Последната теорема на Стивън Хокинг преобръща времето и причинността

Ваня Милева Последна промяна на 24 март 2023 в 00:01 26233 2

Хокинг

Кредит Наука OFFNews

"Ние създаваме Вселената толкова, колкото Вселената създава нас", казва веднъж Хокинг.

В последните години от живота си Стивън Хокинг се занимава с въпроса защо Вселената изглежда добре настроена за живот. Неговият сътрудник Томас Хертог (Thomas Hertog) обяснява в статия за New Scientist радикалното решение, до което са стигнали двамата.

"По време на първата среща през юни 1998 г. намерих Стивън седнал зад бюрото си, с глава, опряна на облегалката за глава на инвалидната му количка. Прозорецът на кабинета бе отворен и по-късно разбрах, че той обича да го държи така по всяко време, дори и в мразовито време. На една от черните дъски имаше уравнения, които изглежда датираха от началото на 80-те години. Зачудих се дали това не са последните му ръкописни драсканици", разказва Томас Хертог.

"Вселената изглежда е проектирана", казва Хокинг през синтезатора си и продължава: "Защо Вселената е такава, каквато е?"

"Това не е ли философски въпрос?", отвръща Хертог.

"Философията е мъртва", отгораря с блеснали очи Стивън Хокинг.

Когато говори, че Вселената е проектирана, Стивън Хокинг има предвид наблюдението, че от всички възможни вселени, които биха могли да съществуват, нашата е впечатляващо добре конфигурирана, за да породи живот. Какво да правим с това, е тормозило мислителите по един или друг начин в продължение на векове.

И това се оказват много дълбоки води.

В Католически университет в ЛьовенХокинг и Хертог в Католическия университет в Льовен, Белгия. Кредит: KU Leuven

Вселената ни е фино настроена

Оказва се, че благоприятната за живот среда на Вселената е свързана със самите закони на физиката. В тези закони има множество особености, които правят Вселената подходяща за живите същества. Една малка промяна в някой от тях и възможността за обитаване ще се окаже под въпрос.

Да вземем например Хигс бозона, който тежи колкото 133 протона. Това може и да звучи тежко (за частица), но е 100 милиона милиарда пъти по-лек, отколкото много физици смятат за естествено. Хигс бозонът се свързва с други частици на материята и по този начин им придава маса, но тези свързвания добавят и към собствената маса на Хигс бозона, така че може да се очаква той да е много по-тежък. Необяснимата лекота на Хигс обаче е от решаващо значение за живота, тъй като лекият Хигс прави леки и електроните, протоните, неутроните и т.н. Това от своя страна гарантира, че градивните елементи на живота, като ДНК, протеини и клетки, не се разрушават под действието на гравитацията.

Или да разгледаме разширяването на Вселената. През 1998 г. космолозите откриват, че разширяването на пространството се ускорява от около 5 милиарда години. Причината за това ускорение често се приписва на нещо, известно като енергия на вакуума, което е предсказано от квантовата теория. Но плътността на вакуумната енергия изглежда е 10120 пъти по-ниска, отколкото физиците очакват въз основа на теорията. Ако обаче плътността на вакуумната енергия във Вселената бе само малко по-голяма, нейният отблъскващ ефект щеше да е по-силен и ускорението щеше да започне много по-рано. Това би означавало, че материята би била толкова рядко разпределена, че не би могла да се слее, за да образува звезди и галактики, което отново би изключило възможността за образуване на живот.

Законите на физиката и космологията притежават още много такива свойства, които подпомагат живота. Почти имаме чувството, че Вселената е фино настроена - и то доста сериозно. Традиционно повечето учени разглеждат математическите зависимости, които са в основата на законите на физиката, като трансцендентни платонови истини. В такъв случай отговорът на загадката на космическия дизайн - доколкото това е отговор - е, че той е въпрос на математическа необходимост. Вселената е такава, каквато е, защото природата не е имала избор.

В началото на XXI век се появява съвсем различно обяснение. То се корени в поредица от изненадващи открития, които подсказват, че поне някои свойства на физичните закони може да не са неизменни, а да са случаен резултат от особения начин, по който ранната Вселена се е охлаждала след Големия взрив. От вида на частиците през силата на взаимодействията до количеството енергия във вакуума - става ясно, че биологичните закони на Вселената са били изковани в поредица от случайни преходи по време на най-ранните моменти на нейното разширяване.

Разсъждавайки по този начин, космолозите започват да се питат дали може би има повече от една вселена. Може би живеем в мултивселена - огромно, раздуващо се пространство с пъстра мозайка от вселени, всяка от които има свой собствен Голям взрив, водещ до собствени локални физични закони.

Това води до радикална промяна на гледната точка към идеята, че нашата Вселена е фино настроена за живот. Въпреки че повечето вселени биха били стерилни, в някои от тях природните закони със сигурност са подходящи за живот. Теоретикът на струните Ленард Съскинд веднъж сравнява локалния характер на физичните закони в мултивселената с времето по източното крайбрежие на САЩ: "Изключително променливо, почти винаги ужасно, но в редки случаи прекрасно". Според него нашето възхитително космическо време е случайност, а впечатлението за замисъл е илюзия.

