يقدم الفيزيائي والمؤلف الأكثر مبيعًا ستيفن هوكينج برنامجًا في سياتل في عام 2012. لاحظ تأكيده (الذي عفا عليه الزمن) بأن التفرد ، والانفجار الكبير ، يسبقان عصر التضخم الكوني ، الذي يعد أقرب حقبة لدينا. (AP Photo / Ted S. Warren)

أنا عالم فيزياء فلكية. وإليك ما كانت الورقة النهائية لستيفن هوكينج في الواقع

المفسد: إنه ليس نهاية الكون ، وليس من المحتمل أن يؤدي إلى أدلة جديدة على الكون المتعدد ، أيضًا.

في 14 مارس 2018 ، توفي ستيفن هوكينج ، العالم الأكثر شهرة والاحتفال المعروف باسم البشرية ، عن عمر يناهز 76 عامًا. لقد ترك إرثًا غنيًا خلفه في مجالات الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات ، حيث شارك عجائب الكون مع ليس فقط عالمه. الزملاء ولكن الجمهور العام كذلك. يشتهر عمله على الثقوب السوداء والنسبية العامة وموضوع التفرد ونوع الإشعاع المشهور الذي يحمل اسمه - إشعاع هوكينج - إن إرثه الأخير للإنسانية يأتي في شكل ورقة علمية لا تزال قيد مراجعة النظراء. في حين أن أهم المساهمات التي قدمها هوكينج للفيزياء النظرية حدثت في المراحل الأولى من حياته المهنية ، في الستينيات والسبعينيات ، واصل العمل على موضوعات من مفارقة معلومات الثقب الأسود إلى مشكلة جدار الحماية وحتى ولادة الفضاء والوقت نفسه. الورقة الأخيرة ، بعنوان "خروج سلس من التضخم الأبدي؟ (الإعداد المسبق هنا) ، يركز على ولادة الكون كما نعرفها.

هناك مجموعة كبيرة من الأدلة العلمية التي تدعم صورة الكون المتمدد والبيج بانج. يعد العدد القليل من معلمات الإدخال والعدد الكبير من النجاحات والتنبؤات الرصدية التي تم التحقق منها لاحقًا من بين السمات المميزة لنظرية علمية ناجحة. لكن هل بدأ الكون بالتفرد؟ هذا لا يزال سؤال مفتوح. (ناسا / GSFC)

عندما يتعلق الأمر بكيفية ظهور عالمنا ، هناك بعض الأسئلة الكبيرة التي لم نرد عليها بعد. من المقبول عمومًا أن الكون الذي نعيش فيه اليوم ، مليء بالنجوم والمجرات والكواكب وربما عدد لا يحصى من أشكال الحياة ، نشأ من حالة أكثر سخونة وكثافة وأكثر اتساقًا في الماضي. نظرًا لأن نسيج الفضاء نفسه يتوسع ، وهو يتوسع ، فهو يمتد الضوء الذي يسكنه إلى أطوال موجية أطول وأبرد ، فمن المنطقي أن نستنتج أنه كان أكثر كثافة وأكثر سخونة في الماضي. لأن الجاذبية ، بمرور الوقت ، تتسبب في نمو كتل المادة ، وسحب مادة إضافية إلى المناطق الأكثر كثافة ، فمن المنطقي أن نستنتج أن الكون كان أكثر سلاسة وأكثر اتساقًا في الماضي. إذا قمت بالاستقراء مرة أخرى في الوقت المناسب ، فيمكنك تخيل وقت لم تكن فيه بعد مجرات أو حتى نجوم ؛ عندما لم تكن هناك ذرات محايدة حيث لم تكن هناك نوى ذرية. حتى الآن ، هناك دعم ملحوظ لكل هذا. لكن إذا استنبطت ما يكفي ، فستصل إلى حالة شديدة التعسفي ، كثيفة: التفرد.

