Predstavitev
Kozmologi so desetletja poskušali razumeti, zakaj je naše vesolje tako osupljivo vanilijevo. Ne samo, da je gladek in raven, kolikor ga lahko vidimo, ampak se tudi širi z vedno tako počasi naraščajočo hitrostjo, ko naivni izračuni kažejo, da bi moral – izhajajoč iz velikega poka – prostor zmečkati gravitacija in razstrelila odbojna temna energija.
Da bi razložili ravnost kozmosa, so fiziki kozmični zgodovini dodali dramatično uvodno poglavje: domnevajo, da se je vesolje na začetku velikega poka hitro napihnilo kot balon in zgladilo vse ukrivljenosti. Nekateri trdijo, da je naše vesolje samo eno izmed mnogih manj gostoljubnih vesolj v velikanskem multivesolju, da bi razložili nežno rast vesolja po tistem začetnem obdobju inflacije.
Zdaj pa sta dva fizika obrnila konvencionalno razmišljanje o našem vesolju barve vanilije na glavo. Po vrsti raziskav, ki sta jih leta 1977 začela Stephen Hawking in Gary Gibbons, je dvojec objavil nov izračun, ki nakazuje, da je preprostost kozmosa pričakovana in ne redka. Naše vesolje je takšno, kot je, po Neil Turok Univerze v Edinburghu in Latham Boyle z Inštituta za teoretično fiziko Perimeter v Waterlooju v Kanadi iz istega razloga, zaradi katerega se zrak enakomerno širi po prostoru: čudnejše možnosti so možne, a skrajno malo verjetne.
Vesolje »se morda zdi zelo natančno nastavljeno, zelo malo verjetno, toda [oni] pravijo: 'Počakaj malo, to je favorizirano,'« je rekel Thomas Hertog, kozmolog na Katoliški univerzi v Leuvnu v Belgiji.
"To je nov prispevek, ki uporablja drugačne metode v primerjavi s tem, kar počne večina ljudi," je dejal Steffen Gielen, kozmolog na Univerzi v Sheffieldu v Združenem kraljestvu.
Provokativen zaključek temelji na matematičnem triku, ki vključuje preklop na uro, ki tiktaka z namišljenimi številkami. Z uporabo namišljene ure, kot je to storil Hawking v 70. letih, sta Turok in Boyle lahko izračunala količino, znano kot entropija, ki se zdi, da ustreza našemu vesolju. Toda namišljeni časovni trik je zaokrožen način izračunavanja entropije in brez strožje metode ostaja pomen količine vroča razprava. Medtem ko se fiziki sprašujejo o pravilni razlagi izračuna entropije, ga mnogi vidijo kot novo vodilo na poti do temeljne, kvantne narave prostora in časa.
"Nekako," je rekel Gielen, "nam daje okno v morda videnje mikrostrukture prostora-časa."
Imaginarne poti
Turok in Boyle, pogosta sodelavca, sta znana po ustvarjanju ustvarjalnih in neortodoksnih zamisli o kozmologiji. Lani so se za preučevanje, kako verjetno je naše vesolje, obrnili na tehniko, ki jo je v štiridesetih letih prejšnjega stoletja razvil fizik Richard Feynman.
Da bi zajel verjetnostno vedenje delcev, si je Feynman predstavljal, da delec raziskuje vse možne poti, ki povezujejo začetek in cilj: ravno črto, krivuljo, zanko, ad infinitum. Zasnoval je način, kako vsaki poti dati številko, povezano z njeno verjetnostjo, in sešteti vsa števila. Ta tehnika "integralne poti" je postala močan okvir za napovedovanje, kako bi se kateri koli kvantni sistem najverjetneje obnašal.
Takoj ko je Feynman začel objavljati integral poti, so fiziki opazili nenavadno povezavo s termodinamiko, častitljivo znanostjo o temperaturi in energiji. Prav ta most med kvantno teorijo in termodinamiko je omogočil izračun Turoka in Boyla.
