Miksi tämä universumi? Uusi laskelma viittaa siihen, että kosmoksemme on tyypillinen.

Kosmologit ovat vuosikymmeniä yrittäneet ymmärtää, miksi universumimme on niin hämmästyttävän vaniljainen. Se ei ole vain sileä ja tasainen niin pitkälle kuin näemme, vaan se myös laajenee yhä niin hitaasti nousevalla tahdilla, kun naiivit laskelmat viittaavat siihen, että alkuräjähdyksestä tullessa avaruuden olisi pitänyt rypistyä painovoiman vaikutuksesta ja vastenmielisen pimeän energian hajottamana.

Selittääkseen kosmoksen tasaisuuden fyysikot ovat lisänneet dramaattisen avausluvun kosmiseen historiaan: He ehdottavat, että avaruus täyttyi nopeasti kuin ilmapallo alkuräjähdyksen alussa, mikä tasoitti kaikki kaarevuus. Ja selittääkseen avaruuden lempeän kasvun tuon alkuperäisen inflaation jälkeen, jotkut ovat väittäneet, että universumimme on vain yksi monien vähemmän vieraanvaraisten universumien joukossa jättimäisessä multiversumissa.

Mutta nyt kaksi fyysikkoa on kääntänyt perinteisen ajattelun vaniljauniversumistamme päälaelleen. Stephen Hawkingin ja Gary Gibbonsin vuonna 1977 aloittaman tutkimuslinjan jälkeen kaksikko on julkaissut uuden laskelman, joka viittaa siihen, että kosmoksen tasaisuus on odotettua eikä harvinaista. Universumimme on sellainen kuin se sen mukaan on Neil turok Edinburghin yliopiston ja Latham Boyle Perimeter Institute for Theoretical Physicsin Waterloossa, Kanadassa, samasta syystä kuin ilma leviää tasaisesti koko huoneeseen: Outommat vaihtoehdot ovat ajateltavissa, mutta erittäin epätodennäköisiä.

Maailmankaikkeus "saattaa vaikuttaa äärimmäisen hienosäädetyltä, äärimmäisen epätodennäköiseltä, mutta [he] sanovat: 'Odota hetki, se on suosikki', sanoi Thomas Hertog, kosmologi Leuvenin katolisessa yliopistossa Belgiassa.

"Se on uusi panos, jossa käytetään erilaisia ​​menetelmiä verrattuna siihen, mitä useimmat ihmiset ovat tehneet", sanoi Steffen Gielen, kosmologi Sheffieldin yliopistosta Yhdistyneessä kuningaskunnassa.

Provokatiivinen johtopäätös perustuu matemaattiseen temppuun, jossa vaihdetaan kuvitteellisilla numeroilla tikittävään kelloon. Käyttämällä kuvitteellista kelloa, kuten Hawking teki 70-luvulla, Turok ja Boyle saattoivat laskea suuren, joka tunnetaan nimellä entropia ja joka näyttää vastaavan universumiamme. Mutta kuvitteellinen aikatemppu on kiertokulkutapa entropian laskemiseen, ja ilman tiukempaa menetelmää suuren merkityksestä kiistellään edelleen kiivaasti. Samalla kun fyysikot pohtivat entropialaskennan oikeaa tulkintaa, monet pitävät sitä uutena opasteena tiellä kohti tilan ja ajan perustavaa laatua olevaa kvanttia.

"Jotkin", Gielen sanoi, "se antaa meille ikkunan kenties näkemään aika-avaruuden mikrorakenteen."

Kuvittelevia polkuja

Turok ja Boyle, säännölliset yhteistyökumppanit, ovat tunnettuja luovista ja epätavallisista ideoista kosmologiasta. Viime vuonna tutkiakseen, kuinka todennäköinen universumimme voi olla, he käyttivät fyysikko Richard Feynmanin 1940-luvulla kehittämää tekniikkaa.

