Sissejuhatus
Kosmoloogid on aastakümneid püüdnud mõista, miks meie universum on nii vapustavalt vanilje. See pole mitte ainult sile ja tasane, nii kaugele kui me näeme, vaid see laieneb ka üha nii aeglaselt kasvavas tempos, kui naiivsed arvutused viitavad sellele, et Suurest Paugust väljudes oleks ruum pidanud gravitatsiooni mõjul kokku kortsutama. tõrjuvast tumedast energiast õhku paisatud.
Kosmose tasasuse selgitamiseks on füüsikud lisanud kosmilisele ajalukku dramaatilise avapeatüki: nad teevad ettepaneku, et ruum täitus Suure Paugu alguses kiiresti nagu õhupall, triigides välja kõik kumerused. Ja selleks, et selgitada ruumi õrna kasvu pärast seda esialgset inflatsiooni, on mõned väitnud, et meie universum on vaid üks paljudest vähem külalislahketest universumitest hiiglaslikus multiversumis.
Kuid nüüd on kaks füüsikut meie vaniljeuniversumi tavapärase mõtlemise pea peale pööranud. Pärast Stephen Hawkingi ja Gary Gibbonsi 1977. aastal alustatud uurimistööd on duo avaldanud uue arvutuse, mis viitab sellele, et kosmose lihtsus on pigem ootuspärane kui haruldane. Meie universum on selline, nagu ta on, vastavalt Neil Turok Edinburghi ülikoolist ja Latham Boyle Kanadas Waterloos asuva Perimeter Institute for Theoretical Physics instituudist samal põhjusel, miks õhk levib ruumis ühtlaselt: veidramad võimalused on mõeldavad, kuid äärmiselt ebatõenäolised.
Universum "võib tunduda äärmiselt peenhäälestatud, äärmiselt ebatõenäoline, kuid [nad] ütlevad: "Oota üks hetk, see on eelistatuim." Thomas Hertog, kosmoloog Belgias Leuveni katoliku ülikoolis.
"See on uudne panus, mis kasutab erinevaid meetodeid võrreldes sellega, mida enamik inimesi on teinud," ütles Steffen Gielen, Ühendkuningriigi Sheffieldi ülikooli kosmoloog.
Provokatiivne järeldus põhineb matemaatilisel trikil, mis hõlmab ümberlülitamist kujuteldavate numbritega tiksuvale kellale. Kasutades kujuteldavat kella, nagu Hawking 70ndatel tegi, suutsid Turok ja Boyle arvutada entroopia nime all tuntud suuruse, mis näib vastavat meie universumile. Kuid kujuteldav ajatrikk on entroopia arvutamise ümmargune viis ja ilma rangema meetodita vaieldakse kvantiteedi tähenduse üle endiselt tuliselt. Kuigi füüsikud mõistavad entroopia arvutamise õiget tõlgendamist, peavad paljud seda uueks teejuhiks ruumi ja aja fundamentaalse kvantloomuse poole.
"Kuidagi," ütles Gielen, "see annab meile võimaluse näha aegruumi mikrostruktuuri."
Kujutletavad teed
Turok ja Boyle, sagedased koostööpartnerid, on tuntud loominguliste ja ebatavaliste ideede väljamõtlemise poolest kosmoloogiast. Eelmisel aastal kasutasid nad meie universumi tõenäosuse uurimiseks tehnikat, mille töötas välja 1940. aastatel füüsik Richard Feynman.
Püüdes tabada osakeste tõenäosuslikku käitumist, kujutas Feynman ette, et osake uurib kõiki võimalikke marsruute, mis ühendavad algusest lõpuni: sirgjoont, kõverat, silmust, lõpmatuseni. Ta mõtles välja viisi, kuidas anda igale teele selle tõenäosusega seotud number ja liita kõik numbrid kokku. Sellest "tee integraali" tehnikast sai võimas raamistik, mis ennustab, kuidas mis tahes kvantsüsteem tõenäoliselt käitub.
Niipea, kui Feynman hakkas teeintegraali avalikustama, märkasid füüsikud uudishimulikku seost termodünaamikaga, auväärse temperatuuri ja energia teadusega. Just see sild kvantteooria ja termodünaamika vahel võimaldas Turokil ja Boyle'il arvutusi teha.
