Спойлер: это не конец Вселенной, и вряд ли это приведет к новым доказательствам существования Мультивселенной.
14 марта 2018 года в возрасте 76 лет скончался самый известный и прославленный ученый, известный человечеству, Стивен Хокинг. Он оставил богатое наследие в области астрофизики и космологии, разделив чудеса Вселенной не только со своими коллегами, но и с широкой публикой. Наиболее известен своими работами о черных дырах, общей теории относительности, теме сингулярностей и знаменитом типе излучения, носящего его имя - «излучение Хокинга». Его последнее наследие человечеству представлено в виде научной статьи, все еще находящейся на рассмотрении. Хотя самый важный вклад Хокинга в теоретическую физику был сделан на ранних этапах его карьеры, в 1960-х и 1970-х годах, он продолжал работать над темами, от парадокса информации о черной дыре до проблемы брандмауэра и рождения самого пространства и времени. Его последняя статья под названием «Плавный выход из вечной инфляции?» (препринт здесь), фокусируется на рождении Вселенной, какой мы ее знаем.
Когда дело доходит до того, как возникла наша Вселенная, есть несколько важных вопросов, на которые мы до сих пор не ответили. Общепризнано, что Вселенная, в которой мы живем сегодня, полная звезд, галактик, планет и, возможно, множества форм жизни, возникла из более горячего, более плотного и более однородного состояния в прошлом. Поскольку сама ткань пространства расширяется, и по мере расширения она растягивает населяющий ее свет до более длинных и холодных длин волн, имеет смысл сделать вывод, что в прошлом она была более плотной и горячей. Поскольку гравитация со временем вызывает рост комков материи, втягивая дополнительную материю в самые плотные области, имеет смысл сделать вывод, что в прошлом Вселенная была более гладкой и однородной. Если экстраполировать назад во времени, можно представить время, когда еще не было ни галактик, ни даже звезд; когда еще не было нейтральных атомов; где не было атомных ядер. Пока что для всего этого есть наблюдательная поддержка. Но если вы экстраполируете достаточно далеко, вы получите произвольно горячее, плотное состояние: сингулярность.
По крайней мере, это было наивное предположение, которое мы сделали для одного или двух поколений. К концу 1970-х годов стало ясно, что Большой взрыв требовал от нас начать с набора начальных условий, которые были очень конкретными, точно настроенными и совсем не мотивированными, чтобы мы получили Вселенную, которая мы видим. Либо это были просто свойства, с которыми родилась Вселенная, либо они возникли из какого-то предсуществующего состояния, которое вызвало возникновение этих условий. Был способ получить эти начальные условия, если Вселенная претерпела период космологической инфляции, когда вместо материи и излучения существовала форма энергии, присущая космической ткани. Эта энергия вакуума, или энергия поля, должна была быть связана с тканью пространства-времени особым образом, и это привело бы к периоду, когда сама ткань пространства экспоненциально растягивалась на долгое время, создавая плоскую, однородную Вселенную, лишенную высокоэнергетичных частиц.
Этот период космической инфляции, как оказалось, объясняет большое количество наблюдений, многие из которых еще не были сделаны, когда впервые были рассчитаны предсказания инфляции. Он предсказал Вселенную с определенным спектром и характером флуктуаций, которые проявятся в космическом микроволновом фоне, в крупномасштабной структуре Вселенной и в ряде наблюдаемых корреляций. Он предсказал, что будет верхний предел температур, достигнутых во время горячего Большого взрыва, и что будут флуктуации над горизонтом в масштабах, превышающих скорость света, которая могла бы двигаться с момента Большого взрыва. Согласие между теорией и наблюдениями до сих пор было впечатляющим, подтверждая инфляцию везде, где такие наблюдения могли быть сделаны.
Но в инфляции есть нерешенные проблемы. Прежде всего, это проблема того, как началась инфляция. Несложно показать, как это сделали Борде, Гут и Виленкин в 2001 году, что любые частицы, возникающие в инфляционном пространстве-времени, должны были встретиться в некоторый конечный момент времени в прошлом. Говоря языком теории относительности, инфляционное пространство-время является незавершенным по отношению к прошлому времени. Эта теорема не универсальна, а это означает, что некоторые модели инфляции потенциально могут избежать начала инфляции. Но там, где это применимо, это указывает на то, что инфляция возникла из-за ранее существовавшего условия, и, следовательно, подразумевает существование сингулярности. Стивен Хокинг - эксперт в теоремах сингулярности, его предложение об отсутствии границ с Джеймсом Хартлом связано именно с этим вопросом, и на протяжении всей своей жизни он (по понятным причинам) был неравнодушен к пространствам-временям, которые действительно имеют сингулярное начало.
