Bevezetés
A kozmológusok évtizedeket töltöttek azzal, hogy megértsék, miért olyan lenyűgözően vaníliás univerzumunk. Nemcsak sima és lapos, amennyire látjuk, hanem egyre lassan tágul is, amikor naiv számítások szerint – az Ősrobbanásból kilépve – a gravitáció hatására a térnek össze kellett volna gyűrődnie. szétrobbantotta a visszataszító sötét energia.
A kozmosz laposságának magyarázatára a fizikusok egy drámai nyitó fejezettel egészítették ki a kozmikus történelmet: azt javasolják, hogy az űr gyorsan felfújjon, mint egy léggömb az Ősrobbanás kezdetekor, kisimítva minden görbületet. És hogy megmagyarázzák a tér enyhe növekedését a kezdeti infláció után, egyesek azzal érveltek, hogy a mi univerzumunk csak egy a sok kevésbé vendégszerető univerzum közül egy óriási multiverzumban.
Most azonban két fizikus a feje tetejére állította a vanília-univerzumunkról alkotott hagyományos gondolkodást. Stephen Hawking és Gary Gibbons 1977-ben megkezdett kutatása nyomán a páros új számítást tett közzé, amely szerint a kozmosz simasága inkább várható, mint ritka. A mi univerzumunk olyan, amilyen Neil Turok az Edinburghi Egyetem és Latham Boyle a kanadai Waterloo-i Perimeter Institute for Theoretical Physics munkatársa ugyanazon okból, amiért a levegő egyenletesen terjed a helyiségben: elképzelhetőek furcsább lehetőségek is, de rendkívül valószínűtlenek.
Az univerzum „nagyon finomhangoltnak tűnhet, rendkívül valószínűtlennek, de [ők] azt mondják: „Várj egy percet, ez a kedvenc” Thomas Hertog, a belgiumi Leuveni Katolikus Egyetem kozmológusa.
"Ez egy újszerű hozzájárulás, amely más módszereket használ, mint amit a legtöbben csináltak" - mondta Steffen Gielen, az Egyesült Királyság Sheffieldi Egyetemének kozmológusa.
A provokatív következtetés egy matematikai trükkön nyugszik, amely magában foglalja a képzeletbeli számokkal ketyegő órára való átállást. A képzeletbeli óra segítségével, ahogyan azt Hawking tette a 70-es években, Turok és Boyle egy entrópiának nevezett mennyiséget tudott kiszámítani, amely úgy tűnik, hogy megfelel a mi univerzumunknak. Ám a képzeletbeli időtrükk az entrópia kiszámításának körkörös módja, és szigorúbb módszer nélkül a mennyiség értelméről továbbra is heves vita folyik. Míg a fizikusok az entrópiaszámítás helyes értelmezésén töprengenek, sokan úgy tekintenek rá, mint egy új iránymutatóra a tér és idő alapvető kvantumtermészetéhez vezető úton.
– Valahogy – mondta Gielen –, ez ablakot ad a téridő mikroszerkezetének meglátásába.
Képzelt utak
Turok és Boyle, gyakori munkatársak, híresek arról, hogy kreatív és unortodox ötleteket dolgoznak ki a kozmológiával kapcsolatban. Tavaly, hogy megvizsgálják, mekkora valószínűséggel állhat fenn univerzumunk, egy technikához fordultak, amelyet Richard Feynman fizikus fejlesztett ki az 1940-es években.
A részecskék valószínűségi viselkedésének megragadására Feynman azt képzelte, hogy egy részecske minden lehetséges útvonalat megvizsgál, amely összeköti az elejétől a végéig: egyenes vonal, görbe, hurok, a végtelenségig. Kidolgozott egy módot arra, hogy minden útvonalhoz adjon egy számot, amely a valószínűségéhez kapcsolódik, és az összes számot összeadja. Ez az „útintegrál” technika erőteljes keretté vált annak előrejelzésére, hogy a kvantumrendszerek valószínűleg hogyan fognak viselkedni.
Amint Feynman elkezdte nyilvánosságra hozni az útintegrált, a fizikusok különös kapcsolatot fedeztek fel a termodinamikával, a hőmérséklet és energia tiszteletreméltó tudományával. Ez a híd a kvantumelmélet és a termodinamika között tette lehetővé Turok és Boyle számítását.
