Baru-baru ini, idea utama Stephen Hawking - bahawa alam semesta mungkin timbul dari apa-apa - telah dicabar, dan ahli kosmologi harus memilih pihak mana yang harus diambil. Setelah dua tahun bertengkar, para saintis bersetuju bahawa perbezaan mereka berpunca dari pandangan yang berbeza tentang bagaimana alam berfungsi. Perbahasan mesra membantu mengekalkan nilai idea Hawking.
Pada tahun 1981, banyak ahli kosmologi terkemuka di dunia berkumpul di Pontifical Academy of Sciences, yang menyaksikan perpaduan sains dan teologi dan terletak di sebuah vila yang elegan di taman-taman Vatikan. Stephen Hawking memilih hari Ogos untuk membentangkan apa yang kemudian disebut ideanya yang paling penting: hipotesis bahawa alam semesta mungkin timbul tanpa apa-apa.
Sebelum pidato Hawking, semua kisah asal kosmologi, saintifik atau teologi, dapat dibantah: "Apa yang berlaku sebelum itu?" Sebagai contoh, teori Big Bang - pertama kali dicadangkan 50 tahun sebelum ceramah Hawking oleh ahli fizik Belgia dan imam Katolik Georges Lemaître, yang kemudian berkhidmat sebagai presiden Akademi Sains Vatikan - mengatakan bahawa sebelum pengembangan bermula, alam semesta adalah sekumpulan tenaga yang panas dan padat … Tetapi dari mana datangnya tenaga asal?
Teori Big Bang juga mempunyai kelemahan lain. Ahli fizik memahami bahawa sekumpulan tenaga yang meluas akan berubah menjadi sesuatu yang hancur dan huru-hara, dan bukannya menjadi ruang halus yang besar yang diperhatikan oleh para astronom moden. Pada tahun 1980, setahun sebelum pidato Hawking, ahli kosmologi Alan Guth menyedari bahawa ketidaktepatan Big Bang dapat diperbaiki dengan penambahan kecil: lonjakan pertumbuhan eksponensial awal yang dikenali sebagai inflasi kosmik yang akan menjadikan alam semesta besar, halus, dan rata. sebelum graviti dapat memusnahkannya. Inflasi dengan cepat menjadi teori utama bagi asal mula kosmos kita. Namun persoalannya tetap seperti apakah kondisi awalnya: dari mana tempat kecil yang kononnya membengkak ke alam semesta kita, dan potensi tenaga yang mengembangkannya?
Hawking yang megah menemukan cara untuk mengakhiri percubaan tanpa henti untuk melihat lebih jauh ke masa lalu: dia menganggap bahawa tidak ada akhir atau permulaan sama sekali. Menurut risalah persidangan di Vatikan, ahli fizik Cambridge, yang berusia 39 tahun dan yang masih dapat berbicara dengan suaranya sendiri, memberitahu para penonton: "Pasti ada sesuatu yang istimewa dalam keadaan di pinggir alam semesta, dan apa yang lebih istimewa daripada itu. negeri di mana tidak ada sempadan?"
Hawking dan James Hartle, dengan siapa mereka sering bekerjasama, akhirnya merumuskan "hipotesis tanpa sempadan" mereka dalam makalah 1983 mereka, di mana mereka menyarankan bahawa ruang berbentuk seperti shuttlecock. Sama seperti shuttlecock yang mempunyai diameter sifar pada titik terendahnya dan secara beransur-ansur mengembang ketika naik, alam semesta, menurut hipotesis tanpa sempadan, berkembang dengan lancar dari titik ukuran sifar. Hartle dan Hawking membuat formula yang menggambarkan keseluruhan shuttlecock - apa yang disebut "fungsi gelombang alam semesta" yang merangkumi seluruh masa lalu, masa kini dan masa depan - menjadikannya tidak bermakna untuk mencari asal usul penciptaan, pencipta, atau peralihan dari satu keadaan ke keadaan lain pada masa lalu.
"Sesuai dengan hipotesis ketiadaan sempadan, tidak masuk akal untuk mengajukan pertanyaan tentang apa yang terjadi sebelum Big Bang, kerana tidak ada konsep waktu yang dapat menjadi titik permulaan," kata Hawking semasa kuliah lain di Pontifical Academy pada tahun 2016, satu setengah tahun sebelum kematiannya. "Ia seperti bertanya di selatan Kutub Selatan."
