Stephen Hawking jest słusznie postrzegany jako jeden z najbardziej wpływowych naukowców naszych czasów. W swoim czasie na tej planecie słynny fizyk, informator naukowy, autor i luminarz stał się powszechnie znanym imieniem, synonimem Einsteina, Newtona i Galileusza. Jeszcze bardziej imponujący jest fakt, że udało mu się utrzymać zaangażowanie w naukę, edukację i działania humanitarne, pomimo cierpienia z powodu powolnej, zwyrodnieniowej choroby.
Mimo że Hawking niedawno zmarł, jego wpływ wciąż jest odczuwalny. Krótko przed śmiercią Hawking przedstawił artykuł przedstawiający swoją ostateczną teorię na temat początków Wszechświata. Artykuł, który został opublikowany wcześniej w tym tygodniu (w środę, 2 maja), oferuje nowe spojrzenie na teorię Wielkiego Wybuchu, która może zrewolucjonizować sposób, w jaki myślimy o Wszechświecie, jak został stworzony i jak ewoluował.
Artykuł zatytułowany „Płynne wyjście z wiecznej inflacji?” Został opublikowany w Journal of High Energy Physics.Teorię tę po raz pierwszy ogłoszono na konferencji na Uniwersytecie Cambridge w lipcu ubiegłego roku, podczas której profesor Thomas Hertog (belgijski fizyk z KU Leuven University) udostępnił artykuł Hawkinga (którego współautorem był Hertog) z okazji jego 75. urodzin.
Zgodnie z obecnym konsensusem naukowym cała obecna i przeszła materia we Wszechświecie powstała w tym samym czasie - około 13,8 miliarda lat temu. W tym czasie cała materia została zagęszczona w bardzo małą kulkę o nieskończonej gęstości i intensywnym cieple. Nagle ta kula zaczęła wybuchać w tempie wykładniczym, a wszechświat, jaki znamy, zaczął.
Jednak powszechnie uważa się, że odkąd ta inflacja się rozpoczęła, efekty kwantowe utrzymają ją na zawsze w niektórych regionach Wszechświata. Oznacza to, że globalnie inflacja Wszechświata jest wieczna. Pod tym względem obserwowalna część naszego Wszechświata (mierząca 13,8 miliarda lat świetlnych w dowolnym kierunku) jest tylko regionem, w którym inflacja się skończyła i powstały gwiazdy i galaktyki.
Jak Hawking wyjaśnił w wywiadzie dla Cambridge University zeszłej jesieni:
„Zwykła teoria wiecznej inflacji przewiduje, że globalnie nasz wszechświat jest jak nieskończony fraktal, z mozaiką różnych wszechświatów kieszeniowych, oddzielonych nadmuchiwanym oceanem. Lokalne prawa fizyki i chemii mogą różnić się w zależności od jednego wszechświata kieszonkowego, co razem tworzy multiwersum. Ale nigdy nie byłem fanem wieloświata. Jeśli skala różnych wszechświatów w multiwersie jest duża lub nieskończona, teorii nie można przetestować. ”
W nowym artykule Hawking i Hertog przedstawiają nową teorię, która przewiduje, że Wszechświat nie jest nieskończonym multiwersum podobnym do fraktali, ale jest skończony i dość gładki. Krótko mówiąc, teoretyzują, że wieczna inflacja, jako część teorii Wielkiego Wybuchu, jest błędna. Jak wyjaśnił Hertog:
„Problem ze zwykłym opisem wiecznej inflacji polega na tym, że zakłada on istniejący wszechświat tła, który ewoluuje zgodnie z teorią ogólnej teorii względności Einsteina i traktuje efekty kwantowe jako niewielkie wahania wokół tego. Jednak dynamika wiecznej inflacji niweluje podział na fizykę klasyczną i kwantową. W konsekwencji teoria Einsteina załamuje się w wiecznej inflacji ”.
W przeciwieństwie do tego Hawking i Hertog oferują wyjaśnienie oparte na teorii strun, gałęzi fizyki teoretycznej, która próbuje ujednolicić ogólną teorię względności z fizyką kwantową. Teorię tę zaproponowano, aby wyjaśnić, w jaki sposób grawitacja współdziała z trzema innymi podstawowymi siłami Wszechświata (słabymi i silnymi siłami jądrowymi i elektromagnetyzmem), tworząc w ten sposób Teorię Wszystko (ToE).