Bevezetés
A termodinamika kihasználja a statisztika erejét, így néhány számmal leírhat egy sok részből álló rendszert, például a helyiségben zörgő gajillion levegőmolekulákat. A hőmérséklet például – lényegében a levegőmolekulák átlagos sebessége – hozzávetőlegesen érzékelteti a helyiség energiáját. Az általános jellemzők, mint például a hőmérséklet és a nyomás a helyiség „makroállapotát” írják le.
De a makroállam egy nyers számla; A levegőmolekulák rendkívül sokféleképpen rendezhetők el, amelyek mindegyike ugyanannak a makroállapotnak felel meg. Nyomjon egy oxigénatomot egy kicsit balra, és a hőmérséklet nem fog ingadozni. Minden egyedi mikroszkópos konfigurációt mikroállapotnak nevezünk, és az adott makroállapotnak megfelelő mikroállapotok száma határozza meg annak entrópiáját.
Az entrópia éles módot ad a fizikusoknak a különböző kimenetelek esélyeinek összehasonlítására: Minél nagyobb egy makroállapot entrópiája, annál valószínűbb. Sokkal több módja van a levegőmolekuláknak, hogy elrendezzék magukat az egész szobában, mintha például egy sarokban összegyűlnének. Ennek eredményeként az ember arra számít, hogy a levegőmolekulák szétterülnek (és szétszóródva maradnak). A fizika nyelvén megfogalmazott magától értetődő igazság, hogy a valószínű kimenetelek valószínűek, a termodinamika híres második főtételévé válik: hogy egy rendszer teljes entrópiája nő.
Az útintegrálhoz való hasonlóság összetéveszthetetlen volt: a termodinamikában összeadja a rendszer összes lehetséges konfigurációját. Az útvonalintegrállal pedig összeadja az összes lehetséges utat, amelyet egy rendszer megtehet. Csak egy meglehetősen szembetűnő különbség van: a termodinamika a valószínűségekkel foglalkozik, amelyek pozitív számok, amelyek egyenesen összeadódnak. De az útvonalintegrálban az egyes útvonalakhoz rendelt szám összetett, vagyis magában foglalja a képzeletbeli számot i, a −1 négyzetgyöke. A komplex számok összeadva növekedhetnek vagy csökkenhetnek – lehetővé téve számukra, hogy megragadják a kvantumrészecskék hullámszerű természetét, amely egyesülhet vagy kioltható.
A fizikusok azonban úgy találták, hogy egy egyszerű transzformáció átviheti az egyik birodalomból a másikba. Tedd képzeletbelivé az időt (ez a lépés Gian Carlo Wick olasz fizikus után Wick-forgatás néven ismert), és egy másodperc i belép az útvonalintegrálba, amely kioltja az elsőt, és a képzeletbeli számokat valós valószínűségekké alakítja. Cseréljük le az időváltozót a hőmérséklet inverzére, és egy jól ismert termodinamikai egyenletet kapunk.
Ez a kanóc-trükk vezetett Hawking és Gibbons kasszasiker felfedezéséhez 1977-ben, a térrel és idővel kapcsolatos elméleti felfedezések forgószélsorozatának végén.
A tér-idő entrópiája
Évtizedekkel korábban Einstein általános relativitáselmélete feltárta, hogy a tér és az idő együtt a valóság – téridő – egységes szövetét alkotják, és hogy a gravitációs erő valójában az a tendencia, hogy a tárgyak a téridő redőit követik. Szélsőséges körülmények között a téridő elég meredeken görbülhet ahhoz, hogy létrejöjjön egy elkerülhetetlen Alcatraz, amelyet fekete lyuknak neveznek.
1973-ban Jacob Bekenstein előmozdította az eretnekséget hogy a fekete lyukak tökéletlen kozmikus börtönök. Úgy érvelt, hogy a szakadékoknak fel kell venniük étkezéseik entrópiáját, ahelyett, hogy törölnék az univerzumból és megsértenék a termodinamika második főtételét. De ha a fekete lyukaknak entrópiája van, akkor hőmérséklettel is kell rendelkezniük, és hőt kell sugározniuk.
Egy szkeptikus Stephen Hawking megpróbálta bebizonyítani, hogy Bekenstein tévedett, és bonyolult számításba kezdett, hogyan viselkednek a kvantumrészecskék egy fekete lyuk görbült téridejében. Meglepetésére 1974-ben ő talált hogy a fekete lyukak valóban sugároznak. Egy másik számítás Megerősítette Bekenstein sejtését: A fekete lyuk entrópiája eseményhorizontjának egynegyedével egyenlő – a becsapódó objektum számára a visszatérés pontja.
