Hvorfor dette univers? En ny beregning tyder på, at vores kosmos er typisk.

Kosmologer har brugt årtier på at stræbe efter at forstå, hvorfor vores univers er så fantastisk vanilje. Ikke alene er det glat og fladt, så vidt vi kan se, men det udvider sig også i et stadigt langsomt stigende tempo, når naive beregninger tyder på, at rummet – når det kom ud af Big Bang – skulle være blevet krøllet sammen af ​​tyngdekraften og sprængt fra hinanden af ​​frastødende mørk energi.

For at forklare kosmos fladhed har fysikere tilføjet et dramatisk åbningskapitel til den kosmiske historie: De foreslår, at rummet hurtigt blev pustet op som en ballon ved begyndelsen af ​​Big Bang, og udlignede enhver krumning. Og for at forklare den blide vækst i rummet efter den første inflationsperiode, har nogle hævdet, at vores univers kun er et blandt mange mindre gæstfrie universer i et kæmpe multivers.

Men nu har to fysikere vendt den konventionelle tankegang om vores vaniljeunivers på hovedet. Efter en forskningslinje startet af Stephen Hawking og Gary Gibbons i 1977, har duoen offentliggjort en ny beregning, der tyder på, at kosmos ensartethed forventes snarere end sjældent. Vores univers er, som det er, iflg Neil Turok fra University of Edinburgh og Latham Boyle fra Perimeter Institute for Theoretical Physics i Waterloo, Canada, af samme grund som luften fordeler sig jævnt i et rum: Mærkere muligheder er tænkelige, men yderst usandsynlige.

Universet "kan virke ekstremt finjusteret, ekstremt usandsynligt, men [de] siger: 'Vent et øjeblik, det er den foretrukne'," sagde Thomas Hertog, en kosmolog ved det katolske universitet i Leuven i Belgien.

"Det er et nyt bidrag, der bruger forskellige metoder sammenlignet med, hvad de fleste mennesker har gjort," sagde Steffen Gielen, en kosmolog ved University of Sheffield i Storbritannien.

Den provokerende konklusion hviler på et matematisk trick, der involverer at skifte til et ur, der tikker med imaginære tal. Ved at bruge det imaginære ur, som Hawking gjorde i 70'erne, kunne Turok og Boyle beregne en mængde, kendt som entropi, der ser ud til at svare til vores univers. Men det imaginære tidstrick er en omvejende måde at beregne entropi på, og uden en mere stringent metode forbliver betydningen af ​​mængden heftigt omdiskuteret. Mens fysikere undrer sig over den korrekte fortolkning af entropiberegningen, ser mange den som en ny guidepost på vejen til rummets og tidens grundlæggende kvantenatur.

"På en eller anden måde," sagde Gielen, "giver det os et vindue til måske at se rum-tidens mikrostruktur."

imaginære stier

Turok og Boyle, hyppige samarbejdspartnere, er kendt for at udtænke kreative og uortodokse ideer om kosmologi. Sidste år, for at studere, hvor sandsynligt vores univers kan være, vendte de sig til en teknik udviklet i 1940'erne af fysikeren Richard Feynman.

Med det formål at fange partiklers sandsynlige opførsel forestillede Feynman sig, at en partikel udforsker alle mulige ruter, der forbinder start til slut: en lige linje, en kurve, en løkke, ad infinitum. Han udtænkte en måde at give hver vej et tal relateret til dens sandsynlighed og lægge alle tallene sammen. Denne "sti-integrale"-teknik blev en kraftfuld ramme til at forudsige, hvordan ethvert kvantesystem højst sandsynligt ville opføre sig.

Så snart Feynman begyndte at offentliggøre sti-integralet, opdagede fysikere en mærkelig forbindelse med termodynamik, den ærværdige videnskab om temperatur og energi. Det var denne bro mellem kvanteteori og termodynamik, der muliggjorde Turok og Boyles beregning.

Termodynamik udnytter statistikkens kraft, så du kun kan bruge nogle få tal til at beskrive et system af mange dele, såsom de gajillioner luftmolekyler, der rasler rundt i et rum. Temperatur, for eksempel - hovedsagelig gennemsnitshastigheden af ​​luftmolekyler - giver en grov fornemmelse af rummets energi. Overordnede egenskaber som temperatur og tryk beskriver en "makrostat" af rummet.