Sissejuhatus
Termodünaamika võimendab statistika võimsust, nii et saate kasutada vaid mõnda numbrit, et kirjeldada paljudest osadest koosnevat süsteemi, näiteks ruumis ringi ragisevaid gajillion õhumolekule. Näiteks temperatuur – põhiliselt õhumolekulide keskmine kiirus – annab ligikaudse ettekujutuse ruumi energiast. Üldised omadused, nagu temperatuur ja rõhk, kirjeldavad ruumi makroseisundit.
Kuid makroriik on töötlemata konto; õhumolekule saab paigutada tohutul hulgal viisidel, mis kõik vastavad samale makroolekule. Nihutage ühte hapnikuaatomit natuke vasakule ja temperatuur ei muutu. Iga ainulaadset mikroskoopilist konfiguratsiooni nimetatakse mikroolekuks ja antud makroolekule vastavate mikroolekute arv määrab selle entroopia.
Entroopia annab füüsikutele terava viisi erinevate tulemuste tõenäosuste võrdlemiseks: mida suurem on makroriigi entroopia, seda tõenäolisem see on. Õhumolekulidel on palju rohkem võimalusi kogu ruumis paikneda, kui näiteks nurka koondades. Selle tulemusena eeldatakse, et õhumolekulid levivad (ja jäävad laiali). Füüsika keeles sõnastatud enesestmõistetav tõde, et tõenäolised tulemused on tõenäolised, saab kuulsaks termodünaamika teiseks seaduseks: süsteemi koguentroopia kipub kasvama.
Sarnasus tee integraaliga oli eksimatu: termodünaamikas liidate kokku kõik süsteemi võimalikud konfiguratsioonid. Ja teeintegraaliga liidate kokku kõik süsteemi võimalikud teed. On vaid üks üsna silmatorkav erinevus: termodünaamika käsitleb tõenäosusi, mis on positiivsed arvud, mis liidetakse otse kokku. Kuid tee integraalis on igale teele määratud arv keeruline, mis tähendab, et see hõlmab kujuteldavat arvu i, ruutjuur väärtusest −1. Kompleksarvud võivad kokku liitmisel kasvada või kahaneda – võimaldades neil tabada kvantosakeste lainelaadset olemust, mis võib kombineerida või tühistada.
Kuid füüsikud leidsid, et lihtne teisendus võib viia teid ühest valdkonnast teise. Muutke aeg kujuteldavaks (liikumine, mida tuntakse Itaalia füüsiku Gian Carlo Wicki järgi Wicki pöörlemisena) ja sekund i siseneb teeintegraali, mis kustutab esimese, muutes imaginaarsed arvud reaalseteks tõenäosusteks. Asendage ajamuutuja temperatuuri pöördväärtusega ja saate tuntud termodünaamilise võrrandi.
See Wicki trikk viis Hawkingi ja Gibbonsi kassahitini 1977. aastal ruumi ja aja kohta käivate teoreetiliste avastuste keeriseseria lõpus.
Ajaruumi entroopia
Aastakümneid varem oli Einsteini üldine relatiivsusteooria paljastanud, et ruum ja aeg koos moodustavad ühtse reaalsuse koe – aegruumi – ja et gravitatsioonijõud on tegelikult objektide kalduvus järgida aegruumi volte. Äärmuslikes olukordades võib aegruum piisavalt järsult kõverduda, et luua vältimatu Alcatraz, mida tuntakse musta auguna.
Aastal 1973 Jacob Bekenstein arendas ketserlust et mustad augud on ebatäiuslikud kosmilised vanglad. Ta arutles, et kuristikud peaksid oma toidukordade entroopia neelama, selle asemel, et seda entroopiat universumist kustutada ja termodünaamika teist seadust rikkuda. Kuid kui mustadel aukudel on entroopia, peavad neil olema ka temperatuurid ja nad peavad kiirgama soojust.
Skeptiline Stephen Hawking püüdis tõestada, et Bekenstein eksib, alustades keerulist arvutust selle kohta, kuidas kvantosakesed musta augu kõveras aegruumis käituvad. Tema üllatuseks oli ta 1974. aastal avastatud et mustad augud tõepoolest kiirgavad. Teine arvutus kinnitas Bekensteini oletus: musta augu entroopia on võrdne veerandiga selle sündmuste horisondi pindalast – see on punkt, kust sisselangev objekt ei ole tagasi.
