1981 versammelten sich viele der weltweit führenden Kosmologen an der Päpstlichen Akademie der Wissenschaften, einem Überbleibsel der beiden Linien von Wissenschaft und Theologie, das sich in einer eleganten Villa in den Gärten des Vatikans befand. Stephen Hawking entschied sich für den August, um zu präsentieren, was er später als seine wichtigste Idee ansah: einen Vorschlag, wie das Universum aus dem Nichts entstanden sein könnte.
Vor Hawkings Vortrag hatten alle kosmologischen Ursprungsgeschichten, ob wissenschaftlich oder theologisch, die Gegenerwiderung „Was ist davor passiert?“Eingeladen. Die Urknalltheorie zum Beispiel war 50 Jahre vor Hawkings Vortrag des belgischen Physikers und katholischen Priesters Georges Lemaître Pionierarbeit geleistet diente später als Präsident der Vatikanischen Akademie der Wissenschaften - spult die Expansion des Universums zu einem heißen, dichten Energiebündel zurück. Aber woher kam die anfängliche Energie?
Die Urknalltheorie hatte andere Probleme. Die Physiker verstanden, dass ein wachsendes Energiebündel eher zu einem zerknitterten Chaos als zu dem riesigen, glatten Kosmos werden würde, den moderne Astronomen beobachten. 1980, ein Jahr vor Hawkings Vortrag, erkannte der Kosmologe Alan Guth, dass die Probleme des Urknalls durch ein Add-On behoben werden konnten: einen ersten exponentiellen Wachstumsschub, der als kosmische Inflation bekannt ist und das Universum riesig, glatt und flüssig gemacht hätte flach vor der Schwerkraft hatte eine Chance, es zu zerstören. Die Inflation wurde schnell zur führenden Theorie unserer kosmischen Ursprünge. Dennoch blieb die Frage der Anfangsbedingungen offen: Was war die Quelle des winzigen Fleckchens, das angeblich in unseren Kosmos aufgestiegen ist, und der potentiellen Energie, die es aufblähte?
Hawking sah in seiner Brillanz einen Weg, das endlose Herumtasten in der Zeit zu beenden: Er schlug vor, dass es überhaupt kein Ende oder keinen Anfang gibt. Aus den Aufzeichnungen der Vatikan-Konferenz geht hervor, dass der damals 39-jährige Cambridge-Physiker, der immer noch mit seiner eigenen Stimme sprechen kann, der Menge sagte: „An den Randbedingungen des Universums sollte etwas ganz Besonderes liegen, und was noch mehr sein kann besonders als die Bedingung, dass es keine Grenze gibt?"
Der "No-Border-Vorschlag", den Hawking und sein häufiger Mitarbeiter James Hartle 1983 in einem Artikel formuliert haben, sieht den Kosmos in der Form eines Federballs vor. So wie ein Federball an seinem untersten Punkt einen Durchmesser von Null hat und sich auf dem Weg nach oben allmählich erweitert, expandiert das Universum nach dem Vorschlag ohne Grenzen reibungslos von einem Punkt der Größe Null aus. Hartle und Hawking leiteten eine Formel ab, die den gesamten Federball beschreibt - die sogenannte „Wellenfunktion des Universums“, die die gesamte Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft auf einmal umfasst - und die jede Betrachtung von Samen der Schöpfung, eines Schöpfers oder eines Übergangs zunichte macht aus einer Zeit vor.
"Nachzufragen, was vor dem Urknall geschah, ist laut dem Vorschlag ohne Grenzen bedeutungslos, weil es keine Zeitvorstellung gibt, auf die man sich beziehen kann", sagte Hawking in einem anderen Vortrag an der Päpstlichen Akademie im Jahr 2016, eineinhalb Jahre zuvor sein Tod. "Es wäre, als würde man fragen, was südlich des Südpols liegt."