Men en makrostat er en rå konto; luftmolekyler kan arrangeres på et enormt antal måder, der alle svarer til den samme makrotilstand. Skub det ene iltatom lidt til venstre, og temperaturen rykker ikke. Hver unik mikroskopisk konfiguration er kendt som en mikrotilstand, og antallet af mikrotilstande svarende til en given makrotilstand bestemmer dens entropi.

Entropi giver fysikere en skarp måde at sammenligne oddsene for forskellige udfald på: Jo højere entropi af en makrotilstand, jo mere sandsynligt er det. Der er langt flere måder for luftmolekyler at arrangere sig i hele rummet, end hvis de for eksempel er samlet i et hjørne. Som et resultat forventer man, at luftmolekyler spreder sig ud (og forbliver spredt ud). Den selvindlysende sandhed om, at sandsynlige udfald er sandsynlige, formuleret i fysikkens sprog, bliver termodynamikkens berømte anden lov: at den totale entropi i et system har en tendens til at vokse.

Ligheden med sti-integralet var umiskendelig: I termodynamik lægger man alle mulige konfigurationer af et system sammen. Og med sti-integralet sammenlægger du alle mulige veje, et system kan tage. Der er bare en ret iøjnefaldende forskel: Termodynamik handler om sandsynligheder, som er positive tal, der ligefrem lægger sig sammen. Men i stiintegralet er det tal, der er tildelt hver sti komplekst, hvilket betyder, at det involverer det imaginære tal i, kvadratroden af ​​−1. Komplekse tal kan vokse eller skrumpe, når de lægges sammen - hvilket giver dem mulighed for at fange kvantepartiklernes bølgelignende natur, som kan kombineres eller udligne.

Alligevel fandt fysikere ud af, at en simpel transformation kan tage dig fra det ene rige til det andet. Gør tiden imaginær (et træk kendt som en Wick-rotation efter den italienske fysiker Gian Carlo Wick), og en anden i går ind i det sti-integral, der fjerner det første, og forvandler imaginære tal til reelle sandsynligheder. Udskift tidsvariablen med det omvendte af temperaturen, og du får en velkendt termodynamisk ligning.

Dette Wick-trick førte til et blockbusterfund af Hawking og Gibbons i 1977, i slutningen af ​​en hvirvelvindende række af teoretiske opdagelser om rum og tid.

Rumtidens Entropi

Årtier tidligere havde Einsteins generelle relativitetsteori afsløret, at rum og tid tilsammen danner et samlet stof af virkeligheden - rum-tid - og at tyngdekraften virkelig er tendensen til, at objekter følger folderne i rum-tid. Under ekstreme omstændigheder kan rum-tid kurve stejlt nok til at skabe en uundgåelig Alcatraz kendt som et sort hul.

I 1973 Jacob Bekenstein fremførte kætteriet at sorte huller er uperfekte kosmiske fængsler. Han begrundede, at afgrundene skulle absorbere entropien af ​​deres måltider, i stedet for at slette den entropi fra universet og overtræde termodynamikkens anden lov. Men hvis sorte huller har entropi, skal de også have temperaturer og skal udstråle varme.

En skeptisk Stephen Hawking forsøgte at bevise, at Bekenstein tog fejl, og gik i gang med en indviklet beregning af, hvordan kvantepartikler opfører sig i et sort huls buede rumtid. Til sin overraskelse fik han i 1974 fundet at sorte huller faktisk udstråler. En anden beregning bekræftede Bekensteins gæt: Et sort hul har en entropi svarende til en fjerdedel af arealet af dets begivenhedshorisont - point of no return for et indfaldende objekt.

I årene efter, de britiske fysikere Gibbons og Malcolm Perry, og senere Gibbons og Hawking, ankom ved samme resultat fra en anden retning. De opretter et sti-integral, idet de i princippet sammenlægger alle de forskellige måder, hvorpå rum-tid kan bøje sig for at lave et sort hul. Dernæst roterede de det sorte hul, markerede tidens flow med imaginære tal, og undersøgte dets form. De opdagede, at det sorte hul i den imaginære tidsretning periodisk vendte tilbage til sin oprindelige tilstand. Denne Groundhog Day-lignende gentagelse i imaginær tid gav det sorte hul en slags stase, der gjorde det muligt for dem at beregne dets temperatur og entropi.

De havde måske ikke stolet på resultaterne, hvis svarene ikke nøjagtigt havde matchet dem, der tidligere blev beregnet af Bekenstein og Hawking. I slutningen af ​​årtiet havde deres kollektive arbejde givet en overraskende forestilling: Sorte hullers entropi indebar, at rumtiden selv er lavet af små, omarrangerbare stykker, ligesom luft er lavet af molekyler. Og mirakuløst nok, selv uden at vide, hvad disse "gravitationsatomer" var, kunne fysikere tælle deres arrangementer ved at se på et sort hul i imaginær tid.

