πέρυσι, για να μελετήσουν πόσο πιθανό μπορεί να είναι το σύμπαν μας, στράφηκαν σε μια τεχνική που αναπτύχθηκε τη δεκαετία του 1940 από τον φυσικό Richard Feynman.
Με στόχο να συλλάβει την πιθανολογική συμπεριφορά των σωματιδίων, ο Feynman φαντάστηκε ότι ένα σωματίδιο εξερευνά όλες τις πιθανές διαδρομές που συνδέουν την αρχή με το τέλος: μια ευθεία γραμμή, μια καμπύλη, έναν βρόχο, επ' άπειρον. Επινόησε έναν τρόπο να δώσει σε κάθε μονοπάτι έναν αριθμό που σχετίζεται με την πιθανότητά του και να προσθέσει όλους τους αριθμούς. Αυτή η τεχνική «ολοκληρωτικού μονοπατιού» έγινε ένα ισχυρό πλαίσιο για την πρόβλεψη του πώς θα συμπεριφερόταν πιθανότατα οποιοδήποτε κβαντικό σύστημα.
Μόλις ο Φάινμαν άρχισε να δημοσιοποιεί το αναπόσπαστο μονοπάτι, οι φυσικοί εντόπισαν μια περίεργη σύνδεση με τη θερμοδυναμική, την αξιοσέβαστη επιστήμη της θερμοκρασίας και της ενέργειας. Ήταν αυτή η γέφυρα μεταξύ της κβαντικής θεωρίας και της θερμοδυναμικής που επέτρεψε τον υπολογισμό των Turok και Boyle.
Εισαγωγή
Η θερμοδυναμική εκμεταλλεύεται τη δύναμη των στατιστικών, ώστε να μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μόνο μερικούς αριθμούς για να περιγράψετε ένα σύστημα πολλών μερών, όπως τα μόρια gajillion αέρα που κροταλίζουν σε ένα δωμάτιο. Η θερμοκρασία, για παράδειγμα - ουσιαστικά η μέση ταχύτητα των μορίων του αέρα - δίνει μια πρόχειρη αίσθηση της ενέργειας του δωματίου. Οι συνολικές ιδιότητες όπως η θερμοκρασία και η πίεση περιγράφουν μια «μακροκατάσταση» του δωματίου.
Αλλά ένα μακροκράτος είναι ένας ακατέργαστος λογαριασμός. Τα μόρια του αέρα μπορούν να διαταχθούν με έναν τεράστιο αριθμό τρόπων που αντιστοιχούν όλοι στην ίδια μακροκατάσταση. Σπρώξτε ένα άτομο οξυγόνου λίγο προς τα αριστερά και η θερμοκρασία δεν θα κουνηθεί. Κάθε μοναδική μικροσκοπική διαμόρφωση είναι γνωστή ως μικροκατάσταση και ο αριθμός των μικροκαταστάσεων που αντιστοιχούν σε μια δεδομένη μακροκατάσταση καθορίζει την εντροπία της.
Η εντροπία δίνει στους φυσικούς έναν έντονο τρόπο σύγκρισης των πιθανοτήτων διαφορετικών αποτελεσμάτων: Όσο μεγαλύτερη είναι η εντροπία μιας μακροστάτης, τόσο πιο πιθανή είναι. Υπάρχουν πολύ περισσότεροι τρόποι για να τακτοποιηθούν τα μόρια του αέρα σε ολόκληρο το δωμάτιο από ό,τι αν είναι μαζεμένα σε μια γωνία, για παράδειγμα. Ως αποτέλεσμα, περιμένει κανείς ότι τα μόρια του αέρα θα εξαπλωθούν (και θα παραμείνουν απλωμένα). Η αυτονόητη αλήθεια ότι τα πιθανά αποτελέσματα είναι πιθανά, διατυπωμένη στη γλώσσα της φυσικής, γίνεται ο περίφημος δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής: ότι η συνολική εντροπία ενός συστήματος τείνει να αυξάνεται.
