Ostatnia praca Stephena Hawkinga

Ostatni artykuł Stephena Hawkinga na temat kosmologii, opublikowany pośmiertnie, być może rozwiązuje problem wiecznej inflacji - teorii, zgodnie z którą nasz kosmos jest tylko jednym z nieskończonej liczby wszechświatów.

Wiele dowodów wskazuje na to, że w zaledwie ułamek sekundy po Wielkim Wybuchu nasz Wszechświat przeszedł gwałtowny rozrost. Ta faza trwała bardzo krótko, ale jest odpowiedzialna za obecny, obserwowany przez nas dziś stan całego świata - w tym cząstki tworzące gwiazdy i ludzi. Problem jednak w tym, że zgodnie z większością teorii kosmicznej inflacji rozrost ten nigdy nie powinien się zatrzymać. I choć najbliższy nam, lokalny Wszechświat mógł teoretycznie oprzeć się tej eksponencjalnej w czasie ekspansji, to już kosmos jako całość najwyraźniej nigdy nie przestał się rozciągać.

Teraz, w ostatnim artykule kosmologicznym opublikowanym (pośmiertnie) przez Stephena Hawkinga i jego kolegę Thomasa Hertoga (University of Leuven, Belgia) w czasopiśmie High Energy Physics, wybitny fizycy zmieniają nieco ten obraz, sugerując, że musimy ponownie przemyśleć początki naszego Wszechświata. Hawking i Hertog po zastosowaniu teorii kwantowej i teorii strun do uproszczonego, matematycznego modelu kosmosu konkludują, że kosmiczna inflacja... nie musi jednak być wieczna.

Czemu w ogóle myślano dotychczas, że musi być nieskończona w czasie? Ideą inflacji jest to, że niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu cały Wszechświat wszedł w niezupełnie trwały stan energetyczny znany jako fałszywa próżnia. Termin ten jest trochę mylący, ponieważ to, co naukowcy zwykle rozumieją przez próżnię, w tym przypadku jest w rzeczywistości pewnym stanem podstawowym. Fałszywa próżnia to po prostu inny sposób opisu Wszechświata o podwyższonym stanie energii. Podciśnienie tego stanu powoduje, że cała zawarta w nim przestrzeń rozszerza się w tempie wykładniczym - bez końca.

Oczywiście nasz Wszechświat nie jest jeszcze w jakimś ostatecznym i jawnym stadium tego procesu, w przeciwnym razie nie bylibyśmy już nawet w stanie zobaczyć sąsiednich galaktyk. Ekspansja przestrzeni już dawno wyrzuciłaby je po prostu z naszego pola widzenia. A więc w jakiś sposób przynajmniej nasz kosmos lokalny musiał uniknąć tej fazy.

Krótko po tym, jak Alan Guth sformułował ideę inflacji, naukowcy (w tym Paul Steinhardt, wówczas pracujący na Uniwersytecie w Pensylwanii, i Alexander Vilenkin z Tufts University odkryli, że fluktuacje kwantowe mogły swego czasu zakończyć gwałtowną fazę inflacji. Ale fluktuacje kwantowe są przypadkowe, więc dzięki nim inflacja zatrzymywałaby się raczej losowo, tu i tam, a nie wszędzie jednocześnie. Tymczasem globalnie przestrzeń ciągle rozciąga się w tempie wykładniczym. Nawet jeśli fluktuacje te powodują, że inne niewielkie obszary kosmosu również uniknęły tej globalnej inflacji, to Wszechświat jako całość będzie wciąż rósł w postępie geometrycznym.

Jeśli jednak inflacja jest naprawdę wieczna, wówczas nasz kosmos jest też tylko jednym z nieskończonej różnorodności wszechświatów (znanej jako multiwersum lub po polsku: wielowszechświat), z których każdy może mieć całkiem odmienne prawa fizyki. Do takiego w każdym razie wniosku doszli kosmologowie.

"Nigdy nie byłem fanem idei multiwersum" - powiedział Hawking w wywiadzie udzielonym jeszcze zeszłej jesieni. "Jeśli skala różnych wszechświatów zawartych w tym wieloświecie jest duża lub nieskończona, teorii tej nigdy nie można będzie przetestować." Zamiast tego, argumentują dalej już wspólnie Hawking i Hertog, Teoria Względności przestaje dobrze pracować już gdzieś we wczesnym Wszechświecie, i odtąd obowiązuje w nim już tylko teoria kwantowa. Traktując więc Wszechświat kwantowo - jako pojedynczą, drobną cząstkę - obliczają oni następnie jego funkcję falową: pojedyncze równanie, które opisuje wszystkie możliwe stany, jakie może on obrać.

Aby to zrobić, najpierw upraszczają matematykę na kilka pozornie dziwnych sposobów. Po pierwsze: zakładają bardzo prostą wersję kosmosu, w którym nie ma materii i energii, o ogólnej geometrii w kształcie siodła. Oczywiście nie żyjemy we Wszechświecie bez materii i energii, a geometria wszechświata wydaje się być płaska, ale jest to pewien punkt wyjścia przyjmowany w podobnych wyliczeniach przez wielu kosmologów. Ale to nie wszystko - naukowcy zakładają tu dodatkowo, że ten konkretny model Wszechświata może być traktowany jako hologram. Redukują jego rzeczywiste, trójwymiarowe równania do dwuwymiarowych równań rzutowanych na powierzchnię. (Nie oznacza to jednak wcale, że nasz świat jest hologramem - w znaczeniu technologicznym - a jedynie, że możemy matematycznie traktować go jako twór tego rodzaju.

Ale jest coś więcej: Hawking i Hertog nie zredukowali w swoim nowym modelu kosmosu jednego z wymiarów przestrzennych, ale czas. A wtedy okazało się, że Teoria Względności nie jest już potrzebna w takim bezczasowym Wszechświecie, a naukowcy mogą polegać na samej tylko teorii kwantów. Hawking i Hertog rozwiązali swe równania i doszli do zdumiewających wniosków: Wszechświat, który wyłania się wtedy z inflacji, jest skończony. Nadal żyjemy w multiwersum, ale teraz mamy już ograniczone możliwości.

Jednak inny fizyk, Vilenkin, zaleca ostrożność przy interpretowaniu tych wyników. Zauważa, że uproszczona matematyka i wnioski z niej płynące mogą wcale nie odnosić się do naszego prawdziwego, bardziej skomplikowanego Wszechświata. "Jestem pewien, że Thomas Hertog będzie próbował wyjść poza ten (uproszczony) model", dodaje naukowiec, "ale trudno przewidzieć, co z tego jeszcze wyniknie."

 

Czytaj więcej:

 

Źródło: Sky&Telescope

Zdjęcie: Stephen Hawking przedstawia swą naukową prezentację w 2003 roku, na tle kosmicznej mikrofalowej mapy tła pochodzącej z satelity WMAP.
Źródło: Dan Falk