Hipotesis Hartle-Hawking secara radikal menyemak semula konsep masa. Setiap saat di alam semesta menjadi penampang shuttlecock; sementara kita menganggap alam semesta berkembang dan berkembang dari satu saat ke saat yang lain, waktu sebenarnya terdiri dari hubungan antara ukuran alam semesta di setiap bahagian dan sifat-sifat lain - terutama entropi, atau gangguannya. Entropi meningkat dari gabus ke bulu, menyasarkan panah masa yang muncul. Walau bagaimanapun, berhampiran bahagian bawah ulang-alik bulat, korelasi kurang dipercayai; masa tidak lagi wujud dan digantikan oleh ruang yang murni. Hartle, seorang profesor di University of California di Santa Barbara, yang kini berusia 79 tahun, baru-baru ini berkomentar dalam perbualan telefon: “Tidak ada burung di alam semesta paling awal; kemudian burung muncul. Tidak ada masa di alam semesta awaldan kemudian masa muncul."
Video promosi:
Hipotesis tanpa sempadan telah memikat dan memberi inspirasi kepada ahli fizik selama hampir empat puluh tahun. "Ini idea yang sangat indah dan provokatif," kata Neil Turok, ahli kosmologi di Institut Perimeter Kanada untuk Fizik Teoretikal di Waterloo dan bekas kolaborator Hawking. Hipotesis adalah draf pertama dari deskripsi kuantum mengenai kosmos - fungsi gelombang alam semesta. Tidak lama kemudian, muncul seluruh bidang sains, kosmologi kuantum, dan pelbagai penyelidik mula menawarkan idea alternatif untuk bagaimana alam semesta dapat datang dari apa-apa, menganalisis pelbagai ramalan dan cara menguji teori-teori ini, dan menafsirkan implikasi falsafah mereka. Fungsi gelombang tak terhingga "dalam beberapa cara adalah penjelasan termudah untuk ini," kata Hartle.
Tetapi dua tahun yang lalu, sebuah artikel oleh Turok, Job Feldbrugge dari Perimeter Institute dan Jean-Luc Lehners dari Max Planck Institute for Gravitational Physics di Jerman mencabar hipotesis Hartle-Hawking. Hipotesis ini, tentu saja, hanya dapat dilaksanakan jika alam semesta yang muncul dari titik tanpa dimensi, seperti yang dibayangkan oleh Hartle dan Hawking, secara semula jadi tumbuh menjadi alam semesta seperti kita. Hawking dan Hartl berpendapat bahawa ini memang benar: alam semesta tanpa sempadan cenderung besar, sangat halus, rata dan mengembang, seperti kosmos itu sendiri. "Masalah dengan pendekatan Stephen dan Jim adalah bahwa itu tidak jelas," kata Turok, "sangat ambigu."
Dalam artikel 2017 dalam Physical Review Letters, Turok dan penulisnya mendekati hipotesis tanpa had Hartle-Hawking dengan kaedah matematik baru yang mereka percaya menjadikan ramalannya jauh lebih spesifik. daripada sebelumnya. "Kami mendapati ia gagal total," kata Turok. "Dari segi mekanik kuantum, alam semesta tidak mungkin muncul seperti yang mereka bayangkan." Ketiga-tiga saintis dengan teliti memeriksa pengiraan dan data asalnya sebelum melepaskannya, tetapi "sayangnya," kata Turok, "nampaknya tidak dapat dielakkan bahawa cadangan Hartle-Hawking tidak sesuai."
Kontroversi meletus pada artikel ini. Pakar lain dengan tegas menegaskan idea tanpa sempadan dan membantah hujah Turok dan rakan-rakannya. "Kami tidak setuju dengan hujah teknikalnya," kata Thomas Hertog, seorang ahli fizik di Universiti Katolik Leuven di Belgium yang bekerja rapat dengan Hawking selama 20 tahun terakhir dalam hidupnya. "Tetapi, yang lebih penting, kami juga tidak setuju dengan definisi, konsepnya, metodologinya. Inilah yang ingin kita pertikaikan terlebih dahulu”.