Predstavitev
Termodinamika izkorišča moč statistike, tako da lahko uporabite le nekaj številk za opis sistema številnih delov, kot je gajilijon molekul zraka, ki ropotajo po sobi. Temperatura, na primer - v bistvu povprečna hitrost molekul zraka - daje grobo predstavo o energiji prostora. Splošne lastnosti, kot sta temperatura in tlak, opisujejo "makrostanje" prostora.
Toda makrodržava je surov račun; molekule zraka so lahko razporejene na ogromno načinov, ki vsi ustrezajo istemu makrostanju. Premaknite en atom kisika nekoliko v levo in temperatura se ne bo premaknila. Vsaka edinstvena mikroskopska konfiguracija je znana kot mikrostanje in število mikrostanj, ki ustrezajo danemu makrostanju, določa njegovo entropijo.
Entropija daje fizikom oster način za primerjavo možnosti različnih izidov: višja kot je entropija makrostanja, večja je verjetnost. Obstaja veliko več načinov, kako se molekule zraka razporedijo po celotnem prostoru, kot če so na primer zbrane v kotu. Posledično pričakujemo, da se bodo molekule zraka razširile (in ostale razpršene). Samoumevna resnica, da so verjetni izidi verjetni, izražena v jeziku fizike, postane znameniti drugi zakon termodinamike: da skupna entropija sistema teži k rasti.
Podobnost z integralom poti je bila nedvoumna: v termodinamiki seštejete vse možne konfiguracije sistema. Z integralom poti pa seštejete vse možne poti, ki jih sistem lahko prehodi. Obstaja samo ena precej očitna razlika: termodinamika se ukvarja z verjetnostmi, ki so pozitivna števila, ki se neposredno seštejejo. Toda v integralu poti je število, dodeljeno vsaki poti, kompleksno, kar pomeni, da vključuje namišljeno število i, kvadratni koren iz −1. Kompleksna števila se lahko povečajo ali skrčijo, ko jih seštejemo – kar jim omogoča, da zajamejo valovito naravo kvantnih delcev, ki se lahko združijo ali izničijo.
Vendar so fiziki ugotovili, da vas lahko preprosta transformacija popelje iz enega kraljestva v drugega. Naj bo čas namišljen (poteza, znana kot Wickova rotacija po italijanskem fiziku Gianu Carlu Wicku) in sekunda i vstopi v integral poti, ki izniči prvega in namišljena števila spremeni v realne verjetnosti. Zamenjajte časovno spremenljivko z obratno temperaturo in dobili boste dobro znano termodinamično enačbo.
Ta Wickov trik je leta 1977 pripeljal do uspešnih ugotovitev Hawkinga in Gibbonsa, na koncu vrtinčaste serije teoretičnih odkritij o prostoru in času.
Entropija prostora-časa
Desetletja prej je Einsteinova splošna teorija relativnosti razkrila, da prostor in čas skupaj tvorita enotno strukturo realnosti – prostor-čas – in da je gravitacijska sila v resnici težnja, da predmeti sledijo gubam v prostoru-času. V ekstremnih okoliščinah se lahko prostor-čas zakrivi dovolj strmo, da ustvari neizogiben Alcatraz, znan kot črna luknja.
Leta 1973 Jacob Bekenstein napredoval herezijo da so črne luknje nepopolne kozmične ječe. Utemeljil je, da bi morala brezna absorbirati entropijo svojih obrokov, namesto da bi to entropijo izbrisala iz vesolja in kršila drugi zakon termodinamike. Toda če imajo črne luknje entropijo, morajo imeti tudi temperature in morajo oddajati toploto.
Skeptični Stephen Hawking je poskušal dokazati, da se Bekenstein moti, in se lotil zapletenega izračuna, kako se kvantni delci obnašajo v ukrivljenem prostoru-času črne luknje. Na svoje presenečenje je leta 1974 je pokazala, da črne luknje res sevajo. Še en izračun je potrdil Bekensteinovo domnevo: črna luknja ima entropijo, ki je enaka eni četrtini površine njenega obzorja dogodkov - točke brez vrnitve za padajoči predmet.