النجوم والمجرات التي نراها اليوم لم تكن موجودة دائمًا ، وكلما عدنا إلى الوراء ، كلما اقتربنا من السلاسة الكاملة التي يحصل عليها الكون ، ولكن هناك حد للسلاسة التي كان من الممكن تحقيقها ، وإلا فلن يكون لدينا أي هيكل على الإطلاق اليوم. لشرح كل شيء ، نحن بحاجة إلى تعديل على الانفجار الكبير: التضخم الكوني. (ناسا ، ESA ، و A. Feild (STScI))

على الأقل ، كان هذا الافتراض الساذج الذي قطعناه على أنفسنا لجيل أو جيلين. بحلول أواخر سبعينيات القرن الماضي ، أصبح من الواضح أن الانفجار الكبير طلب منا أن نبدأ بمجموعة من الشروط الأولية التي كانت محددة للغاية ومضبوطة بدقة وغير مدفوعة جيدًا حتى يتسنى لنا الحصول على الكون الذي نحن نرى. إما أن هذه كانت مجرد خواص ولدت بها الكون ، أو أنها نشأت من بعض الحالات الموجودة مسبقًا والتي تسببت في حدوث هذه الظروف. كانت هناك طريقة للحصول على هذه الشروط الأولية إذا خضع الكون لفترة من التضخم الكوني ، حيث كان هناك شكل من أشكال الطاقة كان متأصلاً في نسيج الفضاء بدلاً من المادة والإشعاع. هذه الطاقة الفراغية ، أو طاقة الحقل ، تحتاج إلى أن تقترن بنسيج الزمكان بطريقة معينة ، وستؤدي إلى فترة تمدد فيها نسيج الفضاء نفسه أضعافا مضاعفة ، لفترة طويلة ، وخلق الكون مسطح ، موحد خالية من من جزيئات الطاقة العالية.

يؤدي التضخم إلى اتساع المساحة بشكل كبير ، مما يمكن أن يؤدي بسرعة إلى ظهور أي مساحة منحنية موجودة مسبقًا مسطحة ، وأي تضخيم أي جزيئات موجودة مسبقًا بعيدًا عن بعضها البعض. (E. Siegel (L) ؛ برنامج تعليمي لعلم الكونيات في Ned Wright (R))

تحولت هذه الفترة من التضخم الكوني إلى شرح عدد كبير من الملاحظات ، والتي لم يتم إجراء الكثير منها عند حساب توقعات التضخم لأول مرة. تنبأ الكون بوجود طيف معين ونمط من التقلبات ، والتي سوف تظهر في الخلفية الميكروويف الكونية ، في بنية واسعة النطاق للكون ، وفي سلسلة من الارتباطات الملحوظة. وتوقع أن يكون هناك حد أعلى لدرجات الحرارة التي تحققت في الانفجار الكبير الساخن ، وأنه سيكون هناك تقلبات في الأفق الفائق ، على نطاقات أكبر من سرعة الضوء يمكن أن تنتقل منذ لحظة الانفجار الكبير. كان الاتفاق بين النظرية والملاحظة مذهلاً حتى الآن ، مما يؤكد التضخم حيثما أمكن إجراء هذه الملاحظات.

تتقلب التقلبات الكمية التي تحدث أثناء التضخم في جميع أنحاء الكون ، وعندما ينتهي التضخم ، تصبح تقلبات الكثافة. وهذا يؤدي ، مع مرور الوقت ، إلى الهيكل واسع النطاق في الكون اليوم ، وكذلك التقلبات في درجة الحرارة التي لوحظت في CMB. (E. Siegel ، مع الصور المستمدة من ESA / Planck وفرقة العمل المشتركة بين الوكالات التابعة ل DoE / NASA / NSF حول أبحاث CMB)

ولكن هناك بعض المشاكل التي لم تحل في التضخم. أولاً ، هناك مشكلة كيفية بدء التضخم. من السهل أن نظهر ، كما فعل كل من Borde و Guth و Vilenkin في عام 2001 ، أن أي جسيمات تنشأ في وقت فراغ تضخم يجب أن تقابل بعض الوقت المحدود في الماضي. في لغة النسبية ، والزمان المتضخم هو الزمن الماضي غير مكتمل. هذه النظرية ليست عالمية ، مما يعني أن بعض نماذج التضخم يمكن أن تتجنب بداية التضخم. ولكن حيثما ينطبق ذلك ، فإنه يشير إلى أن التضخم نشأ عن حالة موجودة مسبقًا ، وبالتالي فإنه يشير إلى وجود التفرد. ستيفن هوكينج خبير في نظريات التفرد ، يرتبط اقتراحه بلا حدود مع جيمس هارتل بهذا السؤال بالذات ، وطوال حياته ، كان (من المفهوم) جزئيًا لفترات زمنية لها بداية فريدة.