Pyrkiessään vangitsemaan hiukkasten todennäköisyyskäyttäytymistä Feynman kuvitteli, että hiukkanen tutkii kaikkia mahdollisia reittejä, jotka yhdistävät alusta loppuun: suoran, käyrän, silmukan, loputtomiin. Hän keksi tavan antaa jokaiselle polulle sen todennäköisyyteen liittyvä numero ja laskea kaikki luvut yhteen. Tästä "polkuintegraalista" muodostui tehokas kehys sen ennustamiseen, kuinka mikä tahansa kvanttijärjestelmä todennäköisimmin käyttäytyisi.

Heti kun Feynman aloitti polun integraalin julkistamisen, fyysikot havaitsivat uteliaan yhteyden termodynamiikkaan, arvokkaan lämpötilan ja energian tieteen kanssa. Tämä kvanttiteorian ja termodynamiikan välinen silta mahdollisti Turokin ja Boylen laskelman.

Termodynamiikka hyödyntää tilastojen tehoa niin, että voit käyttää vain muutamaa numeroa kuvaamaan monista osista koostuvaa järjestelmää, kuten gajillionia ilmamolekyylejä, jotka kolisevat ympäriinsä huoneessa. Esimerkiksi lämpötila - olennaisesti ilmamolekyylien keskinopeus - antaa karkean käsityksen huoneen energiasta. Yleiset ominaisuudet, kuten lämpötila ja paine, kuvaavat huoneen "makrotilaa".

Mutta makrovaltio on karkea tili; ilmamolekyylejä voidaan järjestää valtavalla määrällä tapoja, jotka kaikki vastaavat samaa makrotilaa. Työnnä yhtä happiatomia hieman vasemmalle, niin lämpötila ei muutu. Jokainen ainutlaatuinen mikroskooppinen konfiguraatio tunnetaan mikrotilana, ja tiettyä makrotilaa vastaavien mikrotilojen lukumäärä määrittää sen entropian.

Entropia antaa fyysikoille terävän tavan verrata eri tulosten todennäköisyyksiä: Mitä suurempi makrovaltion entropia on, sitä todennäköisempi se on. Ilmamolekyylillä on huomattavasti enemmän tapoja järjestyä koko huoneeseen kuin esimerkiksi nurkkaan koontuneena. Tämän seurauksena ilmamolekyylien odotetaan leviävän (ja pysyvän levittäytyneenä). Itsestään ilmeisestä totuudesta, että todennäköiset tulokset ovat todennäköisiä, tulee fysiikan kielellä kirjoitettuna kuuluisa termodynamiikan toinen pääsääntö: että järjestelmän kokonaisentropialla on taipumus kasvaa.

Samankaltaisuus polkuintegraaliin oli erehtymätön: Termodynamiikassa lasketaan yhteen kaikki mahdolliset järjestelmän konfiguraatiot. Ja polkuintegraalilla lasket yhteen kaikki mahdolliset polut, jonka järjestelmä voi kulkea. On vain yksi melko räikeä ero: termodynamiikka käsittelee todennäköisyyksiä, jotka ovat positiivisia lukuja, jotka suoraan laskevat yhteen. Mutta polun integraalissa kullekin polulle annettu numero on kompleksinen, mikä tarkoittaa, että se sisältää imaginaariluvun i, −1:n neliöjuuri. Kompleksiluvut voivat kasvaa tai kutistua, kun ne lasketaan yhteen – jolloin ne voivat vangita kvanttihiukkasten aaltomäisen luonteen, joka voi yhdistyä tai kumota.

Silti fyysikot havaitsivat, että yksinkertainen muutos voi viedä sinut valtakunnasta toiseen. Tee ajasta kuvitteelliseksi (liike, joka tunnetaan nimellä Wick-kierto italialaisen fyysikon Gian Carlo Wickin mukaan) ja toinen i astuu polun integraaliin, joka tyrmää ensimmäisen ja muuttaa kuvitteelliset luvut todellisiksi todennäköisyyksiksi. Korvaa aikamuuttuja lämpötilan käänteisarvolla, niin saat hyvin tunnetun termodynaamisen yhtälön.