Predstavitev
V letih, ki so sledila, sta britanska fizika Gibbons in Malcolm Perry ter kasneje Gibbons in Hawking prispeli pri enak rezultat iz drugo smer. Postavili so integral poti, ki načeloma sešteje vse različne načine, kako bi se lahko prostor-čas upognil, da bi nastala črna luknja. Nato so črno luknjo vrteli po Wicku, označevali tok časa z namišljenimi številkami in natančno preučili njeno obliko. Odkrili so, da se črna luknja v namišljeni časovni smeri periodično vrača v začetno stanje. To ponavljanje, podobno dnevu mrmota, v imaginarnem času je črni luknji dalo nekakšno stazo, ki jim je omogočila izračun njene temperature in entropije.
Morda ne bi zaupali rezultatom, če se odgovori ne bi natančno ujemali s tistimi, ki sta jih prej izračunala Bekenstein in Hawking. Do konca desetletja je njuno skupno delo prineslo osupljivo idejo: entropija črnih lukenj je implicirala, da je sam prostor-čas sestavljen iz drobnih, prerazporedljivih koščkov, tako kot je zrak sestavljen iz molekul. In čudežno je, da so lahko fiziki, tudi ne da bi vedeli, kaj so bili ti »gravitacijski atomi«, prešteli njihovo razporeditev s pogledom na črno luknjo v namišljenem času.
"Ta rezultat je na Hawkinga pustil globok, globok vtis," je dejal Hertog, Hawkingov nekdanji podiplomski študent in dolgoletni sodelavec. Hawking se je takoj vprašal, ali bi Wickova rotacija delovala za več kot le črne luknje. "Če ta geometrija zajame kvantno lastnost črne luknje," je dejal Hertog, "potem se je neustavljivo storiti enako s kozmološkimi lastnostmi celotnega vesolja."
Štetje vseh možnih vesolj
Takoj sta Hawking in Gibbons Wick zavrtela eno najpreprostejših možnih vesolj – tisto, ki ne vsebuje nič drugega kot temno energijo, vgrajeno v vesolje. To prazno, razširjajoče se vesolje, imenovano »de Sitterjev« prostor-čas, ima horizont, onkraj katerega se prostor širi tako hitro, da noben signal od tam ne doseže opazovalca v središču prostora. Leta 1977 sta Gibbons in Hawking izračunala, da ima tako kot črna luknja tudi de Sitterjevo vesolje entropijo, ki je enaka eni četrtini površine njegovega obzorja. Spet se je zdelo, da ima prostor-čas nešteto mikrostanj.
Toda entropija dejanskega vesolja je ostala odprto vprašanje. Naše vesolje ni prazno; polna je sevajoče svetlobe ter tokov galaksij in temne snovi. Svetloba je med mladostjo vesolja povzročila hitro širjenje vesolja, nato pa je gravitacijska privlačnost snovi upočasnila stvari v času kozmične adolescence. Zdaj se zdi, da je temna energija prevzela oblast in spodbudila bežno širitev. »Ta zgodovina širitve je nerodna vožnja,« je dejal Hertog. "Pridobiti eksplicitno rešitev ni tako enostavno."
V zadnjem letu sta Boyle in Turok izdelala tako eksplicitno rešitev. Najprej so se januarja med igro z igračami kozmologi opazili da dodajanje sevanja de Sitterjevemu prostoru-času ni pokvarilo preprostosti, potrebne za Wickovo rotacijo vesolja.
Nato so poleti odkrili, da bi tehnika vzdržala celo neurejeno vključitev snovi. Matematična krivulja, ki opisuje bolj zapleteno zgodovino širjenja, je še vedno spadala v posebno skupino funkcij, ki jih je enostavno uporabljati, in svet termodinamike je ostal dostopen. "Ta Wickova rotacija je temačen posel, ko se oddaljite od zelo simetričnega prostora-časa," je rekel Guilherme Leite Pimentel, kozmologinja na Scuola Normale Superiore v Pisi, Italija. "Ampak uspelo jim je najti."