Η ομοιότητα με το ολοκλήρωμα διαδρομής ήταν αναμφισβήτητη: Στη θερμοδυναμική, προσθέτετε όλες τις πιθανές διαμορφώσεις ενός συστήματος. Και με το αναπόσπαστο μονοπάτι, προσθέτετε όλες τις πιθανές διαδρομές που μπορεί να ακολουθήσει ένα σύστημα. Υπάρχει μόνο μια μάλλον κραυγαλέα διάκριση: Η Θερμοδυναμική ασχολείται με τις πιθανότητες, οι οποίες είναι θετικοί αριθμοί που αθροίζονται ευθέως. Αλλά στο ολοκλήρωμα διαδρομής, ο αριθμός που εκχωρείται σε κάθε διαδρομή είναι σύνθετος, που σημαίνει ότι περιλαμβάνει τον φανταστικό αριθμό i, την τετραγωνική ρίζα του −1. Οι μιγαδικοί αριθμοί μπορούν να αυξηθούν ή να συρρικνωθούν όταν προστεθούν μαζί — επιτρέποντάς τους να συλλάβουν την κυματοειδή φύση των κβαντικών σωματιδίων, τα οποία μπορούν να συνδυαστούν ή να ακυρωθούν.
Ωστόσο, οι φυσικοί ανακάλυψαν ότι ένας απλός μετασχηματισμός μπορεί να σας μεταφέρει από το ένα βασίλειο στο άλλο. Κάντε το χρόνο φανταστικό (μια κίνηση γνωστή ως περιστροφή Wick από τον Ιταλό φυσικό Gian Carlo Wick) και μια δεύτερη i μπαίνει στο ολοκλήρωμα διαδρομής που σβήνει το πρώτο, μετατρέποντας τους φανταστικούς αριθμούς σε πραγματικές πιθανότητες. Αντικαταστήστε τη μεταβλητή χρόνου με το αντίστροφο της θερμοκρασίας και θα έχετε μια γνωστή θερμοδυναμική εξίσωση.
Αυτό το κόλπο του Wick οδήγησε σε ένα υπερπαραγωγικό εύρημα από τους Hawking και Gibbons το 1977, στο τέλος μιας σειράς ανεμοστρόβιλων θεωρητικών ανακαλύψεων για τον χώρο και τον χρόνο.
Η Εντροπία του Χωροχρόνου
Δεκαετίες νωρίτερα, η γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν είχε αποκαλύψει ότι ο χώρος και ο χρόνος μαζί σχηματίζουν έναν ενιαίο ιστό της πραγματικότητας - χωροχρόνο - και ότι η δύναμη της βαρύτητας είναι πραγματικά η τάση για τα αντικείμενα να ακολουθούν τις πτυχές στο χωροχρόνο. Σε ακραίες συνθήκες, ο χωροχρόνος μπορεί να καμπυλωθεί αρκετά απότομα ώστε να δημιουργήσει ένα αναπόδραστο Αλκατράζ γνωστό ως μαύρη τρύπα.
Το 1973, ο Jacob Bekenstein προώθησε την αίρεση ότι οι μαύρες τρύπες είναι ατελείς κοσμικές φυλακές. Σκέφτηκε ότι οι άβυσσοι θα έπρεπε να απορροφούν την εντροπία των γευμάτων τους, αντί να διαγράφουν αυτή την εντροπία από το σύμπαν και να παραβιάζουν τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Αλλά αν οι μαύρες τρύπες έχουν εντροπία, πρέπει επίσης να έχουν θερμοκρασίες και να εκπέμπουν θερμότητα.