Tämä Wick-temppu johti Hawkingin ja Gibbonsin menestyslöydöksiin vuonna 1977, pyörremyrskyjen sarjan teoreettisten löytöjen lopussa avaruudesta ja ajasta.

Avaruuden entropia

Vuosikymmeniä aikaisemmin Einsteinin yleinen suhteellisuusteoria oli paljastanut, että tila ja aika yhdessä muodostavat yhtenäisen todellisuuden kudoksen - aika-avaruus - ja että painovoima on todellakin esineiden taipumus seurata aika-avaruuslaskoksia. Äärimmäisissä olosuhteissa aika-avaruus voi kaartua tarpeeksi jyrkästi luodakseen väistämättömän Alcatrazin, joka tunnetaan nimellä musta aukko.

Vuonna 1973 Jacob Bekenstein kehitti harhaoppia että mustat aukot ovat epätäydellisiä kosmisia vankiloita. Hän päätteli, että syvyyksien tulisi imeä aterioidensa entropia sen sijaan, että ne poistaisivat entropian maailmankaikkeudesta ja rikkoisivat termodynamiikan toista lakia. Mutta jos mustilla aukoilla on entropiaa, niillä täytyy olla myös lämpötiloja ja niiden täytyy säteillä lämpöä.

Skeptinen Stephen Hawking yritti todistaa Bekensteinin olevan väärässä aloittaen monimutkaisen laskelman siitä, kuinka kvanttihiukkaset käyttäytyvät mustan aukon kaarevassa aika-avaruudessa. Yllätykseksensä hän vuonna 1974 löytyi että mustat aukot todella säteilevät. Toinen laskelma vahvisti Bekensteinin arvauksen: Mustan aukon entropia on yhtä suuri kuin neljäsosa sen tapahtumahorisontin pinta-alasta - piste, josta sisään putoava kohde ei ole paluuta.

Seuraavina vuosina brittiläiset fyysikot Gibbons ja Malcolm Perry sekä myöhemmin Gibbons ja Hawking, saapui klo sama tulos alkaen toiseen suuntaan. He asettivat polun integraalin, periaatteessa laskemalla yhteen kaikki eri tavat, joilla aika-avaruus voi taipua muodostaen mustan aukon. Seuraavaksi he Wick-pyöräilivät mustaa aukkoa, merkitsivät ajan kulkua kuvitteellisilla luvuilla ja tutkivat sen muotoa. He havaitsivat, että kuvitteellisessa ajan suunnassa musta aukko palasi ajoittain alkutilaansa. Tämä Groundhog Dayn kaltainen toisto kuvitteellisessa ajassa antoi mustalle aukolle eräänlaisen pysähdyksen, jonka ansiosta he pystyivät laskemaan lämpötilansa ja entropiansa.

He eivät ehkä olisi luottaneet tuloksiin, jos vastaukset eivät olisi täsmälleen vastanneet Bekensteinin ja Hawkingin aiemmin laskemia vastauksia. Vuosikymmenen loppuun mennessä heidän yhteinen työnsä oli tuottanut hätkähdyttävän käsityksen: mustien aukkojen entropia merkitsi sitä, että aika-avaruus itsessään koostuu pienistä, uudelleen järjestettävissä olevista kappaleista, aivan kuten ilma on tehty molekyyleistä. Ja ihme kyllä, vaikka tietämättä mitä nämä "gravitaatioatomit" olivat, fyysikot saattoivat laskea niiden järjestelyt katsomalla mustaa aukkoa kuvitteellisessa ajassa.

"Se tulos jätti syvän, syvän vaikutuksen Hawkingiin", sanoi Hertog, Hawkingin entinen jatko-opiskelija ja pitkäaikainen yhteistyökumppani. Hawking pohti heti, toimisikohan Wick-kierto muuhunkin kuin vain mustiin aukkoihin. "Jos tuo geometria vangitsee mustan aukon kvanttiominaisuuden", Hertog sanoi, "on vastustamatonta tehdä samoin koko maailmankaikkeuden kosmologisilla ominaisuuksilla."