Sissejuhatus
Järgnevatel aastatel tegid Briti füüsikud Gibbons ja Malcolm Perry ning hiljem Gibbons ja Hawking saabunud kell sama tulemus Alates teine suund. Nad seadsid üles teeintegraali, liites põhimõtteliselt kokku kõik erinevad viisid, kuidas aegruum võib painduda, et moodustada must auk. Järgmisena pöörasid nad Wicki musta auku, märkides aja voolu kujuteldavate numbritega, ja uurisid selle kuju. Nad avastasid, et kujuteldavas ajasuunas naasis must auk perioodiliselt oma algseisundisse. See Groundhog Day-laadne kordus kujuteldavas ajas andis mustale augule omamoodi seisaku, mis võimaldas neil arvutada selle temperatuuri ja entroopiat.
Nad ei oleks võib-olla tulemusi usaldanud, kui vastused poleks täpselt vastanud Bekensteini ja Hawkingi varem arvutatud vastustele. Kümnendi lõpuks oli nende kollektiivne töö andnud hämmastava arusaama: mustade aukude entroopia viitas sellele, et aegruum ise koosneb pisikestest ümberkorraldatavatest tükkidest, nagu õhk koosneb molekulidest. Ja imekombel, isegi teadmata, mis need "gravitatsiooniaatomid" on, võisid füüsikud nende paigutusi üles lugeda, vaadates musta auku kujuteldavas ajas.
"See on tulemus, mis jättis Hawkingile sügava ja sügava mulje," ütles Hertog, Hawkingi endine magistrant ja kauaaegne kaastöötaja. Hawking mõtles kohe, kas Wicki pöörlemine toimiks rohkem kui lihtsalt mustade aukude puhul. "Kui see geomeetria fikseerib musta augu kvantomadused," ütles Hertog, "siis on vastupandamatu teha sama kogu universumi kosmoloogiliste omadustega."
Kõigi võimalike universumite loendamine
Kohe pöörasid Hawking ja Gibbons Wick ühe lihtsaima kujuteldava universumi – universumi, mis ei sisalda midagi peale kosmosesse ehitatud tumeda energia. Sellel tühjal paisuval universumil, mida nimetatakse aegruumiks de Sitter, on horisont, millest kaugemale paisub ruum nii kiiresti, et ükski signaal sealt ei jõua kunagi ruumi keskel asuva vaatlejani. 1977. aastal arvutasid Gibbons ja Hawking, et nagu mustal augul, on ka de Sitteri universumil entroopia, mis võrdub ühe neljandikuga selle horisondi pindalast. Jällegi tundus aegruumis olevat loendatav arv mikroolekuid.
Kuid tegeliku universumi entroopia jäi lahtiseks küsimuseks. Meie universum ei ole tühi; see on täis kiirgavat valgust ning galaktikate ja tumeaine voogusid. Valgus ajendas universumi noorusajal ruumi kiiret paisumist, seejärel aeglustas mateeria gravitatsiooniline külgetõmme kosmilises noorukieas asju roomama. Nüüd näib, et tume energia on võimust võtnud, ajendades kiiret laienemist. "See laienemise ajalugu on konarlik sõit," ütles Hertog. "Selgesõnalise lahenduse leidmine pole nii lihtne."
Umbes viimase aasta jooksul on Boyle ja Turok ehitanud just sellise selgesõnalise lahenduse. Esiteks, jaanuaris mänguasjakosmoloogiatega mängides, nemad märkasin et kiirguse lisamine de Sitteri aegruumi ei rikkunud universumi Wicki pööramiseks vajalikku lihtsust.
Siis avastasid nad suvel, et tehnika peab vastu isegi segasele mateeria kaasamisele. Keerulisemat paisumisajalugu kirjeldav matemaatiline kõver langes siiski teatud hõlpsasti käsitsetavate funktsioonide rühma ja termodünaamika maailm jäi kättesaadavaks. "See Wicki pöörlemine on hägune äri, kui eemaldute väga sümmeetrilisest aegruumist," ütles Guilherme Leite Pimentel, Itaalias Pisas asuva Scuola Normale Superiore kosmoloog. "Aga neil õnnestus see leida."