Der Vorschlag von Hartle und Hawking hat die Zeit radikal neu überdacht. Jeder Moment im Universum wird zu einem Querschnitt des Federballs. Während wir das Universum als sich von einem Moment zum nächsten ausdehnend und entwickelnd wahrnehmen, besteht die Zeit tatsächlich aus Korrelationen zwischen der Größe des Universums in jedem Querschnitt und anderen Eigenschaften - insbesondere seiner Entropie oder Störung. Die Entropie steigt vom Korken zu den Federn und zielt auf einen aufkommenden Zeitpfeil. In der Nähe des abgerundeten Bodens des Federballs sind die Korrelationen jedoch weniger zuverlässig. Die Zeit hört auf zu existieren und wird durch den reinen Raum ersetzt. Der 79-jährige Hartle und Professor an der University of California, Santa Barbara, erklärte dies kürzlich telefonisch: „Wir hatten im frühen Universum keine Vögel; Wir haben später Vögel… Wir hatten keine Zeit im frühen Universum, aber wir haben später Zeit. “
Der Vorschlag ohne Grenzen fasziniert und inspiriert Physiker seit fast vier Jahrzehnten. "Es ist eine atemberaubend schöne und provokative Idee", sagte Neil Turok, Kosmologe am Perimeter Institute für Theoretische Physik in Waterloo, Kanada, und ehemaliger Mitarbeiter von Hawking's. Der Vorschlag war eine erste Vermutung für die Quantenbeschreibung des Kosmos - die Wellenfunktion des Universums. Bald entstand ein ganzes Feld, die Quantenkosmologie, als Forscher alternative Vorstellungen darüber entwickelten, wie das Universum aus dem Nichts stammen könnte, die verschiedenen Vorhersagen und Möglichkeiten der Theorien analysierten, um sie zu testen und ihre philosophische Bedeutung zu interpretieren. Die No-Boundary-Wave-Funktion, so Hartle, "war in gewisser Hinsicht der einfachste Vorschlag dafür."
Vor zwei Jahren stellte ein Artikel von Turok, Job Feldbrugge vom Perimeter Institute, und Jean-Luc Lehners vom Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik in Deutschland den Hartle-Hawking-Vorschlag in Frage. Der Vorschlag ist natürlich nur realisierbar, wenn ein Universum, das aus einem dimensionslosen Punkt heraus gekrümmt ist, wie Hartle und Hawking es sich vorgestellt haben, auf natürliche Weise zu einem Universum wie unserem heranwächst. Hawking und Hartle argumentierten, dass es tatsächlich so wäre - dass Universen ohne Grenzen dazu neigen, riesig, atemberaubend glatt, beeindruckend flach und expandierend zu sein, genau wie der eigentliche Kosmos. "Das Problem mit Stephens und Jims Herangehensweise ist, dass es zweideutig war", sagte Turok - "zutiefst zweideutig."
In ihrem 2017 in Physical Review Letters veröffentlichten Aufsatz gingen Turok und seine Mitautoren mit neuen mathematischen Techniken auf Hartles und Hawkings No-Bounder-Vorschlag ein, die ihrer Ansicht nach die Vorhersagen viel konkreter machen als zuvor. "Wir haben festgestellt, dass es einfach kläglich gescheitert ist", sagte Turok. "Es war einfach nicht möglich, ein Universum quantenmechanisch so zu beginnen, wie sie es sich vorgestellt hatten." Das Trio überprüfte seine Mathematik und stellte seine zugrunde liegenden Annahmen in Frage, bevor es an die Börse ging, aber "leider", sagte Turok, "schien das einfach unausweichlich Der Hartle-Hawking-Vorschlag war eine Katastrophe. “
Die Zeitung löste eine Kontroverse aus. Andere Experten verteidigten energisch die Idee der Grenzenlosigkeit und wiesen die Argumentation von Turok und seinen Kollegen zurück. "Wir sind mit seinen technischen Argumenten nicht einverstanden", sagte Thomas Hertog, ein Physiker an der Katholischen Universität Leuven in Belgien, der in den letzten 20 Jahren seines Lebens eng mit Hawking zusammengearbeitet hat. „Grundsätzlich stimmen wir aber auch nicht mit seiner Definition, seinem Rahmen, seiner Wahl der Prinzipien überein. Und das ist die interessantere Diskussion. “
Nach zwei Jahren Sparring haben die Gruppen ihre technische Uneinigkeit auf unterschiedliche Vorstellungen über die Funktionsweise der Natur zurückgeführt. Die hitzige, aber freundschaftliche Debatte hat dazu beigetragen, die Idee zu festigen, die Hawkings Phantasie am meisten reizte. Sogar Kritiker seiner und Hartles spezifischer Formel, darunter Turok und Lehners, stellen konkurrierende quanten-kosmologische Modelle her, die versuchen, die vermeintlichen Fallstricke des Originals zu umgehen und gleichzeitig dessen grenzenlose Anziehungskraft aufrechtzuerhalten.
