Dagarna före hans död den 14 mars, den berömda teoretiska fysikern och kosmologen Stephen Hawking avslutade det som skulle bli hans sista forskningsarbete. Ursprungligen tillgängliggjord via arXiv -förtryckstjänsten, den gick igenom granskning och publicerades online i Journal of High Energy Physics den 27 april.

Skrivet med medförfattare Thomas Hertog, en teoretisk fysiker vid universitetet i Leuven, Belgien, tidningen tillför ytterligare en aspekt till förståelsen av universum vi lever i. Det behöver inte sägas att det är komplicerat. Med titeln "Ett smidigt utträde från evig inflation?" publikationen diskuterar ett gåtfullt problem som kosmologer står inför.

Men innan vi fördjupar oss i kärnan i studien, låt oss gå tillbaka till när vårt universum var en bebis - för cirka 13,8 miljarder år sedan.

Big Bang och inflation

Många bevis tyder på att vårt universum härstammar från en singularitet, en oändligt tät punkt där hela universum som vi känner det föddes. Vi kallar den händelsen Big Bang. Men hur singulariteten blev till och varför Big Bang hände är inte oroande just nu. Vi är intresserade av vad som hände direkt efter att vårt universum föddes, en period som kallas "inflation".

Kosmologer förutspår att inflationen inträffade under en försvinnande liten period strax efter Big Bang - eller under vårt universums första tio ^-32 sekunder! Under inflationen, universum expanderade exponentiellt och mycket snabbare än ljusets hastighet. Efter bara en sekund, energin från denna ofattbart gigantiska explosion som kondenseras för att bilda de subatomära partiklarna som, under miljontals år, skapade stjärnorna, galaxer, planeter och (efter 3,8 miljarder år) liv. När denna inflationsperiod slutade, universums expansionstakt saktade ner, men det fortsätter att expandera till denna dag.

Eftersom inflationen drev en snabbare än ljushastighetsexpansion, det "observerbara universum" som vi ser idag är inte hel universum. Snarare existerar vi bara inuti ett område i kosmos som ljuset har hunnit nå. Det är som att släppa en sten i en lugn pool. Den första cirkulära krusningen som sprider sig från stänk färdas med en fast hastighet över poolens yta. Om vi ​​föreställer oss gränsen för vårt observerbara universum är den krusningen - som reser över poolen med ljusets hastighet - det är inte så att ingenting existerar bortom den krusningen (det finns mycket mer pool, eller universum, Bortom det), vi kan bara inte se det än.

Så, konsekvensen av inflationen är att det borde finnas MYCKET mer universum än vad vi kan se med våra mest kraftfulla teleskop.

Ange Multiverse

Kosmologer har länge kämpat med möjligheten att vårt universum inte är det endast universum. Faktiskt, vi kan inte vara mer än en enda bubbla i det oändliga, skummande hav, ett koncept som kallas "multiversen". Du ser, inflationen hände inte en gång; dess alltid sker via någon oändligt stor kedjereaktion som kallas "evig inflation". Ett universum kommer att dyka upp, inflationen kommer att ta över, utvidga det universum, och det universum kommer att ha sin egen kvantinstabilitet som kommer att skapa fler singulariteter som fortsätter att skapa fler universum. Det är som att blåsa upp en festballong som i sig ger många andra festballonger som utbrott från dess gummiyta till synes slumpmässigt. Denna situation låter kaotisk, och det är. Förespråkarna av denna hypotes tror att evig inflation är ostoppbar, oerhört komplexa och ständigt genererar nya universum. Matematiken i denna situation tyder på att multiversen fungerar som en fraktal.

Det är värt att notera att varje på varandra följande universum i multiversumet sannolikt inte delar samma fysik som vår universum. Ett universum kanske inte har gravitation. En annan kanske inte stöder de krafter som håller ihop materia. Det finns många dödfödda universum som bara inte är så mycket. Vi människor har helt enkelt tur som har ett universum som har rätt miljö för att skapa det vi ser, ett filosofiskt argument som kallas den antropiska principen.

Problemet med evig inflation är att det är rörigt och oändligt, och hypotesen är, i sista hand, otestbar. Vad är poängen med att ha en underbar matematisk modell för universum (eller universum) om vi inte åtminstone kan hitta några observationsbevis som stöder multivershypotesen?

Hawking var inte ett fan av multiverset

Så, vad har Hawking och Hertogs forskning att göra med detta obevekliga multiversum?