Kaikkien mahdollisten universumien laskeminen

Heti Hawking ja Gibbons Wick pyörittivät yhtä yksinkertaisimmista kuviteltavissa olevista universumeista – sellaisen, joka ei sisällä muuta kuin itse avaruuteen rakennettua pimeää energiaa. Tällä tyhjällä, laajenevalla maailmankaikkeudella, jota kutsutaan "de Sitter"-avaruus-ajaksi, on horisontti, jonka ulkopuolella avaruus laajenee niin nopeasti, ettei sieltä koskaan tule signaalia avaruuden keskellä olevaan tarkkailijaan. Vuonna 1977 Gibbons ja Hawking laskivat, että kuten mustalla aukolla, myös de Sitter -universumilla on entropia, joka vastaa neljäsosaa sen horisontin pinta-alasta. Jälleen avaruus-ajalla näytti olevan lukematon määrä mikrotiloja.

Mutta todellisen maailmankaikkeuden entropia jäi avoimeksi kysymykseksi. Universumimme ei ole tyhjä; se on täynnä säteilevää valoa ja galaksien ja pimeän aineen virtoja. Valo laajensi avaruutta reippaasti universumin nuoruudessa, sitten aineen vetovoima hidasti asioita ryömimään kosmisen nuoruuden aikana. Nyt näyttää siltä, ​​​​että pimeä energia on ottanut vallan ja ajanut karkaavaa laajenemista. "Tämä laajennushistoria on kuoppainen matka", Hertog sanoi. "Ei selkeän ratkaisun saaminen ole niin helppoa."

Noin viime vuoden aikana Boyle ja Turok ovat rakentaneet juuri tällaisen eksplisiittisen ratkaisun. Ensin tammikuussa leikkiessään lelukosmologioilla he huomasin että säteilyn lisääminen de Sitterin aika-avaruuteen ei pilannut universumin Wick-kiertämiseen vaadittavaa yksinkertaisuutta.

Sitten kesän aikana he huomasivat, että tekniikka kestäisi jopa aineen sotkuisen sisällyttämisen. Monimutkaisempaa laajennushistoriaa kuvaava matemaattinen käyrä sijoittui edelleen tiettyyn helposti käsiteltävien funktioiden ryhmään, ja termodynamiikan maailma pysyi saavutettavissa. "Tämä Wick-kierto on hämärää, kun siirrytään pois erittäin symmetrisestä aika-avaruudesta", sanoi Guilherme Leite Pimentel, kosmologi Scuola Normale Superioressa Pisassa, Italiassa. "Mutta he onnistuivat löytämään sen."

Kiertämällä Wickin vuoristoratalaajennushistoriaa realistisemman universumiluokan, he saivat monipuolisemman yhtälön kosmiselle entropialle. Monille kosmisille makrotiloille, jotka määritellään säteilyn, aineen, kaarevuuden ja pimeän energiatiheyden perusteella (kuten lämpötila- ja painealueet määrittävät huoneen erilaisia ​​mahdollisia ympäristöjä), kaava sylkee vastaavien mikrotilojen lukumäärän. Turok ja Boyle julkaisivat niiden tuloksia verkossa lokakuun alussa.

Asiantuntijat ovat ylistäneet selkeää, määrällistä tulosta. Mutta entropiayhtälöstään Boyle ja Turok ovat tehneet epätavallisen johtopäätöksen universumimme luonteesta. "Silloin siitä tulee hieman mielenkiintoisempaa ja hieman kiistanalaisempaa", Hertog sanoi.

Boyle ja Turok uskovat, että yhtälö laskee kaikki mahdolliset kosmiset historiat. Aivan kuten huoneen entropia laskee kaikki tavat järjestää ilmamolekyylit tietylle lämpötilalle, he epäilevät, että heidän entropiansa laskee kaikki tavat, joilla aika-avaruuden atomit voidaan sekoittaa ja silti päätyä maailmankaikkeuteen, jolla on tietty kokonaishistoria. kaarevuus ja pimeän energian tiheys.