Setelah dua tahun bertengkar, kumpulan saintis bersetuju bahawa perbezaan mereka berpunca dari pandangan yang berbeza tentang bagaimana alam berfungsi. Perbahasan yang hangat, tetapi pada masa yang sama, perbahasan yang mesra membantu mengekalkan nilai idea yang menggembirakan Hawking. Bahkan pengkritik mereka dengan Hartl dari formula khas, dan termasuk Turok dan Lehner, mengembangkan model kosmologi kuantum yang bersaing, berusaha untuk menghindari perangkap yang asalnya, sambil mengekalkan daya tarikan idea tak terhingga.
Taman kesenangan kosmik
Sejak tahun 1970-an, Hartle dan Hawking sering bertemu, biasanya ketika mereka telah lama bekerjasama di Cambridge. Kajian teori mengenai lubang hitam dan keunikan misteri di pusatnya memaksa mereka untuk beralih kepada persoalan tentang asal usul alam semesta kita.
Pada tahun 1915, Albert Einstein mendapati bahawa kepekatan jirim atau tenaga merubah struktur ruang masa, menghasilkan graviti. Pada tahun 1960-an, ahli fizik Universiti Hawking dan Oxford, Roger Penrose membuktikan bahawa ketika ruang ruang membengkok cukup tajam, misalnya, di dalam lubang hitam atau mungkin semasa Big Bang, ia pasti akan runtuh, membungkuk jauh ke dalam sisi singulariti, di mana persamaan Einstein tidak berfungsi dan teori graviti kuantum baru diperlukan. Teorema Penrose-Hawking Singularity mengatakan bahawa ruang-waktu tidak dapat timbul dengan lancar, tidak tajam pada satu ketika.
Oleh itu, Hawking dan Hartl merenungkan kemungkinan bahawa alam semesta muncul sebagai ruang murni dan bukannya ruang-waktu yang dinamik. Dan ini membawa mereka kepada idea geometri shuttlecock. Mereka menentukan fungsi gelombang tanpa had untuk menggambarkan alam semesta seperti itu menggunakan pendekatan yang diciptakan oleh ahli fizik idola Hawking, Richard Feynman. Pada tahun 1940-an, Feynman mengembangkan skema untuk mengira hasil yang paling mungkin dari kejadian mekanikal kuantum. Feynman mendapati bahawa, katakanlah, untuk meramalkan hasil kemungkinan pelanggaran zarah, seseorang dapat menjumlahkan semua jalan yang mungkin dilalui oleh zarah bertabrakan, memberikan jalan lurus lebih penting daripada jalan melengkung. Pengiraan "path integral" ini memberikan fungsi gelombang: taburan kebarangkalian,menunjukkan pelbagai kemungkinan keadaan zarah selepas perlanggaran.
Begitu juga, Hartle dan Hawking memaparkan fungsi gelombang alam semesta - menggambarkan kemungkinan keadaannya - sebagai jumlah semua jalan yang mungkin di mana ia dapat berkembang dengan lancar dari satu titik. Mereka berharap bahawa jumlah semua kemungkinan "cerita pengembangan", alam semesta dengan dasar halus dari semua bentuk dan ukuran, akan menghasilkan fungsi gelombang yang cenderung menghasilkan alam semesta yang besar dan halus seperti kita. Sekiranya jumlah wajaran dari semua sejarah pengembangan yang mungkin adalah hasil yang mungkin berlaku dari sejenis alam semesta lain, maka hipotesis tanpa sempadan tidak konsisten.
Masalahnya ialah kesatuan dari semua sejarah pengembangan yang mungkin terlalu rumit untuk dikira secara tepat. Terdapat banyak variasi dalam bentuk dan ukuran alam semesta, dan masing-masing dapat menjadi kisah yang sangat membingungkan. "Murray Gell-Mann pernah bertanya kepada saya," kata Hartle mengenai ahli fizik pemenang Hadiah Nobel, "jika anda mengetahui fungsi gelombang alam semesta, mengapa anda tidak menjadi kaya?" Sudah tentu, untuk benar-benar menemui fungsi gelombang menggunakan kaedah Feynman, Hartl dan Hawking harus secara radikal menyederhanakan keadaan, mengabaikan bahkan partikel tertentu yang menghuni dunia kita (yang bermaksud bahawa formula mereka jauh dari meramalkan pasaran saham). Mereka percaya bahawa lintasan itu tidak terpisahkan untuk semua alam semesta mainan yang mungkin ada di "mini-superspace",iaitu, dalam agregat semua alam semesta dengan satu medan tenaga yang melaluinya: tenaga yang mendorong inflasi kosmik. (Dalam shuttlecock Hartle-Hawking, tempoh pengembangan awal ini sesuai dengan peningkatan diameter yang cepat di dasar palam.)