Garten der kosmischen Freuden
Hartle und Hawking sahen sich seit den 1970er Jahren häufig, typischerweise als sie sich in Cambridge für lange Zeiträume der Zusammenarbeit trafen. Die theoretischen Untersuchungen des Duos über Schwarze Löcher und die mysteriösen Singularitäten in ihren Zentren hatten sie auf die Frage nach unserer kosmischen Herkunft gebracht.
1915 entdeckte Albert Einstein, dass Materie- oder Energiekonzentrationen das Gefüge der Raum-Zeit verzerren und die Schwerkraft verursachen. In den 1960er Jahren haben Hawking und der Physiker der Universität Oxford, Roger Penrose, bewiesen, dass Raum-Zeit-Krümmungen, wie sie in einem Schwarzen Loch oder vielleicht beim Urknall auftreten, unvermeidlich zusammenbrechen und sich unendlich steil in Richtung einer Singularität krümmen, in der Einsteins Gleichungen brechen und eine neue Quantentheorie der Schwerkraft wird benötigt. Die Penrose-Hawking- „Singularitätstheoreme“bedeuteten, dass es keine Möglichkeit gab, Raum-Zeit an einem bestimmten Punkt reibungslos und undramatisch anzufangen.
Hawking und Hartle wurden daher veranlasst, über die Möglichkeit nachzudenken, dass das Universum als reiner Raum und nicht als dynamische Raum-Zeit begann. Und das führte sie zur Federballgeometrie. Sie definierten die No-Boundary-Wave-Funktion, die ein solches Universum beschreibt, mithilfe eines Ansatzes, den Hawkings Held, der Physiker Richard Feynman, erfunden hatte. In den 1940er Jahren entwickelte Feynman ein Schema zur Berechnung der wahrscheinlichsten Ergebnisse quantenmechanischer Ereignisse. Um beispielsweise die wahrscheinlichsten Ergebnisse einer Partikelkollision vorherzusagen, hat Feynman herausgefunden, dass Sie alle möglichen Pfade, die die kollidierenden Partikel nehmen können, zusammenfassen können, indem Sie einfachere Pfade mehr als gewundene in der Summe gewichten. Wenn Sie dieses „Pfadintegral“berechnen, erhalten Sie die Wellenfunktion: eine Wahrscheinlichkeitsverteilung, die die verschiedenen möglichen Zustände der Partikel nach der Kollision angibt.
Ebenso drückten Hartle und Hawking die Wellenfunktion des Universums - die seine wahrscheinlichen Zustände beschreibt - als die Summe aller möglichen Wege aus, die es von einem Punkt aus glatt ausgedehnt haben könnte. Die Hoffnung war, dass die Summe aller möglichen „Expansionsgeschichten“, Universen mit glattem Boden in verschiedenen Formen und Größen, eine Wellenfunktion ergeben würde, die einem riesigen, glatten, flachen Universum wie dem unseren eine hohe Wahrscheinlichkeit gibt. Wenn die gewichtete Summe aller möglichen Expansionsverläufe eine andere Art von Universum als wahrscheinlichstes Ergebnis ergibt, schlägt der No-Boundary-Vorschlag fehl.