"Det er det resultat, der efterlod et dybt, dybt indtryk på Hawking," sagde Hertog, Hawkings tidligere kandidatstuderende og mangeårige samarbejdspartner. Hawking spekulerede straks på, om Wick-rotationen ville fungere for mere end bare sorte huller. "Hvis den geometri fanger en kvanteegenskab for et sort hul," sagde Hertog, "så er det uimodståeligt at gøre det samme med hele universets kosmologiske egenskaber."

Tæller alle mulige universer

Med det samme roterede Hawking og Gibbons Wick et af de enklest tænkelige universer - et, der ikke indeholdt andet end den mørke energi indbygget i selve rummet. Dette tomme, ekspanderende univers, kaldet en "de Sitter" rumtid, har en horisont, udover hvilken rummet udvider sig så hurtigt, at intet signal derfra nogensinde vil nå en observatør i midten af ​​rummet. I 1977 beregnede Gibbons og Hawking, at ligesom et sort hul, har et de Sitter-univers også en entropi svarende til en fjerdedel af dets horisonts areal. Igen syntes rum-tid at have et tælleligt antal mikrotilstande.

Men entropien i det faktiske univers forblev et åbent spørgsmål. Vores univers er ikke tomt; det er fyldt med udstrålende lys og strømme af galakser og mørkt stof. Lys drev en rask udvidelse af rummet under universets ungdom, derefter bremsede stoffets tyngdekraft tiltrækning tingene til at kravle under den kosmiske ungdomsår. Nu ser det ud til, at mørk energi har overtaget og driver en løbsk udvidelse. "Den udvidelseshistorie er en ujævn tur," sagde Hertog. "At få en eksplicit løsning er ikke så let."

I løbet af det sidste års tid har Boyle og Turok bygget netop sådan en eksplicit løsning. Først i januar, mens de legede med legetøjskosmologier, de bemærket at tilføjelse af stråling til de Sitter rum-tid ikke spolerede den enkelhed, der kræves for at Wick-rotere universet.

Så i løbet af sommeren opdagede de, at teknikken ville modstå selv den rodede inklusion af stof. Den matematiske kurve, der beskriver den mere komplicerede ekspansionshistorie, faldt stadig ind i en bestemt gruppe af lethåndterlige funktioner, og termodynamikkens verden forblev tilgængelig. "Denne Wick-rotation er uklar forretning, når du bevæger dig væk fra meget symmetrisk rumtid," sagde Guilherme Leite Pimentel, en kosmolog ved Scuola Normale Superiore i Pisa, Italien. "Men det lykkedes dem at finde det."

Ved at rotere rutsjebanens ekspansionshistorie for en mere realistisk klasse af universer fik de en mere alsidig ligning for kosmisk entropi. For en bred vifte af kosmiske makrotilstande defineret af stråling, stof, krumning og en mørk energitæthed (ligesom en række temperaturer og tryk definerer forskellige mulige miljøer i et rum), spytter formlen antallet af tilsvarende mikrotilstande ud. Turok og Boyle har skrevet deres resultater online i begyndelsen af ​​oktober.

Eksperter har rost det eksplicitte, kvantitative resultat. Men ud fra deres entropi-ligning har Boyle og Turok draget en ukonventionel konklusion om vores univers' natur. "Det er her, det bliver lidt mere interessant og lidt mere kontroversielt," sagde Hertog.

Boyle og Turok mener, at ligningen udfører en optælling af alle tænkelige kosmiske historier. Ligesom et rums entropi tæller alle måder at arrangere luftmolekylerne på til en given temperatur, mistænker de, at deres entropi tæller alle de måder, man kan blande rumtidens atomer sammen og stadig ende med et univers med en given overordnet historie, krumning og mørk energitæthed.

Boyle sammenligner processen med at undersøge en gigantisk sæk med kugler, hver med et forskelligt univers. Dem med negativ krumning kan være grønne. Dem med tonsvis af mørk energi kan være katteøjne og så videre. Deres folketælling afslører, at det overvældende flertal af kuglerne kun har én farve - f.eks. blå - svarende til én type univers: et stort set som vores eget, uden nævneværdig krumning og kun et strejf af mørk energi. Mærkere typer af kosmos er forsvindende sjældne. Med andre ord, de mærkeligt vaniljetræk i vores univers, der har motiveret årtiers teoretisering om kosmisk inflation og multiverset, er måske slet ikke mærkelige.

