Introduksjon
Kosmologer har brukt flere tiår på å prøve å forstå hvorfor universet vårt er så fantastisk vanilje. Ikke bare er det jevnt og flatt så langt vi kan se, men det utvider seg også i et aldri så sakte økende tempo, når naive beregninger tyder på at – når det kom ut av Big Bang – burde rommet ha blitt krøllet sammen av tyngdekraften og sprengt fra hverandre av frastøtende mørk energi.
For å forklare kosmos flathet, har fysikere lagt til et dramatisk åpningskapittel til kosmisk historie: De foreslår at rommet raskt blåste seg opp som en ballong ved starten av Big Bang, og strøket ut enhver krumning. Og for å forklare den milde veksten av verdensrommet etter den første inflasjonsperioden, har noen hevdet at universet vårt bare er ett av mange mindre gjestfrie universer i et gigantisk multivers.
Men nå har to fysikere snudd den konvensjonelle tenkningen om vaniljeuniverset vårt på hodet. Etter en forskningslinje startet av Stephen Hawking og Gary Gibbons i 1977, har duoen publisert en ny beregning som antyder at det er forventet at kosmos er ensartet, snarere enn sjelden. Universet vårt er slik det er, ifølge Neil Turok fra University of Edinburgh og Latham Boyle ved Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, av samme grunn som luften sprer seg jevnt over et rom: rarere alternativer kan tenkes, men ekstremt usannsynlige.
Universet "kan virke ekstremt finjustert, ekstremt usannsynlig, men [de] sier: 'Vent litt, det er den favoritten'," sa Thomas Hertog, en kosmolog ved det katolske universitetet i Leuven i Belgia.
"Det er et nytt bidrag som bruker forskjellige metoder sammenlignet med hva folk flest har gjort," sa Steffen Gielen, en kosmolog ved University of Sheffield i Storbritannia.
Den provoserende konklusjonen hviler på et matematisk triks som innebærer å bytte til en klokke som tikker med imaginære tall. Ved å bruke den imaginære klokken, slik Hawking gjorde på 70-tallet, kunne Turok og Boyle beregne en mengde, kjent som entropi, som ser ut til å samsvare med universet vårt. Men det imaginære tidstrikset er en omveiende måte å beregne entropi på, og uten en strengere metode forblir betydningen av kvantiteten heftig omdiskutert. Mens fysikere lurer på den riktige tolkningen av entropiberegningen, ser mange på den som en ny guidepost på veien til den grunnleggende, kvantenaturen til rom og tid.
"På en eller annen måte," sa Gielen, "gir det oss et vindu til kanskje å se mikrostrukturen til rom-tid."
Imaginære stier
Turok og Boyle, hyppige samarbeidspartnere, er kjent for å utvikle kreative og uortodokse ideer om kosmologi. I fjor, for å studere hvor sannsynlig universet vårt kan være, vendte de seg til en teknikk utviklet på 1940-tallet av fysikeren Richard Feynman.
Med sikte på å fange den sannsynlige oppførselen til partikler, forestilte Feynman at en partikkel utforsker alle mulige ruter som forbinder start til slutt: en rett linje, en kurve, en løkke, i det uendelige. Han utviklet en måte å gi hver vei et tall relatert til sannsynligheten og legge sammen alle tallene. Denne "baneintegrerte" teknikken ble et kraftig rammeverk for å forutsi hvordan et hvilket som helst kvantesystem mest sannsynlig ville oppføre seg.
Så snart Feynman begynte å publisere sti-integralen, oppdaget fysikere en merkelig sammenheng med termodynamikk, den ærverdige vitenskapen om temperatur og energi. Det var denne broen mellom kvanteteori og termodynamikk som muliggjorde Turok og Boyles beregning.
Introduksjon
Termodynamikk utnytter kraften til statistikk slik at du kan bruke bare noen få tall for å beskrive et system av mange deler, for eksempel de gajillioner luftmolekylene som rasler rundt i et rom. Temperatur, for eksempel - i hovedsak gjennomsnittshastigheten til luftmolekyler - gir en grov følelse av rommets energi. Generelle egenskaper som temperatur og trykk beskriver en "makrostat" av rommet.
Men en makrostat er en grov konto; luftmolekyler kan ordnes på et enormt antall måter som alle tilsvarer den samme makrotilstanden. Skyv ett oksygenatom litt til venstre, og temperaturen vil ikke rikke seg. Hver unike mikroskopiske konfigurasjon er kjent som en mikrotilstand, og antallet mikrotilstander som tilsvarer en gitt makrotilstand bestemmer dens entropi.