Mówiąc najprościej, teoria ta opisuje podstawowe składniki Wszechświata jako małe, jednowymiarowe wibrujące struny. Podejście Hawkinga i Hertoga wykorzystuje holograficzną koncepcję teorii strun, która postuluje, że Wszechświat jest dużym i złożonym hologramem. W tej teorii rzeczywistość fizyczną w niektórych przestrzeniach 3D można matematycznie zredukować do rzutów 2D na powierzchni.
Hawking i Hertog wspólnie opracowali odmianę tej koncepcji, aby określić wymiar czasu w wiecznej inflacji. Umożliwiło im to opisanie wiecznej inflacji bez konieczności polegania na ogólnej teorii względności, redukując w ten sposób inflację do ponadczasowego stanu zdefiniowanego na powierzchni na początku czasu. Pod tym względem nowa teoria stanowi zmianę w stosunku do wcześniejszych prac Hawkinga nad „teorią granic”.
Teoria ta, znana również jako propozycja Hartle'a i Hawkinga bez odbicia, postrzegała Wszechświat jak cząstkę kwantową - przypisując mu funkcję fali opisującą wszystkie możliwe Wszechświaty. Teoria ta przewiduje również, że jeśli cofniesz się w czasie do początku Wszechświata, skurczy się i zamknie jak sfera. Wreszcie przewidział, że Wszechświat ostatecznie przestanie się rozszerzać i zapadnie.
Jak wyjaśnia Hertog, ta nowa teoria stanowi odejście od wcześniejszej pracy:
„Kiedy śledzimy ewolucję naszego wszechświata wstecz, w pewnym momencie dochodzimy do progu wiecznej inflacji, gdzie nasze znane pojęcie czasu przestaje mieć jakiekolwiek znaczenie. Teraz mówimy, że w naszej przeszłości istnieje granica ”.
Korzystając z tej teorii, Hawking i Hertog mogli uzyskać bardziej wiarygodne prognozy dotyczące globalnej struktury Wszechświata. Ponadto, Wszechświat, który ma wyłonić się z wiecznej inflacji na przeszłości, jest również skończony i znacznie prostszy. Wreszcie, teoria ta jest bardziej przewidywalna i testowalna niż nieskończony multiwersum przewidziany w starej teorii wiecznej inflacji.
„Nie sprowadzamy się do jednego, unikalnego wszechświata, ale nasze odkrycia sugerują znaczną redukcję multiwersum do znacznie mniejszego zakresu możliwych wszechświatów” - powiedział Hawking. Teoretycznie skończony i gładki Wszechświat jest tym, który możemy obserwować (przynajmniej lokalnie) i będzie podlegał prawom fizyki, które już znamy. W porównaniu z nieskończoną liczbą Wszechświatów rządzonych przez różne prawa fizyczne, z pewnością upraszcza matematykę!
Patrząc w przyszłość, Hertog planuje zbadać implikacje tej teorii dla mniejszych skal przy użyciu danych uzyskanych z teleskopów kosmicznych o wszechświecie lokalnym. Ponadto ma nadzieję skorzystać z najnowszych badań dotyczących fal grawitacyjnych (GW) i wielu wykrytych zdarzeń. Zasadniczo Hertog uważa, że pierwotne GW generowane przy wyjściu z wiecznej inflacji są najbardziej obiecującymi środkami do testowania modelu.
Z powodu ekspansji naszego Wszechświata od Wielkiego Wybuchu, te GW miałyby bardzo długie długości fal, które znajdują się poza normalnym zakresem Laserowego Interferometrii Obserwatorium Fali Grawitacyjnej (LIGO) lub detektorów Virgo. Jednak kosmiczna antena laserowa interferometrii (LISA) - plan ESA dla kosmicznego obserwatorium fal grawitacyjnych - i inne przyszłe eksperymenty mogą być w stanie je zmierzyć.
Mimo że jest już z nami, ostateczna teoria Hawkinga może być jego głębokim wkładem w naukę. Jeśli przyszłe badania udowodnią, że ma rację, Hawking rozwiąże jeden z najtrudniejszych problemów współczesnej astrofizyki i kosmologii. Jeszcze jedno osiągnięcie człowieka, który spędził życie, zmieniając sposób, w jaki ludzie myślą o Wszechświecie!