Viki pöörates realistlikuma universumiklassi rullnokkade paisumise ajalugu, said nad kosmilise entroopia jaoks mitmekülgsema võrrandi. Paljude kosmiliste makroolekute puhul, mis on määratletud kiirguse, aine, kõveruse ja tumeda energia tihedusega (nagu temperatuuride ja rõhkude vahemik määravad ruumi erinevad võimalikud keskkonnad), eraldab valem vastavate mikroolekute arvu. Turok ja Boyle postitasid nende tulemused Internetis oktoobri alguses.
Sissejuhatus
Eksperdid on kiitnud selgesõnalist kvantitatiivset tulemust. Kuid oma entroopia võrrandist on Boyle ja Turok teinud ebatavalise järelduse meie universumi olemuse kohta. "Seal muutub see natuke huvitavamaks ja veidi vastuolulisemaks," ütles Hertog.
Boyle ja Turok usuvad, et võrrand viib läbi kõigi mõeldavate kosmiliste ajaloode loenduse. Nii nagu ruumi entroopia arvestab kõiki õhumolekulide paigutamise viise antud temperatuuril, kahtlustavad nad, et nende entroopia loeb kõiki viise, kuidas võib aegruumi aatomeid segi ajada ja ikkagi jõuda antud üldise ajalooga universumini, kumerus ja tumeenergia tihedus.
Boyle võrdleb seda protsessi hiiglasliku marmorikoti uurimisega, millest igaüks on erinev universum. Negatiivse kumerusega need võivad olla rohelised. Need, kellel on palju tumedat energiat, võivad olla kassisilmad ja nii edasi. Nende loendus näitab, et valdaval enamusel marmoril on ainult üks värv - näiteks sinine -, mis vastab ühte tüüpi universumile: laias laastus selline, nagu meie oma, ilma märgatava kumeruseta ja ainult tumeenergia puudutus. Kummalisemad kosmosetüübid on kaduvalt haruldased. Teisisõnu, meie universumi kummalised vaniljejooned, mis on ajendanud aastakümneid kosmilise inflatsiooni ja multiversumi teoretiseerimist, ei pruugi sugugi kummalised olla.
"See on väga intrigeeriv tulemus," ütles Hertog. Kuid "see tekitab rohkem küsimusi kui annab vastuseid."
Segaduste loendamine
Boyle ja Turok on välja arvutanud võrrandi, mis loeb universumid. Ja nad on teinud rabava tähelepaneku, et meiesugused universumid näivad moodustavat lõviosa mõeldavatest kosmilistest võimalustest. Aga sellega see kindlus lõpeb.
Duo ei püüa selgitada, milline gravitatsiooni kvantteooria ja kosmoloogia võivad muuta teatud universumid tavaliseks või haruldaseks. Samuti ei selgita nad, kuidas meie universum oma mikroskoopiliste osade erilise konfiguratsiooniga tekkis. Lõppkokkuvõttes peavad nad oma arvutusi pigem vihjeks, milliseid universumeid eelistatakse, kui kõike, mis on lähedane täielikule kosmoloogiateooriale. "Oleme kasutanud odavat nippi, et saada vastus, teadmata, mis teooria on," ütles Turok.
Nende töö taaselustab ka küsimuse, mis on jäänud vastuseta pärast seda, kui Gibbons ja Hawking avasid kogu aegruumi entroopia äri: millised on mikroolekud, mida odav trikk loeb?
"Siin on peamine öelda, et me ei tea, mida see entroopia tähendab," ütles Henry Maxfield, Stanfordi ülikooli füüsik, kes uurib gravitatsiooni kvantteooriaid.
Entroopia oma südames kapseldab teadmatuse. Näiteks molekulidest valmistatud gaasi puhul teavad füüsikud temperatuuri – osakeste keskmist kiirust –, kuid mitte seda, mida iga osake teeb; gaasi entroopia peegeldab valikute arvu.