Boyle vertaa prosessia jättimäisen marmorisäkin kartoittamiseen, kukin eri universumi. Ne, joilla on negatiivinen kaarevuus, voivat olla vihreitä. Ne, joilla on tonnia pimeää energiaa, voivat olla kissansilmiä ja niin edelleen. Heidän laskentansa paljastaa, että suurimmalla osalla marmoreista on vain yksi väri - esimerkiksi sininen - joka vastaa yhden tyyppistä universumia: yksi laajalti samanlainen kuin omamme, jossa ei ole havaittavissa olevaa kaarevuutta ja vain ripaus pimeää energiaa. Outommat kosmoksen tyypit ovat häviävän harvinaisia. Toisin sanoen, universumimme oudot vaniljapiirteet, jotka ovat motivoineet vuosikymmeniä kestäneen kosmisen inflaation ja multiversumin teorioita, eivät ehkä ole ollenkaan outoja.

"Se on erittäin kiehtova tulos", Hertog sanoi. Mutta "se herättää enemmän kysymyksiä kuin antaa vastauksia".

Hämmennyksen laskeminen

Boyle ja Turok ovat laskeneet yhtälön, joka laskee universumit. Ja he ovat tehneet hämmästyttävän havainnon, että meidän kaltaiset universumit näyttävät muodostavan leijonan osan mahdollisista kosmisista vaihtoehdoista. Mutta siihen se varmuus loppuu.

Kaksikko ei yritä selittää, mikä painovoiman kvanttiteoria ja kosmologia voisivat tehdä tietyistä universumeista yleisiä tai harvinaisia. Ne eivät myöskään selitä, kuinka maailmankaikkeutemme mikroskooppisten osien erityismuodoineen syntyi. Viime kädessä he pitävät laskelmiaan enemmän vihjeenä siitä, minkätyyppisiä universumeja suositellaan, kuin mikä tahansa lähellä kosmologian täyttä teoriaa. "Olemme käyttäneet halpaa temppua saadaksemme vastauksen tietämättä, mikä teoria on", Turok sanoi.

Heidän työnsä elvyttää myös kysymyksen, joka on jäänyt vastaamatta sen jälkeen, kun Gibbons ja Hawking aloittivat koko aika-avaruusentropian bisneksen: mitkä tarkalleen ovat ne mikrotilat, joita halpa temppu laskee?

"Tässä tärkeintä on sanoa, että emme tiedä mitä tuo entropia tarkoittaa", sanoi Henry Maxfield, Stanfordin yliopiston fyysikko, joka tutkii painovoiman kvanttiteorioita.

Pohjimmiltaan entropia kapseloi tietämättömyyden. Esimerkiksi molekyyleistä valmistetulle kaasulle fyysikot tietävät lämpötilan – hiukkasten keskinopeuden – mutta eivät sitä, mitä jokainen hiukkanen tekee; kaasun entropia heijastaa vaihtoehtojen määrää.

Vuosikymmenten teoreettisen työn jälkeen fyysikot ovat lähestymässä samanlaista kuvaa mustista aukoista. Monet teoreetikot uskovat nyt, että horisontin alue kuvaa heidän tietämättömyyttään pudonneista aineksista - kaikista tavoista järjestää sisäisesti mustan aukon rakennuspalikoita vastaamaan sen ulkonäköä. (Tutkijat eivät vieläkään tiedä, mitä mikrotilat todellisuudessa ovat; ideoita ovat gravitoniksi kutsuttujen hiukkasten konfiguraatiot tai merkkijonoteorian ketjut.)

Mutta mitä tulee maailmankaikkeuden entropiaan, fyysikot eivät ole yhtä varmoja siitä, missä heidän tietämättömyytensä edes piilee.