Z Wickovim vrtenjem zgodovine širjenja tobogana bolj realističnega razreda vesolj so dobili bolj vsestransko enačbo za kozmično entropijo. Za širok razpon kozmičnih makrostanj, ki jih definirajo sevanje, snov, ukrivljenost in gostota temne energije (podobno kot razpon temperatur in tlakov določa različna možna okolja prostora), formula izpljune število ustreznih mikrostanj. Turok in Boyle sta objavila njihove rezultate na spletu v začetku oktobra.
Predstavitev
Strokovnjaki so pohvalili eksplicitni, kvantitativni rezultat. Toda iz svoje entropijske enačbe sta Boyle in Turok potegnila nekonvencionalen zaključek o naravi našega vesolja. "Tukaj postane malo bolj zanimivo in malo bolj kontroverzno," je dejal Hertog.
Boyle in Turok verjameta, da enačba izvaja popis vseh možnih kozmičnih zgodovin. Tako kot entropija sobe šteje vse načine razporeditve molekul zraka za dano temperaturo, domnevajo, da njihova entropija šteje vse načine, na katere bi lahko zmešali atome prostora-časa in še vedno imeli vesolje z dano celotno zgodovino, ukrivljenost in gostota temne energije.
Boyle postopek primerja z raziskovanjem ogromne vreče frnikol, od katerih je vsaka drugačno vesolje. Tisti z negativno ukrivljenostjo so lahko zeleni. Tisti s tonami temne energije so lahko mačje oči in tako naprej. Njihov popis razkriva, da ima velika večina frnikol samo eno barvo - recimo modro -, ki ustreza eni vrsti vesolja: takšnemu, ki je na splošno podoben našemu, brez opazne ukrivljenosti in le s pridihom temne energije. Bolj čudne vrste kozmosa so izginjajoče redke. Z drugimi besedami, nenavadne značilnosti našega vesolja, ki so desetletja motivirale teoretiziranje o kozmični inflaciji in multiverzumu, morda sploh niso čudne.
"To je zelo zanimiv rezultat," je dejal Hertog. Toda "sproža več vprašanj kot odgovorov."
Zmeda pri štetju
Boyle in Turok sta izračunala enačbo, ki šteje vesolja. In naredili so presenetljivo ugotovitev, da se zdi, da vesolja, kot je naše, predstavljajo levji delež možnih kozmičnih možnosti. Toda tu se gotovost konča.
Dvojec ne poskuša razložiti, kakšna kvantna teorija gravitacije in kozmologija bi lahko naredila nekatera vesolja pogosta ali redka. Prav tako ne pojasnijo, kako je nastalo naše vesolje s posebno konfiguracijo mikroskopskih delov. Navsezadnje vidijo svoj izračun bolj kot namig, katera vrsta vesolja je prednostna kot karkoli blizu popolne teorije kozmologije. "Uporabili smo poceni trik, da bi dobili odgovor, ne da bi vedeli, kakšna je teorija," je dejal Turok.
Njihovo delo prav tako oživi vprašanje, ki je ostalo brez odgovora, odkar sta Gibbons in Hawking prvič začela s celotnim poslom prostorsko-časovne entropije: katera točno so mikrostanja, ki jih poceni trik šteje?
"Ključna stvar tukaj je reči, da ne vemo, kaj ta entropija pomeni," je dejal Henry Maxfield, fizik na univerzi Stanford, ki preučuje kvantne teorije gravitacije.
V svojem srcu entropija zajema nevednost. Za plin, sestavljen iz molekul, na primer, fiziki poznajo temperaturo – povprečno hitrost delcev – ne pa tudi, kaj vsak delec počne; entropija plina odraža število možnosti.