Entropi gir fysikere en skarp måte å sammenligne oddsen for ulike utfall på: Jo høyere entropien til en makrostat, jo mer sannsynlig er det. Det er langt flere måter for luftmolekyler å ordne seg i hele rommet enn hvis de for eksempel er samlet i et hjørne. Som et resultat forventer man at luftmolekyler sprer seg ut (og holder seg spredt). Den selvinnlysende sannheten om at sannsynlige utfall er sannsynlige, utformet i fysikkens språk, blir termodynamikkens berømte andre lov: at den totale entropien til et system har en tendens til å vokse.
Likheten med stiintegralet var umiskjennelig: I termodynamikk legger du sammen alle mulige konfigurasjoner av et system. Og med baneintegralet legger du sammen alle mulige veier et system kan ta. Det er bare en ganske iøynefallende forskjell: Termodynamikk handler om sannsynligheter, som er positive tall som enkelt legger sammen. Men i stiintegralet er tallet som er tildelt hver sti komplekst, noe som betyr at det involverer det imaginære tallet i, kvadratroten av −1. Komplekse tall kan vokse eller krympe når de legges sammen - slik at de kan fange opp den bølgelignende naturen til kvantepartikler, som kan kombineres eller oppheves.
Likevel fant fysikere at en enkel transformasjon kan ta deg fra det ene riket til det andre. Gjør tiden imaginær (et trekk kjent som en Wick-rotasjon etter den italienske fysikeren Gian Carlo Wick), og en andre i går inn i baneintegralet som fjerner det første, og gjør imaginære tall til reelle sannsynligheter. Bytt ut tidsvariabelen med invers av temperatur, og du får en velkjent termodynamisk ligning.
Dette Wick-trikset førte til et blockbuster-funn av Hawking og Gibbons i 1977, på slutten av en virvelvind serie med teoretiske oppdagelser om rom og tid.
Romtidens entropi
Tiår tidligere hadde Einsteins generelle relativitetsteori avslørt at rom og tid sammen danner et enhetlig stoff av virkelighet - rom-tid - og at tyngdekraften egentlig er tendensen til objekter til å følge foldene i rom-tid. Under ekstreme omstendigheter kan romtiden krumme seg bratt nok til å skape et uunngåelig Alcatraz kjent som et svart hull.
I 1973, Jacob Bekenstein fremmet kjetteriet at sorte hull er ufullkomne kosmiske fengsler. Han begrunnet at avgrunnene burde absorbere entropien til måltidene deres, i stedet for å slette den entropien fra universet og bryte termodynamikkens andre lov. Men hvis sorte hull har entropi, må de også ha temperaturer og utstråle varme.
En skeptisk Stephen Hawking prøvde å bevise at Bekenstein tok feil, og begynte på en intrikat beregning av hvordan kvantepartikler oppfører seg i den buede romtiden til et sort hull. Til sin overraskelse, i 1974 funnet at sorte hull faktisk stråler ut. Nok en beregning bekreftet Bekensteins gjetning: Et svart hull har en entropi som tilsvarer en fjerdedel av arealet av dets hendelseshorisont – punktet uten retur for et innfallende objekt.
Introduksjon
I årene som fulgte, de britiske fysikerne Gibbons og Malcolm Perry, og senere Gibbons og Hawking, kom frem på samme resultat fra en annen retning. De setter opp en stiintegral, og legger i prinsippet sammen alle de forskjellige måtene rom-tid kan bøye seg for å lage et svart hull. Deretter roterte de Wick det sorte hullet, markerte tidens flyt med imaginære tall, og undersøkte formen. De oppdaget at i den imaginære tidsretningen, returnerte det sorte hullet med jevne mellomrom til sin opprinnelige tilstand. Denne Groundhog Day-lignende repetisjonen i imaginær tid ga det sorte hullet en slags stase som tillot dem å beregne temperaturen og entropien.
De hadde kanskje ikke stolt på resultatene hvis svarene ikke hadde samsvart nøyaktig med de som ble beregnet tidligere av Bekenstein og Hawking. Ved slutten av tiåret hadde deres kollektive arbeid gitt en oppsiktsvekkende forestilling: Entropien til sorte hull antydet at romtiden i seg selv er laget av små, omorganiserbare stykker, omtrent som luft er laget av molekyler. Og mirakuløst nok, selv uten å vite hva disse "gravitasjonsatomene" var, kunne fysikere telle arrangementene deres ved å se på et svart hull i imaginær tid.
"Det er resultatet som gjorde et dypt, dypt inntrykk på Hawking," sa Hertog, Hawkings tidligere doktorgradsstudent og mangeårige samarbeidspartner. Hawking lurte umiddelbart på om Wick-rotasjonen ville fungere for mer enn bare sorte hull. "Hvis den geometrien fanger opp en kvanteegenskap til et sort hull," sa Hertog, "så er det uimotståelig å gjøre det samme med de kosmologiske egenskapene til hele universet."