Pärast aastakümnete pikkust teoreetilist tööd on füüsikud lähenemas sarnasele mustade aukude pildile. Paljud teoreetikud usuvad nüüd, et horisondi piirkond kirjeldab nende teadmatust sisse kukkunud asjadest – kõigist viisidest, kuidas musta augu ehitusplokke sisemiselt korraldada, et need vastaksid selle välimusele. (Teadlased ei tea ikka veel, mis mikroolekud tegelikult on; ideed hõlmavad osakeste konfiguratsioone, mida nimetatakse gravitoniteks või stringiteooria stringideks.)
Kui aga rääkida universumi entroopiast, tunnevad füüsikud vähem kindlad, kus nende teadmatus üldse peitub.
Aprillis püüdsid kaks teoreetikut asetada kosmoloogiline entroopia kindlamale matemaatilisele alusele. Ted Jacobson, Marylandi ülikooli füüsik, kes on tuntud Einsteini gravitatsiooniteooria musta augu termodünaamikast tuletamise poolest, ja tema kraadiõppur Batoul Banihashemi selgesõnaliselt määratletud (vaba, paisuva) de Sitteri universumi entroopia. Nad võtsid omaks keskmes oleva vaatleja vaatenurga. Nende tehnika, mis hõlmas fiktiivse pinna lisamist keskvaatleja ja horisondi vahele, seejärel pinna kahandamist, kuni see jõudis keskvaatlejani ja kadus, taastas Gibbonite ja Hawkingi vastuse, et entroopia võrdub ühe neljandikuga horisondi pindalast. Nad jõudsid järeldusele, et de Sitteri entroopia arvestab kõik võimalikud mikroolekud horisondi sees.
Turok ja Boyle arvutavad tühja universumi jaoks sama entroopia kui Jacobson ja Banihashemi. Kuid nende uues arvutuses, mis puudutab mateeria ja kiirgusega täidetud realistlikku universumit, saavad nad palju suurema arvu mikroolekuid - proportsionaalselt ruumala, mitte pindalaga. Selle näilise kokkupõrkega silmitsi seistes spekuleerivad nad, et erinevad entroopiad vastavad erinevatele küsimustele: väiksem de Sitteri entroopia loeb puhta aegruumi mikroolekuid, mis on piiratud horisondiga, samas kui nad kahtlustavad, et nende suurem entroopia loeb kõik aegruumi mikroolekud, mis on täidetud ainet ja energiat nii silmapiiri sees kui ka väljaspool. "See on kogu jama," ütles Turok.
Lõppkokkuvõttes nõuab küsimuse lahendamine, mida Boyle ja Turok loevad, mikroolekute ansambli täpsemat matemaatilist määratlust, analoogiliselt sellega, mida Jacobson ja Banihashemi on teinud de Sitteri ruumi jaoks. Banihashemi ütles, et ta peab Boyle'i ja Turoki entroopiaarvutust "vastuseks küsimusele, mida tuleb veel täielikult mõista".
Mis puudutab kindlamaid vastuseid küsimusele "Miks see universum?", siis väidavad kosmoloogid, et inflatsioon ja multiversum pole kaugeltki surnud. Kaasaegne inflatsiooniteooria on eelkõige lahendanud rohkemat kui lihtsalt universumi sujuvust ja tasasust. Taevavaatlused vastavad paljudele teistele ennustustele. Pimentel ütles, et Turoki ja Boyle'i entroopiline argument on läbinud märkimisväärse esimese testi, kuid see peab inflatsiooniga tõsisemalt rivaalitsema muid üksikasjalikumaid andmeid.
Nagu teadmatust mõõtvale suurusele kohane, on entroopias juurdunud müsteeriumid varemgi olnud tundmatu füüsika kuulutajad. 1800. aastate lõpus aitas entroopia täpne mõistmine mikroskoopiliste paigutuste kaudu kinnitada aatomite olemasolu. Tänapäeval on lootus, et kui kosmoloogilist entroopiat erinevatel viisidel arvutavad teadlased suudavad täpselt välja selgitada, millistele küsimustele nad vastavad, suunavad need numbrid neid sarnase arusaamani, kuidas aja ja ruumi Lego klotsid kuhjuvad, et luua universum, ümbritseb meid.
"Meie arvutused pakuvad tohutut lisamotivatsiooni inimestele, kes üritavad luua kvantgravitatsiooni mikroskoopilisi teooriaid," ütles Turok. "Sest väljavaade on, et see teooria selgitab lõpuks universumi suuremahulist geomeetriat."