Huhtikuussa kaksi teoreetikkoa yritti asettaa kosmologisen entropian vahvemmalle matemaattiselle pohjalle. Ted Jacobson, Marylandin yliopiston fyysikko, joka tunnetaan Einsteinin painovoimateorian johtamisesta mustan aukon termodynamiikasta, ja hänen jatko-opiskelijansa Batoul Banihashemi nimenomaisesti määritelty (vapaan, laajenevan) de Sitter -universumin entropia. He omaksuivat keskellä olevan tarkkailijan näkökulman. Heidän tekniikkansa, joka sisälsi kuvitteellisen pinnan lisäämisen keskushavainnoijan ja horisontin väliin, sitten pinnan kutistamista, kunnes se saavutti keskihavainnoijan ja katosi, sai Gibbonin ja Hawkingin vastauksen, että entropia vastaa neljäsosaa horisontin pinta-alasta. He päättelivät, että de Sitterin entropia laskee kaikki mahdolliset mikrotilat horisontin sisällä.

Turok ja Boyle laskevat saman entropian kuin Jacobson ja Banihashemi tyhjälle universumille. Mutta uudessa laskelmassaan, joka koskee realistista universumia, joka on täynnä ainetta ja säteilyä, he saavat paljon suuremman määrän mikrotiloja - verrannollisia tilavuuteen eivätkä pinta-alaan. Tämän näennäisen yhteentörmäyksen edessä he spekuloivat, että eri entropiat vastaavat eri kysymyksiin: Pienempi de Sitterin entropia laskee puhtaan aika-avaruuden mikrotilat, joita rajoittaa horisontti, kun taas he epäilevät, että heidän suurempi entropiansa laskee kaikki avaruus-ajan mikrotilat, jotka ovat täynnä ainetta ja energiaa sekä horisontin sisällä että sen ulkopuolella. "Se on koko myrsky", Turok sanoi.

Viime kädessä kysymyksen ratkaiseminen siitä, mitä Boyle ja Turok laskevat, vaatii selvemmän matemaattisen määritelmän mikrotilojen joukosta, analogisesti sen kanssa, mitä Jacobson ja Banihashemi ovat tehneet de Sitter -avaruudelle. Banihashemi sanoi näkevänsä Boylen ja Turokin entropialaskelman "vastauksena kysymykseen, jota ei vielä täysin ymmärretä".

Mitä tulee vakiintuneempiin vastauksiin kysymykseen "Miksi tämä universumi?", kosmologit sanovat, että inflaatio ja multiversumi ovat kaukana kuolleista. Etenkin nykyaikainen inflaatioteoria on tullut ratkaisemaan muutakin kuin maailmankaikkeuden tasaisuutta ja tasaisuutta. Taivaan havainnot vastaavat monia muita sen ennusteita. Turokin ja Boylen entrooppinen argumentti on läpäissyt merkittävän ensimmäisen kokeen, Pimentel sanoi, mutta sen on naulattava muita, yksityiskohtaisempia tietoja kilpaillakseen vakavammin inflaatiosta.

Kuten tietämättömyyttä mittaavalle suurelle soveltuu, entropiaan juurtuvat mysteerit ovat ennenkin toimineet tuntemattoman fysiikan saarnaajina. 1800-luvun lopulla entropian tarkka ymmärrys mikroskooppisena järjestelynä auttoi vahvistamaan atomien olemassaolon. Nykyään toivotaan, että jos tutkijat, jotka laskevat kosmologista entropiaa eri tavoilla, pystyvät selvittämään tarkalleen, mihin kysymyksiin he vastaavat, nämä luvut ohjaavat heitä kohti samanlaista ymmärrystä siitä, kuinka ajan ja tilan legopalikoita kasaantuu universumin luomiseksi, ympäröi meitä.

"Laskelmamme tarjoaa valtavasti lisämotivaatiota ihmisille, jotka yrittävät rakentaa mikroskooppisia kvanttigravitaatioteorioita", Turok sanoi. "Koska se on mahdollista, että se teoria lopulta selittää universumin laajamittaisen geometrian."