Walaupun minisuperspace sukar dikira dengan tepat, tetapi ahli fizik tahu bahawa terdapat dua kemungkinan sejarah pengembangan yang mungkin merupakan hasil pengiraan yang paling mungkin. Bentuk alam semesta yang bersaing ini sesuai dengan dua sisi perbahasan semasa.
Kedua teori bersaing ini mewakili dua kisah "klasik" mengenai pengembangan alam semesta yang mungkin berlaku. Selepas ledakan awal ukuran sifar inflasi kosmik, alam semesta ini terus berkembang selaras dengan teori graviti dan ruang-masa Einstein. Kisah pengembangan yang lebih kompleks, seperti alam semesta soccerball dan ulat, sebahagian besarnya ditolak oleh pengkomputeran kuantum.
Salah satu daripada dua penyelesaian klasik menyerupai alam semesta kita. Pada skala yang lebih besar, ia halus, dan tenaga tersebar secara rawak di seluruhnya kerana turun naik kuantum semasa inflasi. Seperti di alam semesta sebenar, perbezaan ketumpatan antara kawasannya yang berbeza membentuk lekukan Gauss yang hampir dengan sifar. Sekiranya penyelesaian yang mungkin ini memang paling masuk akal semasa mengira fungsi gelombang untuk ruang minisuperser, mungkin untuk membayangkan bahawa versi fungsi gelombang tak terhingga yang lebih terperinci dan tepat dapat berfungsi sebagai model kosmologi alam semesta yang nyata.
Bentuk alam semesta lain yang berpotensi dominan sama sekali tidak seperti yang sebenarnya. Ketika berkembang, tenaga yang mengisinya bervariasi semakin tajam, mewujudkan kecerunan ketumpatan besar dari satu tempat ke tempat lain, dan graviti terus meningkat. Perubahan ketumpatan membentuk lekukan Gauss terbalik, di mana perbezaan antara kawasan mendekati tak terhingga, dan bukannya sifar. Sekiranya ini adalah istilah yang dominan dalam fungsi gelombang tak terbatas untuk minisuperspace, maka cadangan Hartle-Hawking mungkin kelihatan salah.
Dua kisah pengembangan yang dominan memaksa kita untuk memilih bagaimana jalan terpadu harus dilakukan. Sekiranya cerita-cerita dominan adalah dua lokasi di peta, kota besar di alam semesta mekanik kuantum yang mungkin berlaku, persoalannya adalah lintasan apa yang harus kita lalui di daratan ini. Apa sejarah pengembangan yang dominan, dan hanya ada satu, haruskah "kontur integrasi" kita pilih? Para penyelidik telah menemui jalan yang berbeza.
Dalam artikel 2017, Turok, Feldbrugge, dan Lehner mengambil jalan melalui taman cerita pengembangan yang mungkin membawa mereka ke keputusan dominan kedua. Pada pendapat mereka, satu-satunya kontur yang masuk akal adalah yang melihat nilai sebenar (berbanding dengan nilai khayalan, yang merangkumi punca kuasa dua nombor negatif) untuk pemboleh ubah yang disebut "spacing." Pada dasarnya, jarak adalah ketinggian setiap alam semesta shuttlecock yang mungkin, jarak di mana ia mencapai diameter tertentu. Oleh kerana penyimpangan tidak mempunyai titik permulaan, itu tidak sesuai dengan pemahaman masa kita. Walaupun begitu, Turok dan rakan-rakannya sebagian merujuk pada alasan mereka untuk sebab-akibat, dengan alasan bahawa makna fizikal hanya mempunyai nilai selang yang sebenarnya. Dan penjumlahan ke atas alam semesta dengan nilai sebenar pemboleh ubah ini membawa kepada penyelesaian yang sangat tidak stabil dan tidak bermakna dari sudut pandang fizik.
