Der Physiker und Bestsellerautor Stephen Hawking präsentiert 2012 in Seattle ein Programm. Beachten Sie seine (veraltete) Behauptung, dass eine Singularität und der Urknall der Epoche der kosmischen Inflation vorausgehen, die die früheste Epoche ist, über die wir Gewissheit haben. (AP Foto / Ted S. Warren)

Ich bin ein Astrophysiker. Hier ist, worum es in Stephen Hawkings Abschlussarbeit tatsächlich ging

Spoiler: Es ist nicht das Ende des Universums und es wird wahrscheinlich auch nicht zu neuen Beweisen für das Multiversum führen.

Am 14. März 2018 starb der berühmteste und berühmteste Wissenschaftler der Menschheit, Stephen Hawking, im Alter von 76 Jahren. Er hinterließ ein reiches Erbe auf den Gebieten der Astrophysik und Kosmologie und teilte die Wunder des Universums nicht nur mit seinen Kollegen, aber auch die breite Öffentlichkeit. Bekannt für seine Arbeiten zu Schwarzen Löchern, der allgemeinen Relativitätstheorie, dem Thema Singularitäten und der berühmten Art von Strahlung, die seinen Namen trägt - Hawking-Strahlung -, wird sein letztes Vermächtnis an die Menschheit in Form einer wissenschaftlichen Abhandlung veröffentlicht, die noch in der Begutachtung ist. Während Hawkings wichtigster Beitrag zur theoretischen Physik in den frühen Stadien seiner Karriere erfolgte, beschäftigte er sich in den 1960er und 1970er Jahren weiterhin mit Themen, die vom Informationsparadoxon des Schwarzen Lochs über das Firewall-Problem bis zur Entstehung von Raum und Zeit selbst reichten. Sein Abschlussartikel mit dem Titel A Smooth Exit from Eternal Inflation? (Preprint hier), konzentriert sich auf die Geburt des Universums, wie wir es kennen.

Es gibt eine große Reihe wissenschaftlicher Beweise, die das Bild des expandierenden Universums und des Urknalls stützen. Die geringe Anzahl von Eingabeparametern und die große Anzahl von Beobachtungserfolgen und Vorhersagen, die anschließend verifiziert wurden, gehören zu den Kennzeichen einer erfolgreichen wissenschaftlichen Theorie. Aber hat das Universum mit einer Singularität begonnen? Dies ist noch eine offene Frage. (NASA / GSFC)

Wenn es darum geht, wie unser Universum entstanden ist, gibt es ein paar große Fragen, die wir immer noch nicht beantwortet haben. Es ist allgemein anerkannt, dass das Universum, in dem wir heute leben, voller Sterne, Galaxien, Planeten und möglicherweise unzähliger Lebensformen, in der Vergangenheit aus einem heißeren, dichteren und einheitlicheren Zustand hervorgegangen ist. Da sich das Raumgefüge selbst ausdehnt und bei seiner Ausdehnung das Licht auf längere und kältere Wellenlängen ausdehnt, ist die Schlussfolgerung sinnvoll, dass es in der Vergangenheit dichter und heißer war. Da durch die Gravitation im Laufe der Zeit Materieklumpen wachsen und zusätzliche Materie in die dichtesten Regionen gezogen wird, ist es sinnvoll zu schließen, dass das Universum in der Vergangenheit glatter und einheitlicher war. Wenn Sie in der Zeit zurückrechnen, können Sie sich eine Zeit vorstellen, in der es noch keine Galaxien oder gar Sterne gab. als es noch keine neutralen Atome gab; wo es keine Atomkerne gab. Bisher gibt es dafür Beobachtungsunterstützung. Wenn Sie jedoch weit genug extrapolieren, erhalten Sie einen willkürlich heißen, dichten Zustand: eine Singularität.