داخل الثقب الأسود ، يكون انحناء الزمان كبيرًا للغاية بحيث لا يمكن للضوء أن يفلت ، ولا يمكن للجزيئات ، تحت أي ظرف من الظروف. يجب أن يكون التفرد ، استنادًا إلى قوانين الفيزياء الحالية لدينا ، حتمية. كان ستيفن هوكينج خبيرًا في المفردات ونظريات التفرد ، وتوقع أن تكون حتمية في بداية الكون أيضًا ، على الرغم من أن هذا لم يثبت بعد. (Pixabay المستخدم JohnsonMartin)

هناك أيضًا مشكلة التضخم الأبدي: بمجرد أن تبدأ منطقة تضخم في الفضاء ، فإنها تتوسع بسرعة في كل شيء آخر. إذا كان 0.000001٪ فقط من الكون يتضخم ، فبعد حوالي 10 ثوانٍ إلى 30 ثانية ، لن يكون جزء واحد فقط في 10 ^ 300 مضخماً. قد يكون هناك عدد كبير بشكل تعسفي من المناطق التي ينتهي فيها التضخم ، ويؤدي إلى انفجار كبير ساخن ، لكن سيتم فصلها إلى الأبد عن طريق تضخيم المساحة بينها. يأتي اسم التضخم الأبدي لأنه بمجرد أن تبدأ التضخم ، فإنه يستمر بعيدًا بشكل تعسفي في المستقبل ، وهو يفعل ذلك في معظم مناطق الفضاء.

أينما يحدث التضخم (مكعبات زرقاء) ، فإنه يؤدي إلى زيادة مساحة أكبر بشكل كبير مع كل خطوة للأمام في الوقت المناسب. حتى إذا كان هناك العديد من المكعبات التي ينتهي فيها التضخم (Xs الحمراء) ، فهناك المزيد من المناطق التي سيستمر فيها التضخم في المستقبل. حقيقة أن هذا لا ينتهي أبداً هو ما يجعل التضخم

محاولة لفهم:

  1. كيف بدأ التضخم؟
  2. ما الظروف التي كانت موجودة قبل بدء التضخم ،
  3. ما الذي تسبب في انتهاء التضخم أين نحن؟
  4. ما احتمالية حدوثه في منطقة معينة؟
  5. وسواء كانت أبدية ، سواء في المستقبل أو في الماضي ،

كلها مجالات نشطة للبحث. نشر العديد من كبار علماء الكون وعلماء الفيزياء الفلكية حول هذا الموضوع ، وهم يقومون بذلك عن طريق اختيار طريقة لتصميم هذا السلوك الجسدي ، واستخلاص النتائج. الورقة النهائية لهوكينغ ، التي شارك في تأليفها مع تلميذه السابق توماس هيرتوج ، هي إدخال آخر في القصة.

يتم فصل عدد كبير من المناطق المنفصلة التي تحدث فيها الانفجارات الكبيرة عن طريق تضخيم المساحة باستمرار في التضخم الأبدي. من أجل أن يكون الكون موجودًا ، يجب أن يكون لديه احتمال محدود للخلق ، مع إعطاء الكون المتعدد. بعض الصحف ، بما في ذلك الورقة الجديدة التي أعدها هوكينغ وهيروغ ، تتحدى هذا الاستنتاج (Karen46 of http://www.freeimages.com/profile/karen46)

هنا ، باختصار ، ما يفعلونه. إنها تخلق نظرية مجال مطابقة (مشوهة) مكافئة رياضياً (أو مزدوجة) لوقت فضائي مضخم ، وتستكشف بعض الخصائص الرياضية لنظرية المجال. إنهم ينظرون ، على وجه الخصوص ، إلى المكان الذي يتم فيه تضخيم حدود زمان ما إلى الأبد (إلى الأمام في الوقت المناسب) مقابل تلك التي لا تفعل ذلك ، ويختارون ذلك باعتباره المشكلة المثيرة للاهتمام التي يجب مراعاتها. ثم ينظرون إلى الأشكال الهندسية التي تنشأ من نظرية المجال هذه ، ويحاولون وضع خريطة لها على عالمنا المضخم جسديًا ، واستخلاص ذلك. استنادًا إلى ما وجدوه ، يزعمون أن الخروج من التضخم لا يمنحك شيئًا ما إلى الأبد يتضخّم في المستقبل ، مع جيوب منفصلة حيث تحدث الانفجارات الكبيرة الساخنة ، بل أن المخرج محدود وسلس. بعبارة أخرى ، يمنحك عالمًا واحدًا ، وليس سلسلة من الأكوان المنفصلة المدمجة في أكوان متعددة أكبر.