Ένας σκεπτικιστής Stephen Hawking προσπάθησε να αποδείξει ότι ο Bekenstein έκανε λάθος, ξεκινώντας έναν περίπλοκο υπολογισμό για το πώς συμπεριφέρονται τα κβαντικά σωματίδια στον καμπύλο χωροχρόνο μιας μαύρης τρύπας. Προς έκπληξή του, το 1974 Βρέθηκαν ότι οι μαύρες τρύπες ακτινοβολούν πράγματι. Ένας άλλος υπολογισμός επιβεβαίωσε την εικασία του Bekenstein: Μια μαύρη τρύπα έχει εντροπία ίση με το ένα τέταρτο του εμβαδού του ορίζοντα γεγονότων της - το σημείο χωρίς επιστροφή για ένα αντικείμενο που πέφτει.
Εισαγωγή
Στα χρόνια που ακολούθησαν, οι Βρετανοί φυσικοί Gibbons και Malcolm Perry και αργότερα Gibbons και Hawking, έφτασε κατά τη ίδιο αποτέλεσμα από άλλη κατεύθυνση. Δημιούργησαν ένα μονοπάτι αναπόσπαστο, καταρχήν προσθέτοντας όλους τους διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους ο χωροχρόνος μπορεί να λυγίσει για να δημιουργήσει μια μαύρη τρύπα. Στη συνέχεια, περιέστρεψαν τη μαύρη τρύπα, σημειώνοντας τη ροή του χρόνου με φανταστικούς αριθμούς, και εξέτασαν το σχήμα της. Ανακάλυψαν ότι, στη νοητή χρονική κατεύθυνση, η μαύρη τρύπα επέστρεφε περιοδικά στην αρχική της κατάσταση. Αυτή η επανάληψη που μοιάζει με το Groundhog Day σε φανταστικό χρόνο έδωσε στη μαύρη τρύπα ένα είδος στάσης που τους επέτρεψε να υπολογίσουν τη θερμοκρασία και την εντροπία της.
Ίσως να μην εμπιστεύονταν τα αποτελέσματα εάν οι απαντήσεις δεν ταίριαζαν επακριβώς με εκείνες που υπολογίστηκαν νωρίτερα από τον Bekenstein και τον Hawking. Μέχρι το τέλος της δεκαετίας, η συλλογική τους δουλειά είχε αποδώσει μια εκπληκτική ιδέα: Η εντροπία των μαύρων οπών υπονοούσε ότι ο ίδιος ο χωροχρόνος αποτελείται από μικροσκοπικά, αναδιατάξιμα κομμάτια, όπως και ο αέρας από μόρια. Και ως εκ θαύματος, ακόμη και χωρίς να γνωρίζουν τι ήταν αυτά τα «βαρυτικά άτομα», οι φυσικοί μπορούσαν να μετρήσουν τις διευθετήσεις τους κοιτάζοντας μια μαύρη τρύπα σε φανταστικό χρόνο.
«Είναι αυτό το αποτέλεσμα που άφησε βαθιά, βαθιά εντύπωση στον Χόκινγκ», είπε ο Χέρτογκ, πρώην μεταπτυχιακός φοιτητής και μακροχρόνιος συνεργάτης του Χόκινγκ. Ο Χόκινγκ αναρωτήθηκε αμέσως αν η περιστροφή του Wick θα λειτουργούσε για κάτι περισσότερο από τις μαύρες τρύπες. «Αν αυτή η γεωμετρία καταγράφει μια κβαντική ιδιότητα μιας μαύρης τρύπας», είπε ο Χέρτογκ, «τότε είναι ακαταμάχητο να κάνουμε το ίδιο με τις κοσμολογικές ιδιότητες ολόκληρου του σύμπαντος».