Die Sterne und Galaxien, die wir heute sehen, existierten nicht immer, und je weiter wir zurückgehen, desto näher rückt das Universum an die perfekte Glättung, aber es gibt eine Grenze für die Glätte, die es hätte erreichen können, sonst hätten wir keine Struktur überhaupt heute. Um das alles zu erklären, brauchen wir eine Modifikation des Urknalls: die kosmologische Inflation. (NASA, ESA und A. Feild (STScI))

Zumindest war das die naive Annahme, die wir für ein oder zwei Generationen gemacht haben. In den späten 1970er Jahren wurde klar, dass wir beim Urknall mit einer Reihe von Anfangsbedingungen beginnen mussten, die sehr spezifisch, genau abgestimmt und überhaupt nicht gut motiviert waren, um das Universum zu erhalten wir sehen. Entweder waren dies einfach Eigenschaften, mit denen das Universum geboren wurde, oder sie entstanden aus einem bereits existierenden Zustand, der diese Bedingungen verursachte. Es gab eine Möglichkeit, diese Ausgangsbedingungen zu erhalten, wenn das Universum eine Zeit kosmologischer Inflation durchlief, in der anstelle von Materie und Strahlung eine Form von Energie vorhanden war, die dem Raumgefüge eigen war. Diese Vakuum-Energie oder Feld-Energie musste auf eine bestimmte Weise an das Gewebe der Raumzeit gekoppelt werden und würde zu einer Zeit führen, in der das Gewebe des Raums selbst über einen langen Zeitraum exponentiell gedehnt wurde, wodurch ein flaches, gleichmäßiges Universum entstand, das nicht mehr vorhanden war von energiereichen Partikeln.

Durch das Aufblasen vergrößert sich der Raum exponentiell, was sehr schnell dazu führen kann, dass ein bereits vorhandener gekrümmter Raum flach erscheint und sich bereits vorhandene Partikel voneinander entfernen. (E. Siegel (L); Ned Wrights Kosmologie-Tutorial (R))

Diese Periode der kosmischen Inflation hat sich als Erklärung für eine große Anzahl von Beobachtungen herausgestellt, von denen viele noch nicht gemacht wurden, als die Voraussagen der Inflation zum ersten Mal berechnet wurden. Es sagte ein Universum mit einem spezifischen Spektrum und Schwankungsmuster voraus, das sich im kosmischen Mikrowellenhintergrund, in der großräumigen Struktur des Universums und in einer Reihe beobachtbarer Korrelationen zeigen würde. Es wurde vorausgesagt, dass es eine Obergrenze für die im heißen Urknall erreichten Temperaturen geben würde und dass es zu Schwankungen des Superhorizonts auf Maßstäben kommen würde, die größer wären, als die Lichtgeschwindigkeit seit dem Urknall hätte wandern können. Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Beobachtung war bisher spektakulär und bestätigte die Inflation, wo immer solche Beobachtungen gemacht werden können.

Die während der Inflation auftretenden Quantenfluktuationen dehnen sich über das Universum aus, und wenn die Inflation endet, werden sie zu Dichtefluktuationen. Dies führt im Laufe der Zeit zu einer großräumigen Struktur im heutigen Universum sowie zu den im CMB beobachteten Temperaturschwankungen. (E. Siegel, mit Bildern, die von ESA / Planck und der DoE / NASA / NSF-Task Force für die CMB-Forschung stammen.)

Es gibt jedoch einige ungelöste Probleme bei der Inflation. Zunächst stellt sich das Problem, wie die Inflation begann. Es ist unkompliziert, wie Borde, Guth und Vilenkin im Jahr 2001 zu zeigen, dass Partikel, die in einer inflationären Raumzeit entstehen, in der Vergangenheit eine endliche Zeit hinter sich haben müssen. In der Sprache der Relativitätstheorie ist eine aufblasbare Raumzeit nach der Zeitachse unvollständig. Dieser Satz ist nicht allgemeingültig, was bedeutet, dass einige Inflationsmodelle möglicherweise einen Beginn der Inflation verhindern können. Wenn dies jedoch zutrifft, deutet dies darauf hin, dass die Inflation aus einem bereits bestehenden Zustand hervorgegangen ist, und impliziert daher die Existenz einer Singularität. Stephen Hawking ist ein Experte für Singularitätssätze, sein Vorschlag ohne Grenzen mit James Hartle hängt mit dieser Frage zusammen, und er war (verständlicherweise) zeitlebens von Raumzeiten abhängig, die einen singulären Anfang haben.