Teller alle mulige universer
Med en gang roterte Hawking og Gibbons Wick et av de enklest tenkelige universene – et som ikke inneholdt annet enn den mørke energien som er bygget inn i selve rommet. Dette tomme, ekspanderende universet, kalt en "de Sitter" rom-tid, har en horisont, utenfor hvilken rommet utvider seg så raskt at ingen signal derfra noensinne vil nå en observatør i midten av rommet. I 1977 beregnet Gibbons og Hawking at, i likhet med et svart hull, har et de Sitter-univers også en entropi som tilsvarer en fjerdedel av horisontens areal. Igjen, rom-tid så ut til å ha et tellbart antall mikrotilstander.
Men entropien til det faktiske universet forble et åpent spørsmål. Vårt univers er ikke tomt; den er full av strålende lys og strømmer av galakser og mørk materie. Lys drev en rask utvidelse av verdensrommet i løpet av universets ungdom, deretter bremset materiens gravitasjonstiltrekning ting til et kryp under kosmisk ungdomsår. Nå ser det ut til at mørk energi har tatt over, og driver en løpsk utvidelse. "Denne ekspansjonshistorien er en humpete tur," sa Hertog. "Å få en eksplisitt løsning er ikke så lett."
I løpet av det siste året eller så har Boyle og Turok bygget nettopp en slik eksplisitt løsning. Først i januar, mens de lekte med lekekosmologier, de la merke til at å legge til stråling til de Sitter rom-tid ikke ødela enkelheten som kreves for å rotere universet.
Så i løpet av sommeren oppdaget de at teknikken ville tåle selv rotete inkludering av materie. Den matematiske kurven som beskriver den mer kompliserte ekspansjonshistorien falt fortsatt inn i en spesiell gruppe letthåndterlige funksjoner, og termodynamikkens verden forble tilgjengelig. "Denne Wick-rotasjonen er uklar virksomhet når du beveger deg bort fra svært symmetrisk rom-tid," sa Guilherme Leite Pimentel, en kosmolog ved Scuola Normale Superiore i Pisa, Italia. "Men de klarte å finne den."
Ved å rotere berg-og-dal-banens ekspansjonshistorie til en mer realistisk klasse av universer, fikk de en mer allsidig ligning for kosmisk entropi. For et bredt spekter av kosmiske makrotilstander definert av stråling, materie, krumning og mørk energitetthet (som en rekke temperaturer og trykk definerer forskjellige mulige miljøer i et rom), spytter formelen ut antallet tilsvarende mikrotilstander. Turok og Boyle postet resultatene deres online i begynnelsen av oktober.
Introduksjon
Eksperter har berømmet det eksplisitte, kvantitative resultatet. Men fra deres entropi-ligning har Boyle og Turok trukket en ukonvensjonell konklusjon om naturen til universet vårt. "Det er der det blir litt mer interessant og litt mer kontroversielt," sa Hertog.
Boyle og Turok mener ligningen gjennomfører en folketelling av alle tenkelige kosmiske historier. Akkurat som et roms entropi teller alle måtene å ordne luftmolekylene for en gitt temperatur, mistenker de at deres entropi teller alle måtene man kan blande sammen atomene i rom-tid og likevel ende opp med et univers med en gitt overordnet historie, krumning og mørk energitetthet.
Boyle sammenligner prosessen med å kartlegge en gigantisk sekk med klinkekuler, hver sitt univers. De med negativ krumning kan være grønne. De med tonnevis av mørk energi kan være katteøyne, og så videre. Folketellingen deres avslører at det overveldende flertallet av kulene har bare én farge - blå, for eksempel - som tilsvarer én type univers: en som stort sett ligner vårt eget, uten merkbar krumning og bare et snev av mørk energi. Rarere typer kosmos er forsvinnende sjeldne. Med andre ord, de merkelige vaniljetrekkene i universet vårt som har motivert tiår med teoretisering om kosmisk inflasjon og multivers, er kanskje ikke merkelige i det hele tatt.
"Det er et veldig spennende resultat," sa Hertog. Men "det reiser flere spørsmål enn det svarer."
Teller forvirring
Boyle og Turok har regnet ut en ligning som teller universer. Og de har gjort den slående observasjonen at universer som vårt ser ut til å stå for brorparten av de tenkelige kosmiske alternativene. Men det er der vissheten slutter.
Duoen gjør ingen forsøk på å forklare hva kvanteteori om tyngdekraft og kosmologi kan gjøre visse universer vanlige eller sjeldne. De forklarer heller ikke hvordan universet vårt, med sin spesielle konfigurasjon av mikroskopiske deler, ble til. Til syvende og sist ser de på beregningene deres som mer en pekepinn på hvilke typer universer som foretrekkes enn noe i nærheten av en fullstendig teori om kosmologi. "Det vi har brukt er et billig triks for å få svaret uten å vite hva teorien er," sa Turok.