Μετρώντας όλα τα πιθανά σύμπαντα
Αμέσως, ο Hawking και ο Gibbons Wick περιέστρεψαν ένα από τα απλούστερα σύμπαντα που μπορεί κανείς να φανταστεί - ένα που δεν περιέχει τίποτα άλλο παρά τη σκοτεινή ενέργεια που είναι ενσωματωμένη στο ίδιο το διάστημα. Αυτό το κενό, διαστελλόμενο σύμπαν, που ονομάζεται χωροχρόνος «de Sitter», έχει έναν ορίζοντα, πέρα από τον οποίο ο χώρος διαστέλλεται τόσο γρήγορα που κανένα σήμα από εκεί δεν θα φτάσει ποτέ σε έναν παρατηρητή στο κέντρο του χώρου. Το 1977, οι Gibbons και Hawking υπολόγισαν ότι, όπως μια μαύρη τρύπα, ένα σύμπαν του de Sitter έχει επίσης εντροπία ίση με το ένα τέταρτο της περιοχής του ορίζοντά του. Και πάλι, ο χωροχρόνος φαινόταν να έχει έναν μετρήσιμο αριθμό μικροκαταστάσεων.
Αλλά η εντροπία του πραγματικού σύμπαντος παρέμενε ένα ανοιχτό ερώτημα. Το σύμπαν μας δεν είναι άδειο. γεμίζει με ακτινοβολούμενο φως και ρεύματα γαλαξιών και σκοτεινής ύλης. Το φως οδήγησε σε μια γρήγορη διαστολή του διαστήματος κατά τη νεότητα του σύμπαντος, και στη συνέχεια η βαρυτική έλξη της ύλης επιβράδυνε τα πράγματα να έρπουν κατά τη διάρκεια της κοσμικής εφηβείας. Τώρα φαίνεται ότι η σκοτεινή ενέργεια έχει κυριαρχήσει, οδηγώντας σε μια απρόσμενη επέκταση. «Αυτή η ιστορία επέκτασης είναι μια ανώμαλη διαδρομή», είπε ο Hertog. «Το να βρεθεί μια ρητή λύση δεν είναι τόσο εύκολο».
Τον τελευταίο χρόνο περίπου, ο Boyle και ο Turok έχουν δημιουργήσει ακριβώς μια τέτοια ρητή λύση. Πρώτον, τον Ιανουάριο, ενώ έπαιζαν με κοσμολογίες παιχνιδιών, αυτοί παρατηρήσει ότι η προσθήκη ακτινοβολίας στον χωροχρόνο του Ντε Σίτερ δεν χάλασε την απλότητα που απαιτείται για την περιστροφή του σύμπαντος με Wick.
Στη συνέχεια, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού ανακάλυψαν ότι η τεχνική θα άντεχε ακόμη και την ακατάστατη συμπερίληψη της ύλης. Η μαθηματική καμπύλη που περιγράφει την πιο περίπλοκη ιστορία επέκτασης εξακολουθούσε να εντάσσεται σε μια συγκεκριμένη ομάδα εύχρηστων συναρτήσεων και ο κόσμος της θερμοδυναμικής παρέμεινε προσβάσιμος. «Αυτή η περιστροφή του Wick είναι θολή υπόθεση όταν απομακρύνεσαι από τον πολύ συμμετρικό χωροχρόνο», είπε Guilherme Leite Pimentel, κοσμολόγος στο Scuola Normale Superiore στην Πίζα της Ιταλίας. «Αλλά κατάφεραν να το βρουν».
Περιστρέφοντας την ιστορία της επέκτασης του τρενάκι του λούνα παρκ μιας πιο ρεαλιστικής κατηγορίας συμπάντων, πήραν μια πιο ευέλικτη εξίσωση για την κοσμική εντροπία. Για ένα ευρύ φάσμα κοσμικών μακροκαταστάσεων που ορίζονται από ακτινοβολία, ύλη, καμπυλότητα και πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας (όπως ένα εύρος θερμοκρασιών και πιέσεων καθορίζει διαφορετικά πιθανά περιβάλλοντα ενός δωματίου), ο τύπος φτύνει τον αριθμό των αντίστοιχων μικροκαταστάσεων. Οι Turok και Boyle δημοσίευσαν τα αποτελέσματά τους online στις αρχές Οκτωβρίου.