Das Problem ist, dass das Pfadintegral über alle möglichen Expansionsverläufe viel zu kompliziert ist, um genau berechnet zu werden. Unzählige unterschiedliche Formen und Größen von Universen sind möglich, und jede kann eine chaotische Angelegenheit sein. "Murray Gell-Mann hat mich immer gefragt", sagte Hartle und bezog sich auf den kürzlich mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Physiker. "Wenn Sie die Wellenfunktion des Universums kennen, warum sind Sie dann nicht reich?" Durch die Wellenfunktion nach Feynmans Methode mussten Hartle und Hawking die Situation drastisch vereinfachen und sogar die spezifischen Partikel, die unsere Welt bevölkern, ignorieren (was bedeutete, dass ihre Formel nicht annähernd in der Lage war, den Aktienmarkt vorherzusagen). Sie betrachteten den Pfad als integraler Bestandteil aller möglichen Spielzeuguniversen im „Minisuperspace“, definiert als die Menge aller Universen, durch die ein einziges Energiefeld fließt: die Energie, die die kosmische Inflation antreibt. (In Hartle und Hawkings Federballbild entspricht diese anfängliche Ballonperiode der raschen Zunahme des Durchmessers in der Nähe des Korkbodens.)
Sogar die Minisuperspace-Berechnung ist schwer genau zu lösen, aber Physiker wissen, dass es zwei mögliche Expansionsverläufe gibt, die die Berechnung möglicherweise dominieren. Diese rivalisierenden Universumsformen verankern die beiden Seiten der aktuellen Debatte.
Die konkurrierenden Lösungen sind die beiden „klassischen“Expansionsverläufe, die ein Universum haben kann. Nach einem ersten kosmischen Inflationsschub ab Größe Null dehnen sich diese Universen nach Einsteins Theorie von Schwerkraft und Raum-Zeit stetig aus. Weirder-Expansionsverläufe, wie fußballförmige oder raupenartige Universen, werden in der Quantenberechnung meistens aufgehoben.
Eine der beiden klassischen Lösungen ähnelt unserem Universum. Auf großen Skalen ist es glatt und aufgrund von Quantenfluktuationen während der Inflation zufällig mit Energie gesprenkelt. Dichteunterschiede zwischen Regionen bilden wie im realen Universum eine Glockenkurve um Null. Wenn diese mögliche Lösung tatsächlich die Wellenfunktion für den Minisuperspace dominiert, wird es plausibel, sich vorzustellen, dass eine weitaus detailliertere und genauere Version der No-Boundary-Wellenfunktion als lebensfähiges kosmologisches Modell des realen Universums dienen könnte.
Die andere potenziell dominante Universumsform ist nichts mit der Realität zu vergleichen. Je breiter es wird, desto stärker variiert die Energie, mit der es infundiert wird. Dadurch entstehen von einem Ort zum anderen enorme Dichteunterschiede, und die Schwerkraft verschlechtert sich stetig. Dichteschwankungen bilden eine invertierte Glockenkurve, bei der sich die Unterschiede zwischen den Regionen nicht Null, sondern Unendlich nähern. Wenn dies der dominierende Begriff in der No-Boundary-Wave-Funktion für den Minisuperspace ist, dann scheint der Hartle-Hawking-Vorschlag falsch zu sein.
Die beiden vorherrschenden Expansionsverläufe bieten eine Auswahl darüber, wie das Pfadintegral ausgeführt werden soll. Wenn die vorherrschenden Geschichten zwei Orte auf einer Karte sind, Megastädte im Bereich aller möglichen quantenmechanischen Universen, ist die Frage, welchen Weg wir durch das Gelände nehmen sollten. Welche dominante Expansionsgeschichte, und es kann nur eine geben, sollte unsere „Kontur der Integration“aufgreifen? Forscher haben unterschiedliche Wege beschritten.