"Orang meletakkan banyak nilai pada intuisi Steven," kata Turok melalui telefon. "Untuk alasan yang jelas - maksud saya, dia mungkin mempunyai intuisi terbaik mengenai perkara ini. Tetapi dia tidak selalu betul."
Dunia khayalan
Jonathan Halliwell, seorang ahli fizik di Imperial College London, telah mengkaji hipotesis tanpa sempadan sejak dia belajar dengan Hawking pada tahun 1980-an. Bersama Hartl, mereka menganalisis persoalan kontur integrasi pada tahun 1990. Dari sudut pandangan mereka, dan juga dari sudut pandang Hertog dan, nampaknya, Hawking, konturnya tidak mendasar, melainkan alat matematik yang memberikan banyak faedah. Begitu juga, lintasan planet di sekitar Matahari dapat diwakili secara matematik sebagai rangkaian sudut, sebagai rangkaian waktu, atau sebagai beberapa parameter lain yang sesuai. "Anda dapat melakukan perkiraan parameter ini dengan banyak cara, tetapi tidak ada yang lebih fizikal daripada yang lain," kata Halliwell.
Dia dan rakannya berpendapat bahawa dalam hal minisuperspace, hanya garis besar yang menggambarkan kisah pengembangan yang tepat masuk akal. Mekanika kuantum memerlukan kebarangkalian untuk menambah hingga 1 atau "dapat dinormalkan", tetapi alam semesta yang sangat tidak stabil yang pasukannya datang tidak. Keputusan ini tidak bermakna, menderita infiniti dan tidak mematuhi undang-undang kuantum - menurut penyokong hipotesis tanpa sempadan, ini jelas menunjukkan perlunya jalan sebaliknya.
Memang benar bahawa kontur yang melalui penyelesaian yang betul merangkum kemungkinan alam semesta dengan nilai khayalan pemboleh ubahnya. Tetapi selain dari Turok dan syarikat, hanya sedikit yang menganggap ini sebagai masalah. Nombor khayalan merangkumi mekanik kuantum. Pengkritik dari pasukan Hartle-Hawking mengutip salah tanggapan kausalitas dengan menuntut agar "selang" itu nyata. "Ini adalah prinsip yang tidak ditahbiskan oleh surga, dan yang dengannya kita sangat tidak setuju," kata Hertog.
Hertog mengatakan bahawa Hawking jarang menyebut bentuk integral dari jalur fungsi gelombang tak terbatas dalam beberapa tahun kebelakangan ini, sebahagiannya disebabkan oleh kesamaran dalam pemilihan kontur. Dia melihat sejarah pengembangan yang dinormalisasi, yang baru-baru ini ditemukan menggunakan jalan integral, sebagai penyelesaian kepada persamaan alam semesta yang lebih mendasar, yang ditimbulkan pada tahun 1960-an oleh ahli fizik John Wheeler dan Bryce DeWitt. Wheeler dan DeWitt, merenungkan pertanyaan ini ketika berhenti di Lapangan Terbang Antarabangsa Raleigh-Durham, berpendapat bahawa fungsi gelombang alam semesta, apa pun yang ada, tidak boleh bergantung pada waktu, kerana tidak ada jam luaran yang memungkinkan mengukur. Oleh itu, jumlah tenaga di alam semesta apabila anda menambahkan sumbangan positif dan negatif jirim dan graviti mesti sentiasa sifar. Fungsi gelombang tidak terikat memenuhi persamaan Wheeler-DeWitt untuk minisuperspace.
Pada tahun-tahun terakhir kehidupan Hawking, dia dan rakan-rakannya mulai menggunakan holografi, pendekatan blockbuster baru yang melihat ruang-masa sebagai hologram, untuk lebih memahami fungsi gelombang secara keseluruhan. Hawking mencari gambaran holografik mengenai alam semesta dalam bentuk shuttlecock, di mana geometri keseluruhan masa lalu akan diproyeksikan dari masa kini.