Εισαγωγή
Οι ειδικοί επαίνεσαν το σαφές, ποσοτικό αποτέλεσμα. Αλλά από την εξίσωση εντροπίας τους, ο Boyle και ο Turok έχουν βγάλει ένα ασυνήθιστο συμπέρασμα σχετικά με τη φύση του σύμπαντος μας. «Εκεί γίνεται λίγο πιο ενδιαφέρον και λίγο πιο αμφιλεγόμενο», είπε ο Hertog.
Οι Boyle και Turok πιστεύουν ότι η εξίσωση διεξάγει μια απογραφή όλων των πιθανών κοσμικών ιστοριών. Ακριβώς όπως η εντροπία ενός δωματίου μετράει όλους τους τρόπους διάταξης των μορίων του αέρα για μια δεδομένη θερμοκρασία, υποψιάζονται ότι η εντροπία τους μετρά όλους τους τρόπους με τους οποίους μπορεί κανείς να ανακατέψει τα άτομα του χωροχρόνου και να καταλήξει σε ένα σύμπαν με μια δεδομένη συνολική ιστορία. καμπυλότητα και πυκνότητα σκοτεινής ενέργειας.
Ο Μπόιλ παρομοιάζει τη διαδικασία με την έρευνα ενός γιγαντιαίου σάκου με μάρμαρα, το καθένα διαφορετικό σύμπαν. Αυτά με αρνητική καμπυλότητα μπορεί να είναι πράσινα. Εκείνοι με τόνους σκοτεινής ενέργειας μπορεί να είναι γατίσια, και ούτω καθεξής. Η απογραφή τους αποκαλύπτει ότι η συντριπτική πλειονότητα των μαρμάρων έχει μόνο ένα χρώμα - μπλε, ας πούμε - που αντιστοιχεί σε έναν τύπο σύμπαντος: ένα γενικά σαν το δικό μας, χωρίς αξιοσημείωτη καμπυλότητα και απλώς ένα άγγιγμα σκοτεινής ενέργειας. Οι πιο περίεργοι τύποι σύμπαντος είναι εξαιρετικά σπάνιοι. Με άλλα λόγια, τα παράξενα χαρακτηριστικά βανίλιας του σύμπαντός μας που έχουν παρακινήσει δεκαετίες θεωρητικών για τον κοσμικό πληθωρισμό και το πολυσύμπαν μπορεί να μην είναι καθόλου περίεργα.
«Είναι ένα πολύ ενδιαφέρον αποτέλεσμα», είπε ο Hertog. Αλλά «εγείρει περισσότερα ερωτήματα παρά απαντά».
Μετρώντας Σύγχυση
Ο Boyle και ο Turok έχουν υπολογίσει μια εξίσωση που μετράει σύμπαντα. Και έχουν κάνει την εντυπωσιακή παρατήρηση ότι σύμπαντα σαν το δικό μας φαίνεται να ευθύνονται για τη μερίδα του λέοντος στις πιθανές κοσμικές επιλογές. Αλλά εκεί τελειώνει η βεβαιότητα.
Το δίδυμο δεν κάνει καμία προσπάθεια να εξηγήσει ποια κβαντική θεωρία της βαρύτητας και της κοσμολογίας μπορεί να κάνει ορισμένα σύμπαντα κοινά ή σπάνια. Ούτε εξηγούν πώς δημιουργήθηκε το σύμπαν μας, με την ιδιαίτερη διαμόρφωση των μικροσκοπικών μερών του. Τελικά, βλέπουν τον υπολογισμό τους περισσότερο ως μια ένδειξη για το ποια είδη συμπάντων προτιμώνται από οτιδήποτε κοντά σε μια πλήρη θεωρία της κοσμολογίας. «Αυτό που χρησιμοποιήσαμε είναι ένα φτηνό κόλπο για να λάβουμε την απάντηση χωρίς να γνωρίζουμε ποια είναι η θεωρία», είπε ο Τούροκ.