Innerhalb eines Schwarzen Lochs ist die Raumzeitkrümmung so groß, dass unter keinen Umständen Licht oder Partikel austreten können. Eine Singularität, basierend auf unseren aktuellen Gesetzen der Physik, muss eine Unvermeidlichkeit sein. Stephen Hawking war ein Experte für Singularitäten und Singularitätstheoreme und vermutete, dass dies auch zu Beginn des Universums unvermeidlich ist, obwohl dies bislang nicht bewiesen ist. (Pixabay-Nutzer JohnsonMartin)

Es gibt auch das Problem der ewigen Inflation: Sobald Sie eine Region mit Raumzeit-Inflation beginnen, wird alles andere schnell überdehnt. Wenn nur 0,000001% des Universums aufgeblasen sind, bläst sich nach ca. 10-30 Sekunden nur ein Teil von 10.300 nicht auf. Es mag eine willkürlich große Anzahl von Regionen geben, in denen die Inflation zu Ende geht und zu einem heißen Urknall führt, aber sie werden für immer getrennt, indem der Raum zwischen ihnen aufgeblasen wird. Der Name "ewige Inflation" kommt zustande, weil die Inflation, sobald sie einmal begonnen hat, willkürlich bis in die Zukunft andauert, und das in den meisten Regionen des Weltraums.

Überall dort, wo Inflation auftritt (blaue Würfel), entstehen mit jedem Zeitsprung exponentiell mehr Regionen im Raum. Selbst wenn es viele Würfel gibt, in denen die Inflation aufhört (rotes X), gibt es weit mehr Regionen, in denen die Inflation auch in Zukunft anhalten wird. Die Tatsache, dass dies niemals ein Ende findet, macht die Inflation „ewig“, sobald sie beginnt. (E. Siegel / Jenseits der Galaxis)

Der Versuch zu verstehen:

  1. Wie die Inflation ihren Anfang nahm
  2. Welche Bedingungen bestanden vor dem Ausbruch der Inflation?
  3. Was hat dazu geführt, dass die Inflation dort endet, wo wir sind?
  4. Wie hoch ist die Wahrscheinlichkeit, dass es in einer bestimmten Region endet?
  5. und ob es für die Zukunft oder die Vergangenheit ewig ist,

sind alle aktiven Forschungsbereiche. Viele Top-Kosmologen und Astrophysiker haben zu diesem Thema veröffentlicht, indem sie einen Weg wählen, um dieses physikalische Verhalten zu modellieren und die Konsequenzen abzuleiten. Hawkings Abschlussarbeit, die er zusammen mit seinem ehemaligen Studenten Thomas Hertog verfasst hat, ist ein weiterer Beitrag in der Saga.

Eine große Anzahl getrennter Regionen, in denen Urknall auftritt, wird durch kontinuierliches Aufblasen des Raums bei ewiger Inflation getrennt. Damit unser Universum existiert, muss es eine begrenzte Wahrscheinlichkeit der Schöpfung haben, wenn ein Multiversum gegeben ist. Einige Artikel, darunter der neue von Hawking und Hertog, stellen diese Schlussfolgerung in Frage. (Karen46 von http://www.freeimages.com/profile/karen46)

Hier ist kurz zusammengefasst, was sie tun. Sie erstellen eine (deformierte) konforme Feldtheorie, die mathematisch äquivalent (oder dual) zu einer sich ewig aufblähenden Raumzeit ist, und untersuchen einige mathematische Eigenschaften dieser Feldtheorie. Sie schauen sich insbesondere an, wo die Grenze einer Raumzeit, die sich für eine Ewigkeit aufbläst (zeitlich vorwärts), und eine, die dies nicht tut, und wählen dies als interessantes Problem. Anschließend untersuchen sie die Geometrien, die sich aus dieser Feldtheorie ergeben, versuchen, diese auf unser physikalisch aufblähendes Universum zurückzuführen und daraus eine Schlussfolgerung zu ziehen. Basierend auf dem, was sie finden, behaupten sie, dass der Ausstieg aus der Inflation nicht für immer etwas Aufblähendes in die Zukunft bringt, mit getrennten Taschen, in denen heiße Big Bangs auftreten, sondern dass der Ausstieg endlich und glatt ist. Mit anderen Worten, es gibt Ihnen ein einzelnes Universum, keine Reihe von getrennten Universen, die in ein größeres Multiversum eingebettet sind.