Bevezetés
A következő években a brit fizikusok, Gibbons és Malcolm Perry, majd később Gibbons és Hawking, megérkezett a ugyanaz az eredmény ból ből másik irány. Felállítottak egy útintegrált, elvileg összeadva a tér-idő különböző módozatait, hogy fekete lyukat hozzon létre. Ezután Wick-elforgatták a fekete lyukat, képzeletbeli számokkal jelölve az idő folyását, és alaposan megvizsgálták az alakját. Felfedezték, hogy a képzeletbeli időirányban a fekete lyuk időszakonként visszatér eredeti állapotába. Ez a Groundhog Day-szerű ismétlődés a képzeletbeli időben egyfajta pangást adott a fekete lyuknak, amely lehetővé tette számukra, hogy kiszámítsák hőmérsékletét és entrópiáját.
Lehet, hogy nem bíztak volna az eredményekben, ha a válaszok nem egyeztek volna pontosan a Bekenstein és Hawking által korábban kiszámítottakkal. Az évtized végére közös munkájukból megdöbbentő elképzelés született: a fekete lyukak entrópiája azt sugallta, hogy maga a téridő apró, átrendezhető darabokból áll, ugyanúgy, mint a levegő molekulákból. És csodával határos módon a fizikusok anélkül is megtudták, hogy mik ezek a „gravitációs atomok”, ha egy fekete lyukat képzeletbeli időben néztek, megszámolhatták elrendezéseiket.
„Ez az eredmény mély, mély benyomást tett Hawkingra” – mondta Hertog, Hawking egykori végzős hallgatója és régi munkatársa. Hawking azonnal azon töprengett, vajon a kanóc-forgás nem csak fekete lyukak esetén működik-e. "Ha ez a geometria egy fekete lyuk kvantumtulajdonságát rögzíti" - mondta Hertog -, akkor ellenállhatatlan, hogy ugyanezt tegyük az egész univerzum kozmológiai tulajdonságaival.
Az összes lehetséges univerzum megszámlálása
Hawking és Gibbons Wick azonnal megforgatta az egyik legegyszerűbb elképzelhető univerzumot, amely nem tartalmaz mást, mint magát az űrbe épített sötét energiát. Ennek az üres, táguló univerzumnak, amelyet „de Sitter” téridőnek neveznek, van egy horizontja, amelyen túl a tér olyan gyorsan tágul, hogy onnan semmilyen jel nem jut el a tér közepén lévő megfigyelőhöz. 1977-ben Gibbons és Hawking kiszámította, hogy a fekete lyukhoz hasonlóan a de Sitter-univerzum entrópiája is a horizontja területének egynegyedével rendelkezik. Ismét úgy tűnt, hogy a téridő megszámlálhatatlan számú mikroállapottal rendelkezik.
De a tényleges univerzum entrópiája nyitott kérdés maradt. Univerzumunk nem üres; tele van sugárzó fénnyel és galaxisok és sötét anyag folyamaival. Az univerzum fiatalkorában a fény lendületes tágulást indított el a térben, majd az anyag gravitációs vonzása lelassította a dolgokat a kozmikus serdülőkorban. Most úgy tűnik, hogy a sötét energia átvette az uralmat, és elszabadult terjeszkedést hajt végre. „Ez a terjeszkedés története rögös út” – mondta Hertog. "Egyértelmű megoldást találni nem olyan egyszerű."
Az elmúlt egy év során Boyle és Turok éppen egy ilyen explicit megoldást épített ki. Először januárban, miközben játékkozmológiákkal játszottak, ők észrevette hogy a sugárzás hozzáadása a de Sitter téridőhöz nem rontotta el az univerzum Wick-forgatásához szükséges egyszerűséget.
Aztán a nyár folyamán felfedezték, hogy a technika még az anyag zűrzavaros bevonását is kibírja. A bonyolultabb tágulástörténetet leíró matematikai görbe továbbra is a könnyen kezelhető függvények egy sajátos csoportjába került, és a termodinamika világa hozzáférhető maradt. „Ez a kanóc-forgás homályos dolog, ha távolodunk a nagyon szimmetrikus téridőtől” – mondta Guilherme Leite Pimentel, az olaszországi pisai Scuola Normale Superiore kozmológusa. – De sikerült megtalálniuk.