Η δουλειά τους αναζωογονεί επίσης ένα ερώτημα που έχει μείνει αναπάντητο από τότε που ο Gibbons και ο Hawking ξεκίνησαν για πρώτη φορά ολόκληρη την επιχείρηση της εντροπίας του χωροχρόνου: Ποιες ακριβώς είναι οι μικροκαταστάσεις που μετράει το φτηνό κόλπο;
«Το βασικό εδώ είναι να πούμε ότι δεν ξέρουμε τι σημαίνει αυτή η εντροπία», είπε Χένρι Μάξφιλντ, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που μελετά τις κβαντικές θεωρίες της βαρύτητας.
Στην καρδιά της, η εντροπία περικλείει την άγνοια. Για ένα αέριο που αποτελείται από μόρια, για παράδειγμα, οι φυσικοί γνωρίζουν τη θερμοκρασία - τη μέση ταχύτητα των σωματιδίων - αλλά όχι τι κάνει κάθε σωματίδιο. η εντροπία του αερίου αντανακλά τον αριθμό των επιλογών.
Μετά από δεκαετίες θεωρητικής εργασίας, οι φυσικοί συγκλίνουν σε μια παρόμοια εικόνα για τις μαύρες τρύπες. Πολλοί θεωρητικοί πιστεύουν τώρα ότι η περιοχή του ορίζοντα περιγράφει την άγνοιά τους για το υλικό που έχει πέσει - όλους τους τρόπους εσωτερικής διάταξης των δομικών στοιχείων της μαύρης τρύπας ώστε να ταιριάζουν με την εξωτερική της εμφάνιση. (Οι ερευνητές δεν γνωρίζουν ακόμα τι είναι στην πραγματικότητα οι μικροκαταστάσεις· οι ιδέες περιλαμβάνουν διαμορφώσεις των σωματιδίων που ονομάζονται γκραβιτόνια ή τις χορδές της θεωρίας χορδών.)
Αλλά όταν πρόκειται για την εντροπία του σύμπαντος, οι φυσικοί αισθάνονται λιγότερο σίγουροι για το πού βρίσκεται ακόμη και η άγνοιά τους.
Τον Απρίλιο, δύο θεωρητικοί προσπάθησαν να βάλουν την κοσμολογική εντροπία σε μια πιο σταθερή μαθηματική βάση. Τεντ Τζέικομπσον, ένας φυσικός στο Πανεπιστήμιο του Μέριλαντ, γνωστός για την εξαγωγή της θεωρίας της βαρύτητας του Αϊνστάιν από τη θερμοδυναμική της μαύρης τρύπας και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Batoul Banihashemi ορίζεται ρητά η εντροπία ενός (κενού, διαστελλόμενου) σύμπαντος de Sitter. Υιοθέτησαν την προοπτική ενός παρατηρητή στο κέντρο. Η τεχνική τους, η οποία περιλάμβανε την προσθήκη μιας πλασματικής επιφάνειας μεταξύ του κεντρικού παρατηρητή και του ορίζοντα, στη συνέχεια συρρίκνωση της επιφάνειας μέχρι να φτάσει στον κεντρικό παρατηρητή και να εξαφανιστεί, ανέκτησε την απάντηση Gibbons και Hawking ότι η εντροπία ισούται με το ένα τέταρτο της περιοχής του ορίζοντα. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι η εντροπία de Sitter μετρά όλες τις πιθανές μικροκαταστάσεις μέσα στον ορίζοντα.