Po desetletjih teoretičnega dela so fiziki prišli do podobne slike za črne luknje. Mnogi teoretiki zdaj verjamejo, da območje obzorja opisuje njihovo nepoznavanje stvari, ki so padle noter – vseh načinov notranje ureditve gradnikov črne luknje, da se ujemajo z njenim zunanjim videzom. (Raziskovalci še vedno ne vedo, kaj mikrostanja pravzaprav so; ideje vključujejo konfiguracije delcev, imenovanih gravitoni, ali strune teorije strun.)
Ko pa gre za entropijo vesolja, so fiziki manj prepričani o tem, kje sploh leži njihova nevednost.
Aprila sta dva teoretika poskušala kozmološko entropijo postaviti na trdnejšo matematično podlago. Ted Jacobson, fizik na Univerzi v Marylandu, znan po izpeljavi Einsteinove teorije gravitacije iz termodinamike črne luknje, in njegov podiplomski študent Batoul Banihashemi izrecno opredeljeno entropija (praznega, razširjajočega se) de Sitterjevega vesolja. Sprejeli so perspektivo opazovalca v središču. Njihova tehnika, ki je vključevala dodajanje fiktivne površine med osrednjim opazovalcem in obzorjem, nato krčenje površine, dokler ni dosegla osrednjega opazovalca in izginila, je povrnila odgovor Gibbonsa in Hawkinga, da je entropija enaka eni četrtini površine obzorja. Ugotovili so, da de Sitterjeva entropija šteje vsa možna mikrostanja znotraj obzorja.
Turok in Boyle izračunata enako entropijo kot Jacobson in Banihashemi za prazno vesolje. Toda v svojem novem izračunu, ki se nanaša na realistično vesolje, napolnjeno s snovjo in sevanjem, dobijo veliko večje število mikrostanj - sorazmerno z volumnom in ne površino. Soočeni s tem navideznim spopadom domnevajo, da različne entropije odgovarjajo na različna vprašanja: manjša de Sitterjeva entropija šteje mikrostanja čistega prostora-časa, omejenega s horizontom, medtem ko sumijo, da njihova večja entropija šteje vsa mikrostanja prostora-časa, napolnjenega z snov in energija, tako znotraj kot zunaj obzorja. "To je cela dreka," je rekel Turok.
Navsezadnje bo rešitev vprašanja, kaj Boyle in Turok štejeta, zahtevala bolj eksplicitno matematično definicijo skupine mikrostanj, podobno temu, kar sta Jacobson in Banihashemi naredila za de Sitterjev prostor. Banihashemijeva je dejala, da vidi izračun entropije Boyla in Turoka "kot odgovor na vprašanje, ki ga je treba še popolnoma razumeti."
Kar zadeva bolj uveljavljene odgovore na vprašanje "Zakaj to vesolje?", kozmologi pravijo, da inflacija in multiverzum še zdaleč nista mrtva. Zlasti sodobna teorija inflacije je rešila več kot le gladkost in ploskost vesolja. Opazovanja neba se ujemajo z mnogimi drugimi napovedmi. Entropijski argument Turoka in Boyla je opravil opazen prvi preizkus, je dejal Pimentel, vendar bo moral pridobiti druge, podrobnejše podatke, ki bodo resneje tekmovali z inflacijo.
Kot se spodobi za količino, ki meri nevednost, so skrivnosti, zakoreninjene v entropiji, že prej služile kot znanilci neznane fizike. V poznih 1800. stoletjih je natančno razumevanje entropije v smislu mikroskopskih ureditev pomagalo potrditi obstoj atomov. Danes upamo, da če bodo raziskovalci, ki na različne načine izračunavajo kozmološko entropijo, lahko natančno ugotovijo, na katera vprašanja odgovarjajo, jih bodo te številke vodile k podobnemu razumevanju tega, kako se Lego kocke časa in prostora kopičijo, da ustvarijo vesolje, ki nas obdaja.
"Naš izračun zagotavlja veliko dodatno motivacijo za ljudi, ki poskušajo zgraditi mikroskopske teorije kvantne gravitacije," je dejal Turok. "Ker obstaja možnost, da bo ta teorija na koncu pojasnila obsežno geometrijo vesolja."