Az univerzumok egy valósághűbb osztályának hullámvasút-tágulási történetének Kanóc-forgatásával sokoldalúbb egyenletet kaptak a kozmikus entrópiára. A sugárzás, az anyag, a görbület és a sötét energiasűrűség által meghatározott kozmikus makroállapotok széles skálája esetén (ahogy a hőmérséklet és nyomás tartománya határozza meg a helyiség különböző lehetséges környezeteit), a képlet kiköpi a megfelelő mikroállapotok számát. Turok és Boyle közzétette eredményeiket október elején online.
Bevezetés
A szakértők dicsérték az egyértelmű, mennyiségi eredményt. De entrópiaegyenletükből Boyle és Turok szokatlan következtetést vont le univerzumunk természetéről. "Itt válik egy kicsit érdekesebbé és egy kicsit ellentmondásosabbá" - mondta Hertog.
Boyle és Turok úgy vélik, hogy az egyenlet összeírja az összes elképzelhető kozmikus történelmet. Ahogy a szoba entrópiája számba veszi a levegőmolekulák elrendezésének összes módját egy adott hőmérsékleten, úgy gyanítják, hogy entrópiájuk minden módot számol a téridő atomjaival összekeverve, és mégis egy adott átfogó történelemmel rendelkező univerzumhoz juthat. görbület és sötét energiasűrűség.
Boyle a folyamatot egy gigantikus zsák golyócskák felméréséhez hasonlítja, mindegyik más univerzumban. A negatív görbületűek zöldek lehetnek. A rengeteg sötét energiával rendelkezők macskaszeműek és így tovább. Népszámlálásuk kimutatta, hogy a golyók túlnyomó többségének csak egy színe van – mondjuk kék –, amely megfelel az univerzum egy típusának: egy olyan, mint a miénk, nincs észrevehető görbület, és csak egy csipetnyi sötét energia. A kozmosz furcsább típusai eltűnőben ritkák. Más szóval, univerzumunk furcsán vaníliás vonásai, amelyek a kozmikus inflációról és a multiverzumról szóló több évtizedes elméletalkotást motiválták, egyáltalán nem különösek.
„Ez egy nagyon érdekes eredmény” – mondta Hertog. De „több kérdést vet fel, mint amennyit megválaszol”.
Zavar számolás
Boyle és Turok kiszámítottak egy egyenletet, amely az univerzumokat számolja. És azt a megdöbbentő megfigyelést tették, hogy úgy tűnik, hogy a miénkhez hasonló univerzumok teszik ki az elképzelhető kozmikus lehetőségek oroszlánrészét. De itt a bizonyosság véget ér.
A páros meg sem próbálja megmagyarázni, hogy a gravitáció kvantumelmélete és a kozmológia mitől válhat általánossá vagy ritkává bizonyos univerzumokat. Azt sem magyarázzák meg, hogy miként jött létre univerzumunk sajátos mikroszkopikus részeinek konfigurációjával. Végső soron számításaikat inkább támpontnak tekintik arra vonatkozóan, hogy melyik univerzumfajtát részesítik előnyben, mint bármit, ami közel áll a kozmológia teljes elméletéhez. „Amit használtunk, az egy olcsó trükk, hogy anélkül kapjuk meg a választ, hogy tudnánk, mi az elmélet” – mondta Turok.
Munkájuk egy olyan kérdést is felélénkít, amely megválaszolatlan maradt, mióta Gibbons és Hawking először elindította a tér-idő entrópia üzletét: pontosan melyek azok a mikroállapotok, amelyeket az olcsó trükk számít?
"A legfontosabb dolog itt azt mondani, hogy nem tudjuk, mit jelent ez az entrópia" - mondta Henry Maxfield, a Stanford Egyetem fizikusa, aki a gravitáció kvantumelméleteit tanulmányozza.
Az entrópia szívében a tudatlanságot foglalja magában. Például egy molekulákból álló gáz esetében a fizikusok ismerik a hőmérsékletet – a részecskék átlagos sebességét –, de azt nem, hogy minden részecske mit csinál; a gáz entrópiája az opciók számát tükrözi.