Οι Turok και Boyle υπολογίζουν την ίδια εντροπία με τον Jacobson και τον Banihashemi για ένα άδειο σύμπαν. Αλλά στον νέο τους υπολογισμό που σχετίζεται με ένα ρεαλιστικό σύμπαν γεμάτο με ύλη και ακτινοβολία, παίρνουν πολύ μεγαλύτερο αριθμό μικροκαταστάσεων — ανάλογο του όγκου και όχι του εμβαδού. Αντιμέτωποι με αυτή τη φαινομενική σύγκρουση, εικάζουν ότι οι διαφορετικές εντροπίες απαντούν σε διαφορετικές ερωτήσεις: Η μικρότερη εντροπία de Sitter μετράει μικροκαταστάσεις καθαρού χωροχρόνου που οριοθετούνται από έναν ορίζοντα, ενώ υποπτεύονται ότι η μεγαλύτερη εντροπία τους μετράει όλες τις μικροκαταστάσεις ενός χωροχρόνου γεμάτου με ύλη και ενέργεια, τόσο εντός όσο και εκτός του ορίζοντα. «Είναι ολόκληρο το σεμπάνγκ», είπε ο Τούροκ.
Τελικά, η διευθέτηση του ζητήματος του τι μετρούν ο Boyle και ο Turok θα απαιτήσει έναν πιο σαφή μαθηματικό ορισμό του συνόλου των μικροκρατών, ανάλογο με αυτό που έχουν κάνει ο Jacobson και ο Banihashemi για τον χώρο de Sitter. Η Banihashemi είπε ότι βλέπει τον υπολογισμό της εντροπίας του Boyle και του Turok «ως απάντηση σε μια ερώτηση που δεν έχει ακόμη γίνει πλήρως κατανοητή».
Όσο για πιο καθιερωμένες απαντήσεις στο ερώτημα «Γιατί αυτό το σύμπαν;», οι κοσμολόγοι λένε ότι ο πληθωρισμός και το πολυσύμπαν δεν έχουν πεθάνει. Η σύγχρονη θεωρία του πληθωρισμού, ειδικότερα, έχει έρθει να λύσει περισσότερα από την ομαλότητα και την επιπεδότητα του σύμπαντος. Οι παρατηρήσεις του ουρανού ταιριάζουν με πολλές από τις άλλες προβλέψεις του. Το εντροπικό επιχείρημα των Τούροκ και Μπόιλ πέρασε ένα αξιοσημείωτο πρώτο τεστ, είπε ο Πίμεντελ, αλλά θα πρέπει να καρφώσει άλλα, πιο λεπτομερή δεδομένα στον πιο σοβαρό ανταγωνισμό του πληθωρισμού.
Όπως αρμόζει σε μια ποσότητα που μετρά την άγνοια, τα μυστήρια που έχουν τις ρίζες τους στην εντροπία έχουν χρησιμεύσει ως προάγγελοι άγνωστης φυσικής στο παρελθόν. Στα τέλη του 1800, μια ακριβής κατανόηση της εντροπίας από την άποψη των μικροσκοπικών διατάξεων βοήθησε στην επιβεβαίωση της ύπαρξης ατόμων. Σήμερα, η ελπίδα είναι ότι εάν οι ερευνητές που υπολογίζουν την κοσμολογική εντροπία με διαφορετικούς τρόπους μπορέσουν να βρουν ακριβώς ποιες ερωτήσεις απαντούν, αυτοί οι αριθμοί θα τους οδηγήσουν σε μια παρόμοια κατανόηση του τρόπου με τον οποίο τα τούβλα Lego του χρόνου και του χώρου συσσωρεύονται για να δημιουργήσουν το σύμπαν που μας περιβάλλει.
«Αυτό που κάνει ο υπολογισμός μας είναι να παρέχει τεράστιο επιπλέον κίνητρο για ανθρώπους που προσπαθούν να δημιουργήσουν μικροσκοπικές θεωρίες κβαντικής βαρύτητας», είπε ο Τούροκ. «Επειδή η προοπτική είναι ότι αυτή η θεωρία θα εξηγήσει τελικά τη μεγάλης κλίμακας γεωμετρία του σύμπαντος».