Das expandierende Universum voller Galaxien und komplexer Strukturen entstand aus einem kleineren, heißeren, dichteren und gleichmäßigeren Zustand. (C. Faucher-Giguère, A. Lidz und L. Hernquist, Science 319, 5859 (47))

Das ist ihr Papier. Es gibt keine beobachtbaren Konsequenzen; es gibt nichts zu messen; es gibt nichts zu testen. Es gibt keine Vorhersage über das Ende des Universums und es gibt keine verlässlichen Schlussfolgerungen über dessen Beginn. Die Implikationen dieser Arbeit sind enorm begrenzt, und es gibt nur wenige zwingende Gründe zu der Annahme, dass ihr Spielzeugmodell für unser physikalisches Universum relevant ist. Es ist der Keim einer Idee, die selbst kontrovers ist und auf einem ebenfalls kontroversen Fundament beruht, und dies ist ein sehr kleiner Schritt in ihrer Entwicklung. Darüber hinaus basiert alles, was sie tun, auf der Hartle-Hawking-No-Boundary-Vermutung, die immer noch nicht allgemein als wahr anerkannt wird. Die Autoren gehen so weit, in der Diskussion dieses Papiers zuzugeben, dass sie selbst innerhalb ihres Spielzeugmodells nicht gezeigt haben, dass es einen nicht multiversuminduzierenden Ausweg zur ewigen Inflation gibt:

Es bleibt daher eine offene Frage, ob die vermutete Glätte von Oberflächen mit konstanter globaler Dichte die Ewigkeit der ewigen Inflation beeinflusst.
Blaue und rote Linien stellen ein „traditionelles“ Urknallszenario dar, bei dem alles zum Zeitpunkt t = 0 beginnt, einschließlich der Raumzeit. In einem inflationären Szenario (gelb) erreichen wir jedoch nie eine Singularität, in der der Raum in einen singulären Zustand übergeht. Stattdessen kann es in der Vergangenheit nur beliebig klein werden, während die Zeit für immer rückwärts geht. Die No-Boundary-Bedingung von Hawking-Hartle stellt die Langlebigkeit dieses Zustands in Frage, ebenso wie das Borde-Guth-Vilenkin-Theorem, aber keines ist sicher. (E. Siegel)

Die Fragen, die sie zu beantworten versuchen, sind noch gültig, offene Fragen, und das Beste, was dieses Papier leisten kann - wenn es richtig und relevant ist und möglicherweise auch nicht -, sind Vorschläge für eine Antwort. Der Ansatz basiert größtenteils auf Arbeiten, die Hartle, Hawking und Hertog in der Vergangenheit geleistet haben, der von Chris Hull und anderen entwickelten dS / CFT-Verbindung sowie der von Streichern inspirierten Arbeit von Andrew Strominger und seinen Mitarbeitern. Nichts davon basiert auf realistischen kosmologischen Modellen; Dies sind Spielzeugmodelle, in denen sie rechnen und die dann analog zu dem argumentieren, was wir tatsächlich wissen. Wie bei den meisten theoretischen Arbeiten in der Anfangsphase werden interessante Ideen vorgestellt, die Arbeiten und Berechnungen sind sehr spekulativ und es besteht nicht unbedingt ein Zusammenhang mit der Realität. Aber es gibt eine Wahrscheinlichkeit von nicht Null, dass man real ist. Und in der theoretischen Physik ist eine neuartige Idee mit einer Chance unendlich viel mehr wert als gar keine neuen Ideen.

Der Kosmologe Stephen Hawking bei der Ankündigung der neuen Breakthrough-Initiative im Jahr 2016, die sich auf die Erforschung des Weltraums und die Suche nach Leben im Universum konzentriert. (AP Photo / Bebeto Matthews)

Unabhängig davon, wie sich herausstellt, werden diese grundlegenden Fragen die Physiker weiterhin erfreuen, verwirren und frustrieren, während wir nach den ultimativen Antworten auf die wahre Natur des Universums selbst suchen.

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu aufgelegt. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: The Science of Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.