Usaha-usaha ini berterusan semasa ketiadaan Hawking. Tetapi orang Turki melihat pergeseran penekanan ini sebagai perubahan peraturan. Menurutnya, menolak untuk merumuskan jalan yang tidak terpisahkan, penyokong model tanpa sempadan membuatnya tidak dapat ditentukan dengan baik. Pada pendapatnya, apa yang mereka pelajari bukan lagi model Hartle-Hawking, walaupun Hartl sendiri tidak bersetuju dengan ini.
Selama setahun terakhir, Turok dan rakannya di Institut Perimeter Latham Boyle dan Kieran Finn telah mengembangkan model kosmologi baru yang banyak persamaan dengan model tanpa sempadan. Tetapi bukannya satu shuttlecock, ia terdiri daripada dua corks berbentuk jam pasir di mana masa mengalir ke kedua arah. Walaupun modelnya belum cukup dikembangkan untuk meramalkan apa-apa, keindahannya terletak pada kenyataan bahawa kelopaknya menerapkan simetri CPT, nampaknya cermin semula jadi asas yang secara serentak mencerminkan jirim dan antimateri, kiri dan kanan, serta ke depan dan kembali mengikut masa. Salah satu kelemahannya ialah kelopak gambar cermin alam semesta terjadi secara tunggal, dalam ruang-waktu,yang memerlukan pemahaman mengenai teori graviti kuantum yang tidak diketahui. Boyle, Finn dan Turok bertaruh pada singulariti, tetapi percubaan ini bersifat spekulatif.
Terdapat juga kebangkitan minat pada "model terowong", konsep alternatif asal usul alam semesta dari apa-apa, yang dikembangkan pada tahun 1980-an oleh ahli kosmologi Rusia-Amerika yang bebas Alexander Vilenkin dan Andrei Linde. Model, yang berbeza dari fungsi gelombang tak terhingga terutama oleh tanda minus, menganggap kelahiran alam semesta sebagai peristiwa "terowong" mekanik kuantum, serupa dengan ketika zarah melayang di belakang penghalang dalam eksperimen mekanik kuantum.
Terdapat banyak persoalan mengenai bagaimana pelbagai model berkaitan dengan penaakulan antropik dan idea terkenal dari pelbagai alam. Sebagai contoh, fungsi gelombang tak terhingga memilih alam semesta kosong, sementara alam semesta kompleks yang besar memerlukan sejumlah besar jirim dan tenaga. Hawking berpendapat bahawa sebilangan besar alam semesta yang mungkin sesuai dengan fungsi gelombang mesti direalisasikan di beberapa multiverse yang lebih besar, di mana hanya alam semesta yang kompleks seperti kita yang mempunyai penghuni yang dapat memerhatikannya. (Kontroversi baru-baru ini berkisar pada persoalan apakah alam semesta kompleks yang dapat dihuni ini akan lancar atau sangat berfluktuasi.) Kelebihan model terowong adalah kerana ia menyukai alam semesta yang penuh dengan jirim dan tenaga.seperti kita, tidak perlu menggunakan penaakulan antropik - walaupun penyambungan semesta yang wujud mungkin mempunyai masalah lain.
Apa pun yang berlaku, mungkin sebahagian intipati lukisan itu, yang pertama kali dilukis oleh Hawking di Pontifical Academy of Sciences 38 tahun yang lalu, masih akan kekal. Atau, mungkin, bukan permulaan seperti Kutub Selatan, alam semesta telah muncul dari keunikan, dan diperlukan beberapa jenis fungsi gelombang yang sama sekali berbeza. Walau apa pun, carian akan diteruskan. "Jika kita berbicara mengenai teori mekanik kuantum, apa lagi yang dapat dijumpai selain fungsi gelombang?" tanya Juan Maldacena, seorang ahli fizik teori terkemuka di Institut Kajian Lanjutan di Princeton, New Jersey, yang sebahagian besarnya tidak menjauhkan diri dari kontroversi baru-baru ini. Menurut Maldacena, yang, kebetulan, adalah anggota Pontifical Academy, persoalan fungsi gelombang alam semesta adalah "pertanyaan yang tepat." "Adakah kita dapati fungsi gelombang yang betul,atau bagaimana kita harus membayangkan fungsi gelombang tidak begitu jelas lagi."
Natalie Wolchover