Turok, Feldbrugge und Lehners haben in ihrer Arbeit von 2017 einen Weg durch den Garten möglicher Expansionsverläufe beschritten, der zur zweiten dominanten Lösung führte. Ihrer Ansicht nach ist die einzig sinnvolle Kontur eine, die reale Werte (im Gegensatz zu imaginären Werten, bei denen die Quadratwurzeln negativer Zahlen verwendet werden) nach einer Variablen namens "Lapse" abtastet. Lapse ist im Wesentlichen die Höhe jedes möglichen Federballuniversums. die Entfernung, die benötigt wird, um einen bestimmten Durchmesser zu erreichen. Das Fehlen eines kausalen Elements ist nicht ganz unsere übliche Vorstellung von Zeit. Turok und Kollegen argumentieren jedoch teilweise aus Gründen der Kausalität, dass nur reale Werte des Verfalls physisch sinnvoll sind. Und das Summieren über Universen mit realen Werten von Lapse führt zu einer wild schwankenden, physikalisch unsinnigen Lösung.
"Die Leute setzen großes Vertrauen in Stephens Intuition", sagte Turok telefonisch. „Aus gutem Grund - ich meine, er hatte wahrscheinlich die beste Intuition von irgendjemandem zu diesen Themen. Aber er hatte nicht immer recht."
Imaginäre Universen
Jonathan Halliwell, ein Physiker am Imperial College London, hat den No-Border-Vorschlag untersucht, seit er in den 1980er Jahren Hawkings Student war. Er und Hartle analysierten 1990 das Problem der Integrationskontur. Nach ihrer Ansicht ist die Kontur nicht grundlegend, sondern ein mathematisches Werkzeug, das sich am besten nutzen lässt. Dies gilt auch für Hertog und anscheinend für Hawking. Es ist vergleichbar damit, wie die Flugbahn eines Planeten um die Sonne mathematisch als eine Reihe von Winkeln, als eine Reihe von Zeiten oder in Form mehrerer anderer geeigneter Parameter ausgedrückt werden kann. "Sie können diese Parametrisierung auf viele verschiedene Arten durchführen, aber keine ist physikalischer als eine andere", sagte Halliwell.
Er und seine Kollegen argumentieren, dass im Minisuperspace-Fall nur Konturen sinnvoll sind, die die gute Expansionsgeschichte aufgreifen. Für die Quantenmechanik ist es erforderlich, dass die Wahrscheinlichkeiten zu 1 addieren oder „normalisierbar“sind, aber das wild schwankende Universum, auf dem Turoks Team gelandet ist, ist es nicht. Diese Lösung ist unsinnig, von Unendlichkeiten geplagt und von Quantengesetzen verboten - offensichtliche Zeichen, nach Ansicht von No-Boundary-Verteidigern, den anderen Weg zu gehen.
Es stimmt, dass Konturen, die durch die gute Lösung verlaufen, mögliche Universen mit imaginären Werten für ihre Ablaufvariablen zusammenfassen. Aber abgesehen von Turok und der Firma denken nur wenige, dass das ein Problem ist. Imaginäre Zahlen durchdringen die Quantenmechanik. Für das Team von Hartle-Hawking berufen sich die Kritiker auf einen falschen Kausalitätsbegriff, indem sie die Echtheit des Ablaufs fordern. "Das ist ein Prinzip, das nicht in den Sternen steht und mit dem wir überhaupt nicht einverstanden sind", sagte Hertog.
Nach Angaben von Hertog erwähnte Hawking die Pfadintegralformulierung der No-Boundary-Wave-Funktion in seinen späteren Jahren nur selten, auch wegen der Mehrdeutigkeit bei der Wahl der Kontur. Er betrachtete die normalisierbare Expansionsgeschichte, zu deren Aufdeckung das Pfadintegral lediglich beigetragen hatte, als die Lösung einer grundlegenderen Gleichung über das Universum, die die Physiker John Wheeler und Bryce DeWitt in den 1960er Jahren aufgestellt hatten. Wheeler und DeWitt - nachdem sie während eines Zwischenstopps bei Raleigh-Durham International über das Thema nachgedacht hatten - argumentierten, dass die Wellenfunktion des Universums, egal was es ist, nicht von der Zeit abhängen kann, da es keine externe Uhr gibt, an der sie gemessen werden kann. Und so muss die Energiemenge im Universum, wenn Sie die positiven und negativen Beiträge von Materie und Schwerkraft addieren, für immer bei Null bleiben. Die No-Boundary-Wave-Funktion erfüllt die Wheeler-DeWitt-Gleichung für den Minisuperspace.