نشأ الكون الموسع ، المليء بالمجرات والبنية المعقدة التي نراها اليوم ، من حالة أصغر حجماً وأكثر سخونة وأكثر كثافة. (C. Faucher-Giguère، A. Lidz، L. Hernquist، Science 319، 5859 (47))

هذا ورقتهم. لا توجد عواقب ملحوظة ؛ لا يوجد شيء للقياس ؛ لا يوجد شيء للاختبار. لا يوجد تنبؤ حول نهاية الكون ، ولا توجد استنتاجات قوية يمكننا استخلاصها من بدايتها. هناك قيود هائلة على تداعيات هذا العمل ، وهناك عدد قليل من الأسباب المقنعة للاعتقاد بأن نموذج لعبتهم له صلة بكوننا المادي. إنها بذرة لفكرة أن نفسها مثيرة للجدل ، تستند إلى أساس مثير للجدل أيضًا ، وهذه خطوة صغيرة جدًا في تطورها. علاوة على ذلك ، فإن كل ما يقومون به يستند إلى تخمين هارتل-هوكينج بلا حدود ، والذي لا يزال غير مقبول بشكل عام على أنه صحيح. يذهب المؤلفون إلى أبعد من ذلك في الاعتراف ، في مناقشة هذه الورقة ، أنهم حتى داخل نموذج لعبتهم ، لم يظهروا أن هناك خروجًا غير محفز للكون متعدد للتضخم الأبدي:

لذلك يبقى السؤال مفتوحا عما إذا كانت النعومة المخبأة للأسطح ذات الكثافة الثابتة العالمية تؤثر على خلود التضخم الأبدي.
تمثل الخطوط الزرقاء والحمراء سيناريو Big Bang التقليدي ، حيث يبدأ كل شيء في الوقت t = 0 ، بما في ذلك وقت الفضاء نفسه. لكن في سيناريو التضخم (الأصفر) ، لم نصل مطلقًا إلى التفرد ، حيث يذهب الفضاء إلى حالة المفرد ؛ بدلاً من ذلك ، يمكن أن تصبح صغيرة بشكل تعسفي في الماضي ، بينما يستمر الوقت في العودة للأبد. تتحدى حالة هاوكينج-هارتل بلا حدود طول عمر هذه الدولة ، كما تفعل نظرية بورد-جوث-فيلينكين ، لكن لا أحد منها يعد أمرًا مؤكدًا. (إي سيجل)

الأسئلة التي يحاولون الإجابة عليها لا تزال صالحة ، أسئلة مفتوحة ، وأفضل ما يمكن أن تفعله هذه الورقة - إذا كانت صحيحة وذات صلة ، وقد لا تكون كذلك - هي تقديم اقتراحات تجاه الإجابة. يعتمد هذا النهج إلى حد كبير على العمل الذي قام به Hartle و Hawking و Hertog في الماضي ، وهو اتصال dS / CFT الذي ابتكره كريس هال وآخرون ، إلى جانب الأعمال المستوحاة من السلسلة التي قام بها أندرو سترومنجر ومعاونوه. لا يستند أي من هذا إلى أي نماذج كونية واقعية ؛ هذه نماذج لعب الأطفال التي يقومون بحسابها ، ومن ثم التفكير في القياس بما نعرفه فعليًا. مثل معظم الأعمال النظرية في المراحل المبكرة للغاية ، هناك أفكار مثيرة للاهتمام يتم تقديمها ، والعمل والحسابات تخمينية للغاية ، وليس هناك بالضرورة علاقة مع الواقع. لكن هناك فرصة غير صفرية بأن تكون حقيقية. وفي الفيزياء النظرية ، تستحق فكرة جديدة لها فرصة أكثر من لا حدود لها على الإطلاق.

عالم الكونيات ستيفن هوكينج في إعلان 2016 عن مبادرة الاختراق الجديدة التي تركز على استكشاف الفضاء والبحث عن الحياة في الكون. (AP Photo / Bebeto Matthews)

بغض النظر عن كيفية ظهور كل شيء ، ستستمر هذه الأسئلة الأساسية في إسعاد علماء الفيزياء وإحباطهم وإحباطهم بينما نبحث عن الإجابات المطلقة على الطبيعة الحقيقية للكون نفسه.

يبدأ تطبيق "يبدأ بـ A Bang" الآن على "فوربس" ، ويتم إعادة نشره على "متوسط" بفضل أنصار باتريون لدينا. قام إيثان بتأليف كتابين ، "وراء المجرة" ، وعلم Treknology: "علم ستار تريك" من "ترايكردز" إلى "وارب درايف".