I multiversum, vårt universum är bara ett fickuniversum där inflationen har upphört, och, trots oddsen, det fann lugn att skapa en mängd stjärnor och galaxer och ett gäng människor som lever på en slumpmässig sten som funderar på kosmos. Vad som händer bortom vår ficka av lugn är, dock, något annorlunda.

"Den vanliga teorin om evig inflation förutspår att vårt universum globalt är som en oändlig fraktal, med en mosaik av olika fickuniversum, åtskilda av ett uppblåsande hav, "sade Hawking i en intervju förra året." De lokala lagarna för fysik och kemi kan skilja sig från ett fickuniversum till ett annat, som tillsammans skulle bilda ett multiversum. Men jag har aldrig varit ett fan av multiversen. Om skalan för olika universum i multiversum är stor eller oändlig kan teorin inte testas. "

Problemet, enligt Hawking och Hertog, ligger med inkompatibiliteten mellan Einsteins allmänna relativitet (som styr universums utveckling) och kvantmekanik (som fröer skapandet av nya universum genom kvantfluktuationer). Multiversens eviga inflationsmodell "utplånar separationen mellan klassisk och kvantfysik, "Sade Hertog i det medföljande pressmeddelandet." Som en följd av detta, Einsteins teori går sönder i evig inflation. "

Deras studie går inte så långt som att förena allmän relativitet med kvantfysik (en strävan som har, än så länge, misslyckats), men de använder strängteorins matematik för att förenkla multiversemodellen. Snabb sammanfattning:Strängteori förutspår att alla subatomära partiklar i vårt universum faktiskt består av endimensionella strängar som sprider sig genom rymden. Vibrationstillståndet hos dessa strängar är det som ger dessa partiklar deras kvanttillstånd (såsom laddning, centrifugering och massa). Men strängteori förutspår också förekomsten av den hypotetiska gravitonen, en kvantpartikel som bär tyngdkraften. Strängteori skulle därför ge en förklaring till hur Einsteins allmänna relativitet (gravitation) jibbar med kvantfysik.

Med hjälp av den matematiska ramen för strängteori, denna studie förenklar multiversen. Hawking och Hertog använde strängteoribegreppet holografi för att reducera vårt tredimensionella universum till en tvådimensionell "yta, "från vilket universum vi känner och älskar projiceras. Genom att göra detta, de kunde beskriva evig inflation utan allmän relativitet, skapa ett "tidlöst tillstånd".

"När vi spårar utvecklingen av vårt universum bakåt i tiden, någon gång når vi tröskeln till evig inflation, där vårt välkända begrepp om tid upphör att ha någon mening, sa Hertog i ett uttalande.

Matematiken är komplex, men resultatet är intressant. Beräkningarna gör att det oändliga och fraktala multiverset blir till en mycket enklare (och ändlig) situation än den eviga inflationen förutspår.

"Vi är inte nere på en enda, unikt universum, men våra fynd innebär en betydande minskning av multiversen, till ett mycket mindre utbud av möjliga universum, sa Hawking.

Hur testar vi det?

För att sätta det i perspektiv, Hawkings sista uppsats revolutionerar inte vår förståelse av hur universum (och, verkligen, multiverset) fungerar, men det är ett värdefullt tillskott till ett stort teoretiskt arbete. Specifikt, Hertog hoppas att denna studie kan hjälpa oss att leta efter gamla gravitationella vågor som genererades av evig inflation. Dessa krusningar i rymdtiden är alldeles för svaga för att nuvarande gravitationella vågdetektorer ska kunna upptäcka, dock. Vi måste vänta tills avancerade rymdbaserade observatorier-som den planerade Europeiska rymdorganisationens LISA-uppdrag-lanseras.

Oavsett om denna studie leder till banbrytande upptäckter om kosmos vi lever i, det är ett bevis på en stor forskare som arbetade outtröttligt hela sitt liv för att svara på några av de största frågorna mänskligheten har funderat över. Och på Hawkings axlar, andra stora sinnen kommer att bygga vidare på detta arbete för att förhoppningsvis dechiffrera om vårt universum är unikt - eller om det är en bubbla som kaotiskt flyter i multiversens hav.

Den 27-åriga doktoranden vid Princeton University vid namn Hugh Everett III som brainstormade konceptet med multiversen hade till en början problem med att få sin wacktastic idé publicerad.