Több évtizedes elméleti munka után a fizikusok hasonló képet alkotnak a fekete lyukakról. Sok teoretikus úgy véli, hogy a horizont területe leírja, hogy nem tudták a beleesett dolgokat – a fekete lyuk építőkövei belső elrendezésének minden módját, hogy megfeleljenek annak külső megjelenésének. (A kutatók még mindig nem tudják, mik is valójában a mikroállapotok; az ötletek között szerepel a gravitonnak nevezett részecskék konfigurációja vagy a húrelmélet húrjai.)
De amikor az univerzum entrópiájáról van szó, a fizikusok kevésbé érzik biztosnak, hol rejlik tudatlanságuk.
Áprilisban két teoretikus megpróbálta szilárdabb matematikai alapokra helyezni a kozmológiai entrópiát. Ted Jacobson, a Marylandi Egyetem fizikusa, aki arról híres, hogy Einstein gravitációs elméletét a fekete lyukak termodinamikájából vezette le, és végzős hallgatója, Batoul Banihashemi kifejezetten meghatározott egy (üres, táguló) de Sitter univerzum entrópiája. A középpontban lévő megfigyelő perspektíváját fogadták el. A technikájuk, amely magában foglalta egy fiktív felület hozzáadását a központi megfigyelő és a horizont közé, majd a felületet addig zsugorította, amíg az elérte a központi megfigyelőt és eltűnt, visszanyerte azt a Gibbon- és Hawking-féle választ, hogy az entrópia a horizont területének egynegyede. Arra a következtetésre jutottak, hogy a de Sitter entrópia a horizonton belüli összes lehetséges mikroállapotot számolja.
Turok és Boyle ugyanazt az entrópiát számolja ki, mint Jacobson és Banihashemi egy üres univerzumra. Az anyaggal és sugárzással teli valósághű univerzumra vonatkozó új számításukban azonban sokkal több mikroállapotot kapnak – a térfogattal és nem a területtel arányosan. Ezzel a látszólagos ütközéssel szembesülve azt feltételezik, hogy a különböző entrópiák különböző kérdésekre adnak választ: A kisebb de Sitter entrópia a tiszta téridő mikroállapotait számolja, amelyeket egy horizont határol, míg azt gyanítják, hogy nagyobb entrópiájuk a téridő összes mikroállapotát számolja. anyag és energia, a horizonton belül és kívül egyaránt. – Ez az egész botrány – mondta Turok.
Végső soron annak a kérdésnek a eldöntése, hogy mit számol Boyle és Turok, a mikroállapotok együttesének egyértelműbb matematikai meghatározását követeli meg, hasonlóan ahhoz, amit Jacobson és Banihashemi tett a de Sitter térért. Banihashemi elmondta, hogy Boyle és Turok entrópiaszámítását „egy olyan kérdésre adott válasznak tekinti, amelyet még teljesen meg kell érteni”.
Ami a „Miért ez az univerzum?” kérdésre adott megalapozottabb válaszokat illeti, a kozmológusok szerint az infláció és a multiverzum még korántsem halt meg. A modern inflációs elmélet nem csupán a világegyetem simaságát és laposságát oldotta meg. Az égbolt megfigyelései megegyeznek sok más előrejelzésével. Pimentel szerint Turok és Boyle entrópikus érvelése átment egy figyelemre méltó első próbán, de más, részletesebb adatokat kell szögeznie az infláció komolyabb rivalizálásához.
Ahogy a tudatlanságot mérő mennyiséghez illik, az entrópiában gyökerező rejtélyek korábban ismeretlen fizika előhírnökeiként szolgáltak. Az 1800-as évek végén az entrópia pontos megértése a mikroszkopikus elrendezések alapján segített megerősíteni az atomok létezését. Ma abban reménykedünk, hogy ha a kozmológiai entrópiát különböző módon számító kutatók ki tudják találni, hogy pontosan milyen kérdésekre is válaszolnak, akkor ezek a számok elvezetik őket annak megértéséhez, hogyan halmozódnak fel az időből és térből álló Lego-kockák az univerzum létrehozásához. körülvesz bennünket.
„Számításunk óriási plusz motivációt ad azoknak az embereknek, akik a kvantumgravitáció mikroszkopikus elméleteit próbálják felépíteni” – mondta Turok. "Mert az a kilátás, hogy ez az elmélet végül megmagyarázza az univerzum nagy léptékű geometriáját."