Стивън Хокинг не е въодушевен от идеята за мултивселена. Заедно със сътрудника си Томас Хертог се опитват да намерят по-добър отговор.

Нежеланието на Стивън Хокинг да приеме мултивселената се засилва в началото на 2000 г., когато става ясно, че тя всъщност не обяснява нищо. В космологията на многото вселени има "метазакони", които управляват всички вселени. Но тези метазакони не уточняват в коя от обитаемите вселени трябва да се намираме. Това е проблем, тъй като без правило, което да свързва метазаконите на мултивселената с местните закони в нашата вселена, разсъжденията за мултивселената попадат в спирала от парадокси, която ни оставя без проверими прогнози. Мултивселената космология е като дебитна карта без ПИН код или шкаф ИКЕА без ръководство: безполезна.

Последната теорема на Хокинг

Хокинг и Хертог откриват, че трябва да се откажем от идеята, присъща на космологията на многото вселени, на някакъв своеобразен "божи поглед", сякаш стоим извън космоса. Това е очевиден и на пръв поглед тавтологичен въпрос: нашата космологична теория трябва да отчита факта, че ние съществуваме във Вселената.

"Ние не сме ангели, които гледат на вселената отвън", заявява Хокинг.

Затова двамата се заемат да преосмислят космологията от гледна точка на наблюдателя отвътре навън. Скоро откриват, че това изисква възприемането на квантов поглед отвътре на Вселената.

Ключовата роля на наблюдателя е призната още с откриването на квантовата теория през 20-те години на миналия век. Преди да се наблюдава позицията на една частица, няма смисъл дори да се пита къде се намира тя. Тя няма определена позиция, а само възможни позиции, описани от вълнова функция, която кодира вероятността частицата, ако бъде наблюдавана, да се намира тук или там. Разбира се, квантовите наблюдения в никакъв случай не се ограничават само до тези, извършвани от хората. Такива наблюдения могат да се извършват от специален детектор, от околната среда или дори чрез взаимодействие със самотен фотон.

Хокинг и Хертог започват да разбират какво се е случвало в ранната Вселена като процес, подобен на естествения подбор на Земята, с взаимодействие на вариации и селекция в тази първична среда. Вариациите се случват, защото случайните квантови скокове предизвикват чести малки отклонения от детерминираното поведение и случайни по-големи отклонения. Подборът се появява, защото някои от тези отклонения, особено по-големите, могат да бъдат усилени и замразени благодарение на квантовото наблюдение. Това води до появата на нови правила, които помагат за формирането на последващата еволюция.

Природните закони еволюират

Взаимодействието между тези две конкуриращи се сили в пещта на Големия взрив поражда процес на разклоняване - донякъде аналогичен на начина, по който биха се появили биологичните видове милиарди години по-късно - при който измеренията, силите и частиците първо се разнообразяват, а след това придобиват ефективната си форма, когато Вселената се разширява и охлажда.

"И точно както при Дарвиновата еволюция, това внася в нашата хипотеза фин елемент на връщане назад във времето. Сякаш колективните квантови наблюдения определят със задна дата резултата от Големия взрив. Поради тази причина Стивън обичаше да нарича нашата идея "космология отгоре надолу", за да подчертае, че разчитаме основите на Вселената постфактум, донякъде като начина, по който биолозите реконструират дървото на живота", разказва Томас Хертог.

"Ние създаваме Вселената толкова, колкото Вселената създава нас", отбелязва веднъж Хокинг.

Вселената е толкова добре пригодена за живот, че може да изглежда проектирана. Звездна панорама над телескопа ALMA, Кредит: European Southern Observatory (CC BY 2.0)

Връщайки се назад, Хертог разказва, че тогава са вървяли по подвижни пясъци, тъй като са нямали солидна математическа основа за идеите си. Когато започват да търсят по-стабилна почва, вдъхновението идва от неочакван ъгъл. По това време във физиката настъпва друга революция, свързана с холографията, което ще се окаже точно това, от което се нуждаят.

Обикновената холограма кодира цялата информация за триизмерен обект върху двуизмерна повърхност. В известен смисъл третото измерение се появява от повърхността, когато я гледаме. Първите наченки на това, че дори силата на гравитацията може да има холографски корени, датират от работата на Стивън Хокинг и отделно на Джейкъб Бекенщайн през 70-те години на миналия век. Те откриват, че всичко, което трябва да се знае за вътрешността на черните дупки, може да бъде зашифровано на повърхността на хоризонта на събитията.

След това, през 1997 г., физикът Хуан Малдасена стига по-далеч и предвижда, че цялата Вселена може да прилича на холограма. Той показа, че система от квантово вплетени частици, разположена на повърхността, може да съдържа в себе си цялата информация за един по-високоизмерен космос с гравитация и изкривено пространство-време. Скоро за холографията се заговори сред физиците теоретици, които видяха в нея обещаващ начин най-накрая да се постигне съответствие на Общата теория на относителността на Алберт Айнщайн, неговата теория на гравитацията, с квантовата теория. (вж "Хуан Малдасена: Илюзията гравитация")

Дали Вселената е холограма?