In den letzten Jahren seines Lebens setzten Hawking und seine Mitarbeiter Holographie ein, um die Wellenfunktion allgemeiner zu verstehen - ein neuer Blockbuster-Ansatz, der Raum-Zeit als Hologramm behandelt. Hawking suchte eine holographische Beschreibung eines federballförmigen Universums, in dem die Geometrie der gesamten Vergangenheit aus der Gegenwart herausragen würde.
Diese Bemühungen werden in Abwesenheit von Hawking fortgesetzt. Aber Turok sieht diese Verschiebung in der Betonung als Änderung der Regeln. Indem Befürworter der No-Boundary-Idee sich von der Pfadintegralformulierung zurückziehen, haben sie sie schlecht definiert. Was sie studieren, ist seiner Meinung nach nicht mehr Hartle-Hawking - obwohl Hartle selbst anderer Meinung ist.
Seit einem Jahr entwickeln Turok und seine Kollegen vom Perimeter Institute, Latham Boyle und Kieran Finn, ein neues kosmologisches Modell, das viel mit dem No-Border-Vorschlag gemein hat. Anstelle eines Federballs sind zwei angeordnete Korken in einer Art Sanduhrfigur zu sehen, wobei die Zeit in beide Richtungen fließt. Obwohl das Modell noch nicht genug entwickelt ist, um Vorhersagen zu treffen, liegt sein Reiz in der Art und Weise, wie seine Keulen die CPT-Symmetrie realisieren, ein scheinbar fundamentaler Spiegel in der Natur, der Materie und Antimaterie gleichzeitig reflektiert, links und rechts und vorwärts und rückwärts in der Zeit. Ein Nachteil ist, dass sich die Spiegelbildkeulen des Universums in einer Singularität treffen, einer Prise Raumzeit, für deren Verständnis die unbekannte Quantentheorie der Schwerkraft erforderlich ist. Boyle, Finn und Turok greifen nach der Singularität, aber ein solcher Versuch ist von Natur aus spekulativ.
Es gab auch eine Wiederbelebung des Interesses an dem „Tunnelvorschlag“, einer alternativen Art und Weise, wie das Universum aus dem Nichts entstanden sein könnte, die in den 80er Jahren unabhängig von den russisch-amerikanischen Kosmologen Alexander Vilenkin und Andrei Linde konzipiert wurde. Der Vorschlag, der sich von der No-Boundary-Wave-Funktion in erster Linie durch ein Minuszeichen unterscheidet, wirft die Geburt des Universums als quantenmechanisches "Tunneling" -Ereignis auf, ähnlich wie wenn ein Teilchen in einem quantenmechanischen Experiment über eine Barriere springt.
Es gibt viele Fragen darüber, wie die verschiedenen Vorschläge mit anthropischen Überlegungen und der berüchtigten Multiversum-Idee in Berührung kommen. Die No-Boundary-Wave-Funktion zum Beispiel bevorzugt leere Universen, wohingegen bedeutende Materie und Energie benötigt werden, um Ungeheuerlichkeit und Komplexität anzutreiben. Hawking argumentierte, dass die weite Verbreitung möglicher Universen, die die Wellenfunktion zulässt, alle in einem größeren Multiversum verwirklicht werden muss, in dem nur komplexe Universen wie unsere Einwohner in der Lage sein werden, Beobachtungen vorzunehmen. (Die jüngste Debatte befasst sich mit der Frage, ob diese komplexen, bewohnbaren Universen glatt oder stark schwankend sein werden.) Ein Vorteil des Tunnelvorschlags besteht darin, dass er mit Materie und Energie gefüllte Universen wie unsere bevorzugt, ohne auf anthropisches Denken zurückzugreifen - obwohl Universen, die existieren kann andere Probleme haben.