Есть также проблема вечной инфляции: как только вы начинаете раздувать область пространства-времени, она быстро расширяется все остальное. Если только 0,000001% Вселенной раздувается, то примерно через 10^-30 секунд только одна часть из 10^300 не раздувается. Может быть сколь угодно большое количество областей, где инфляция заканчивается, и рождается горячий Большой Взрыв, но они будут навсегда разделены раздувающимся пространством между ними. Название «вечная инфляция» происходит потому, что, как только вы начинаете инфляцию, она продолжается сколь угодно далеко в будущем, и так происходит в большинстве областей космоса.
Попытка понять:
- как началась инфляция,
- какие условия существовали до начала инфляции,
- что привело к тому, что инфляция закончилась там, где мы сейчас,
- какова вероятность того, что он закончится в конкретном регионе,
- и вечно ли оно, то ли в будущее, то ли в прошлое,
являются активными областями исследований. Многие ведущие космологи и астрофизики опубликовали статьи на эту тему, и они делают это, выбирая способ моделирования этого физического поведения и выводя последствия. Заключительная статья Хокинга, написанная в соавторстве с его бывшим учеником Томасом Хертогом, является еще одной частью саги.
Вот, вкратце, что они делают. Они создают (деформированную) конформную теорию поля, которая математически эквивалентна (или двойственна) бесконечно расширяющемуся пространству-времени, и исследуют некоторые математические свойства этой теории поля. В частности, они смотрят, где проходит граница пространства-времени, которое расширяется в течение вечности (вперед во времени), и того, которое не расширяется, и выбирают это в качестве интересной проблемы для рассмотрения. Затем они смотрят на геометрию, возникающую из этой теории поля, пытаются сопоставить ее с нашей физически расширяющейся Вселенной и делают из этого вывод. Основываясь на том, что они находят, они утверждают, что выход из инфляции не дает вам чего-то вечно раздувающегося в будущее с несвязанными карманами, где происходят горячие Большие Взрывы, а, скорее, выход является конечным и плавным. Другими словами, это дает вам единую Вселенную, а не ряд несвязанных Вселенных, встроенных в более крупную мультивселенную.
Это их газета. Нет видимых последствий; нечего измерять; нечего тестировать. Нет никаких предсказаний о конце Вселенной, и мы не можем сделать надежных выводов о ее начале. Существуют огромные ограничения на последствия этой работы, и есть несколько веских причин полагать, что их игрушечная модель имеет отношение к нашей физической Вселенной. Это семя идеи, которая сама по себе является спорной, основанной на столь же противоречивой основе, и это очень маленький шаг в ее развитии. Кроме того, все, что они делают, основано на гипотезе Хартла-Хокинга об отсутствии границ, которая до сих пор не признана верной. Авторы дошли до того, что признали в обсуждении этой статьи, что даже в рамках своей игрушечной модели они не показали, что существует не вызывающий Мультивселенную выход к вечной инфляции:
Таким образом, остается открытым вопрос, влияет ли предполагаемая гладкость глобальных поверхностей постоянной плотности на вечность вечной инфляции.
Вопросы, на которые они пытаются ответить, по-прежнему действительны, открытые вопросы, и лучшее, что может сделать эта статья - , если она верна и актуальна, а может быть ни - предложить варианты ответа. Этот подход в значительной степени основан на работе, которую Хартл, Хокинг и Хертог проделали в прошлом, на соединении dS/CFT, впервые предложенном Крисом Халлом и другими, а также на вдохновленной струнами работе, проделанной Эндрю Строминджером и его сотрудниками. Ничто из этого не основано на каких-либо реалистичных космологических моделях; это игрушечные модели, в которых они рассчитывают, а затем рассуждают по аналогии с тем, что, как мы знаем, существует на самом деле. Как и в большинстве теоретических работ на самых ранних стадиях, здесь представлены интересные идеи, работа и расчеты носят весьма умозрительный характер и не обязательно связаны с реальностью. Но есть ненулевой шанс, что он настоящий. А в теоретической физике новая идея с шансом стоит несравненно больше, чем полное отсутствие новых идей.
Независимо от того, как все обернется, эти фундаментальные вопросы будут продолжать радовать, озадачивать и разочаровывать физиков, пока мы ищем окончательные ответы на истинную природу самой Вселенной.