Първоначално вселените, генерирани от холограмната теория, изобщо не приличат на разширяващата се Вселена, в която живеем. Въпреки това, започвайки около 2011 г., Стивън Хокинг и Томас Хертог разбират как да приложат идеята за космоса като холограма, за да опишат най-ранните етапи на разширяваща се Вселена като нашата. В тази космологична обстановка се оказва, че именно измерението на времето е това, което се появява холографски. Самата история е холографски зашифрована.

Нещо повече, времето се появява по начина постфактум, както са си го представяли. В холограмната космология миналото е обусловено от настоящето, а не обратното. При холограмния подход към космологията да се върнем далеч назад във времето означава да погледнем замъглено космологичната холограма. Това е като намаляване на мащаба - операция, при която изхвърляме все повече и повече от заплетената информация, която холограмата кодира. Холографията предполага, че не само времето, но и физическите закони, които оформят нашата Вселена, избледняват назад в Големия взрив. Това е много различно от стария платонистки възглед, че природните закони са някак си неизменни. Двамата физици твърдят, че не законите като такива са фундаментални, а тяхната способност да се променят.

Резултатът от всичко това е дълбоко преразглеждане на това, което в крайна сметка представлява космологията. В продължение на почти един век историята на Вселената се изучава на фона на стабилни и неизменни природни закони. Но квантовият поглед, който Хокинг и Хертог разработват, чете историята на Вселената отвътре и като история, която включва в най-ранните си етапи генеалогията на физичните закони.

Това със сигурност е радикална идея, но с времето може да стане проверима. Някои от идеите, свързани с ранната Вселена, могат да бъдат проверени чрез разшифроване на космическото микровълново фоново лъчение (CMB) - потокът от светлина, освободен 380 000 години след Големия взрив. Но предвидената от Хокинг и Хертог първична еволюция се е развила преди това, което означава, че тя е скрита далеч зад CMB.

"Намираме се в ситуация, не по-различна от тази на Чарлз Дарвин през XIX в., който е разполагал само с оскъдни изкопаеми доказателства за своята голяма нова хипотеза", отбелязва Хертог.

Илюстрация на холограмния принцип. Кредит: TU Wien

Гравитационни вълни

"Но аз се надявам, че това няма да е така завинаги. Свидетели сме на революция в астрономията на гравитационните вълни и тези вълни могат да достигнат до нас далеч преди ерата на CMB. Бъдещите наблюдения на първичните гравитационни вълни трябва да ни позволят да изследваме най-ранната фаза на Вселената", заявява Хертог.

Един съвсем различен път за проверка на идеите на Хокинг и Хертог е свързан с холографията. Квантовите експериментатори вече се опитват да създадат силно вплетени квантови системи, съставени от хванати в капан атоми или йони, които холографски кодират някои от свойствата на черните дупки или на вселените-играчки. Експериментирайки с тези системи, физиците се надяват да научат повече за това какви модели на вплитане са в основата на гравитацията и структурата на пространство-времето.

"Може би ще успеем да проверим дали произходът на времето се случва по специфичния начин, който Стивън и аз предвиждахме. Това би означавало експериментална практика на космологията на ранната вселена", казва Хертог.

Преобръщането на космологията с краката нагоре е типична хокингова черта. За него и Хертог, вдъхновени от парадоксите на мултивселената, това е начин да се докоснат до началото на космическата конструкция. Ако това ново мислене се окаже правилно, то може да се окаже най-голямото научно наследство на Стивън Хокинг.

Източник: 

Stephen Hawking's final theorem turns time and causality inside out, Thomas Hertog, New Scientist

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

2020

2

Прост Човек

27.01 2024 в 18:15

В подхода на Хонконг основата е ОТО (общата теор.на относит. на Айнщаин).
В нея има няколко фундаментално схоластични постановки.
Първата е че се въвежда времето като общ параметър за всички процеси. Да ама времето се мери с конкретен часовник (физическа система базирана на някой вид взаимодействие). В сегашната вселена може да използваме общ параметър време, защото съотношението между константите на различните взаимодействия се запазва навсякъде (е поне така изглежда). Ако в различни точки различните видове часовници имаха различен ход, няма да можем да въведем общ параметър време, а ще имаме електромагнитно, ядрено, електро-слабо, гравитационно време (при 4 фундамент. взаимодействия). Имам резерви за гравитацията, защото тя може да се окаже хидродинамичен ефект напр. в морето от квантова субстанция - да го наречем "квантов вакуум", но даже нямам идея нито за размерността нито за ранга на трензора описващ взаимодействието й.
За сега до тук.
А за другото...
Оги Мицов - Прост Човек

1010

1

piro

25.03 2023 в 22:46

плътността на вакуумната енергия е 10^120 пъти по-ниска, а не 10120 (отколкото физиците очакват въз основа на теорията)