Arbeidet deres revitaliserer også et spørsmål som har blitt ubesvart siden Gibbons og Hawking først startet hele virksomheten med romtidsentropi: Hva er egentlig mikrostatene som det billige trikset teller?
"Nøkkelen her er å si at vi ikke vet hva den entropien betyr," sa Henry Maxfield, en fysiker ved Stanford University som studerer kvanteteorier om gravitasjon.
I sitt hjerte innkapsler entropi uvitenhet. For en gass laget av molekyler, for eksempel, vet fysikere temperaturen - gjennomsnittshastigheten til partikler - men ikke hva hver partikkel gjør; gassens entropi gjenspeiler antall alternativer.
Etter flere tiår med teoretisk arbeid, konvergerer fysikere et lignende bilde for sorte hull. Mange teoretikere tror nå at området av horisonten beskriver deres uvitenhet om tingene som har falt inn - alle måtene å internt arrangere byggesteinene til det sorte hullet for å matche dets ytre utseende. (Forskere vet fortsatt ikke hva mikrostatene faktisk er; ideer inkluderer konfigurasjoner av partiklene kalt gravitoner eller strengteoriens strenger.)
Men når det kommer til universets entropi, føler fysikere seg mindre sikre på hvor deres uvitenhet til og med ligger.
I april forsøkte to teoretikere å sette kosmologisk entropi på et fastere matematisk grunnlag. Ted Jacobson, en fysiker ved University of Maryland kjent for å utlede Einsteins gravitasjonsteori fra sorte hulls termodynamikk, og hans doktorgradsstudent Batoul Banihashemi eksplisitt definert entropien til et (ledig, ekspanderende) de Sitter-univers. De adopterte perspektivet til en observatør i sentrum. Teknikken deres, som innebar å legge til en fiktiv overflate mellom den sentrale observatøren og horisonten, for så å krympe overflaten til den nådde den sentrale observatøren og forsvant, gjenopprettet Gibbons og Hawkings svar at entropi tilsvarer en fjerdedel av horisontområdet. De konkluderte med at de Sitter-entropien teller alle mulige mikrotilstander inne i horisonten.
Turok og Boyle beregner samme entropi som Jacobson og Banihashemi for et tomt univers. Men i deres nye beregning knyttet til et realistisk univers fylt med materie og stråling, får de et mye større antall mikrotilstander - proporsjonalt med volum og ikke areal. Stilt overfor dette tilsynelatende sammenstøtet spekulerer de i at de forskjellige entropiene svarer på forskjellige spørsmål: Den mindre de Sitter-entropien teller mikrotilstander av ren rom-tid avgrenset av en horisont, mens de mistenker at deres større entropi teller alle mikrotilstandene i en rom-tid fylt med materie og energi, både innenfor og utenfor horisonten. "Det er hele kjeften," sa Turok.
Til syvende og sist vil det å avgjøre spørsmålet om hva Boyle og Turok teller kreve en mer eksplisitt matematisk definisjon av ensemblet av mikrostater, analogt med hva Jacobson og Banihashemi har gjort for de Sitter-rommet. Banihashemi sa at hun ser på Boyle og Turoks entropiberegning "som et svar på et spørsmål som ennå ikke er fullt ut forstått."
Når det gjelder mer etablerte svar på spørsmålet "Hvorfor dette universet?", sier kosmologer at inflasjon og multivers er langt fra død. Spesielt moderne inflasjonsteori har kommet for å løse mer enn bare universets jevnhet og flathet. Observasjoner av himmelen samsvarer med mange av dens andre spådommer. Turok og Boyles entropiske argument har bestått en bemerkelsesverdig første test, sa Pimentel, men den vil måtte finne andre, mer detaljerte data for å konkurrere mer alvorlig med inflasjonen.
Som det sømmer seg en mengde som måler uvitenhet, har mysterier forankret i entropi fungert som varslere om ukjent fysikk før. På slutten av 1800-tallet bidro en presis forståelse av entropi i form av mikroskopiske arrangementer til å bekrefte eksistensen av atomer. I dag er håpet at hvis forskerne som beregner kosmologisk entropi på forskjellige måter kan finne ut nøyaktig hvilke spørsmål de svarer på, vil disse tallene lede dem mot en lignende forståelse av hvordan legoklosser av tid og rom hoper seg opp for å skape universet som omgir oss.
"Det vår beregning gjør er å gi enorm ekstra motivasjon for folk som prøver å bygge mikroskopiske teorier om kvantetyngdekraft," sa Turok. "Fordi utsiktene er at den teorien til slutt vil forklare universets geometri i stor skala."
