Dlaczego ten wszechświat? Może to nie jest wyjątkowe — po prostu prawdopodobne

Kosmologowie spędzili od dziesięcioleci stara się zrozumieć, dlaczego nasz wszechświat jest tak oszałamiająco waniliowy. Nie tylko jest gładka i płaska na tyle, na ile możemy zobaczyć, ale także rozszerza się w coraz wolniejszym tempie, podczas gdy naiwne obliczenia sugerują, że wychodząc z Wielkiego Wybuchu przestrzeń powinna zostać zgnieciona przez grawitację i rozerwany przez odpychającą ciemną energię.

Aby wyjaśnić płaskość kosmosu, fizycy dodali dramatyczny rozdział otwierający do historii kosmosu: proponują, że przestrzeń gwałtownie napompowała się jak balon na początku Wielkiego Wybuchu, wygładzając wszelkie krzywizny. Aby wyjaśnić łagodny wzrost przestrzeni po tym początkowym okresie inflacji, niektórzy twierdzą, że nasz wszechświat jest tylko jednym z wielu mniej gościnnych wszechświatów w gigantycznym multiwersie.

Ale teraz dwóch fizyków postawiło na głowie konwencjonalne myślenie o naszym waniliowym wszechświecie. Po linii badań rozpoczętych przez Stephena Hawkinga i Gary’ego Gibbonsa w 1977 roku, duet opublikował nowe obliczenia sugerujące, że prostota kosmosu jest oczekiwana, a nie rzadka. Według Neila Turoka z Uniwersytetu w Edynburgu i Lathama Boyle’a z Perimeter Institute for Theoretical Physics w Waterloo w Kanadzie, nasz wszechświat jest taki, jaki jest. nieprawdopodobny.

Wszechświat „może wydawać się niezwykle precyzyjnie dostrojony, niezwykle nieprawdopodobny, ale [they’re] mówiąc: „Chwileczkę, to ten ulubiony” — powiedział Thomas Hertog, kosmolog z Katolickiego Uniwersytetu w Leuven w Belgii.

„To nowatorski wkład, który wykorzystuje inne metody w porównaniu z tym, co robi większość ludzi” – powiedział Steffen Gielen, kosmolog z University of Sheffield w Wielkiej Brytanii.

Prowokacyjny wniosek opiera się na matematycznej sztuczce polegającej na przełączeniu się na zegar, który tyka liczbami urojonymi. Korzystając z wyimaginowanego zegara, tak jak zrobił to Hawking w latach 70., Turok i Boyle mogli obliczyć wielkość, znaną jako entropia, która wydaje się odpowiadać naszemu wszechświatowi. Ale sztuczka z wyimaginowanym czasem jest okrężną metodą obliczania entropii i bez bardziej rygorystycznej metody znaczenie wielkości pozostaje przedmiotem gorących dyskusji. Podczas gdy fizycy zastanawiają się nad prawidłową interpretacją obliczenia entropii, wielu postrzega je jako nowy drogowskaz na drodze do fundamentalnej, kwantowej natury czasu i przestrzeni.

— W jakiś sposób — powiedział Gielen — daje nam to wgląd w mikrostrukturę czasoprzestrzeni.

Wyimaginowane ścieżki

Turok i Boyle, często współpracownicy, są znani z wymyślania kreatywnych i niekonwencjonalnych pomysłów dotyczących kosmologii. W zeszłym roku, aby zbadać prawdopodobieństwo istnienia naszego Wszechświata, zwrócili się ku technice opracowanej w latach 40. przez fizyka Richarda Feynmana.

Chcąc uchwycić probabilistyczne zachowanie cząstek, Feynman wyobraził sobie, że cząstka bada wszystkie możliwe trasy łączące początek z końcem: linię prostą, krzywą, pętlę, w nieskończoność. Opracował sposób nadawania każdej ścieżce liczby związanej z jej prawdopodobieństwem i dodawania wszystkich liczb. Ta technika „całkowania po trajektorii” stała się potężną platformą do przewidywania, jak najprawdopodobniej zachowa się dowolny system kwantowy.

Gdy tylko Feynman zaczął publikować całkę po trajektorii, fizycy zauważyli ciekawy związek z termodynamiką, czcigodną nauką o temperaturze i energii. To właśnie ten pomost między teorią kwantową a termodynamiką umożliwił obliczenia Turokowi i Boyle’owi.