"Det er et meget spændende resultat," sagde Hertog. Men "det rejser flere spørgsmål, end det besvarer."

Tællende forvirring

Boyle og Turok har beregnet en ligning, der tæller universer. Og de har gjort den slående observation, at universer som vores synes at stå for broderparten af ​​de tænkelige kosmiske muligheder. Men det er der, visheden slutter.

Duoen gør intet forsøg på at forklare, hvad kvanteteori om tyngdekraft og kosmologi kan gøre visse universer almindelige eller sjældne. De forklarer heller ikke, hvordan vores univers med sin særlige konfiguration af mikroskopiske dele blev til. I sidste ende ser de deres beregning som mere et fingerpeg om, hvilke slags universer der foretrækkes end noget nær en komplet teori om kosmologi. "Det, vi har brugt, er et billigt trick til at få svaret uden at vide, hvad teorien er," sagde Turok.

Deres arbejde revitaliserer også et spørgsmål, der er blevet ubesvaret, siden Gibbons og Hawking første gang startede hele forretningen med rum-tid entropi: Hvad er det præcist for mikrostater, som det billige trick tæller?

"Nøglen her er at sige, at vi ikke ved, hvad den entropi betyder," sagde Henry Maxfield, en fysiker ved Stanford University, der studerer kvanteteorier om tyngdekraft.

I sit hjerte indkapsler entropi uvidenhed. For en gas lavet af molekyler, for eksempel, kender fysikere temperaturen - partiklernes gennemsnitlige hastighed - men ikke hvad hver partikel gør; gassens entropi afspejler antallet af muligheder.

Efter årtiers teoretisk arbejde konvergerer fysikere et lignende billede for sorte huller. Mange teoretikere mener nu, at området i horisonten beskriver deres uvidenhed om de ting, der er faldet ind - alle måderne til internt at arrangere byggestenene i det sorte hul, så de matcher dets ydre udseende. (Forskere ved stadig ikke, hvad mikrostaterne faktisk er; ideer omfatter konfigurationer af partiklerne kaldet gravitoner eller strengteoriens strenge.)

Men når det kommer til universets entropi, føler fysikere sig mindre sikre på, hvor deres uvidenhed overhovedet ligger.

I april forsøgte to teoretikere at sætte kosmologisk entropi på et fastere matematisk grundlag. Ted Jacobson, en fysiker ved University of Maryland kendt for at udlede Einsteins tyngdekraftsteori fra sorte huls termodynamik, og hans kandidatstuderende Batoul Banihashemi eksplicit defineret entropien i et (ledigt, ekspanderende) de Sitter-univers. De antog perspektivet af en observatør i centrum. Deres teknik, som involverede tilføjelse af en fiktiv overflade mellem den centrale observatør og horisonten, for derefter at skrumpe overfladen, indtil den nåede den centrale observatør og forsvandt, genoprettede Gibbons og Hawkings svar, at entropi er lig med en fjerdedel af horisontområdet. De konkluderede, at de Sitter-entropien tæller alle mulige mikrotilstande inde i horisonten.

Turok og Boyle beregner den samme entropi som Jacobson og Banihashemi for et tomt univers. Men i deres nye beregning, der vedrører et realistisk univers fyldt med stof og stråling, får de et meget større antal mikrotilstande - proportionalt med volumen og ikke areal. Stillet over for dette tilsyneladende sammenstød spekulerer de i, at de forskellige entropier svarer på forskellige spørgsmål: Den mindre de Sitter-entropi tæller mikrotilstande af ren rumtid afgrænset af en horisont, mens de mistænker, at deres større entropi tæller alle mikrotilstande i en rumtid fyldt med stof og energi, både i og uden for horisonten. "Det er det hele," sagde Turok.

I sidste ende vil en løsning på spørgsmålet om, hvad Boyle og Turok tæller, kræve en mere eksplicit matematisk definition af ensemblet af mikrostater, analogt med hvad Jacobson og Banihashemi har gjort for de Sitter-rummet. Banihashemi sagde, at hun betragter Boyle og Turoks entropiberegning "som et svar på et spørgsmål, der endnu ikke er fuldt ud forstået."

Hvad angår mere etablerede svar på spørgsmålet "Hvorfor dette univers?", siger kosmologer, at inflationen og multiverset langt fra er døde. Moderne inflationsteori er især kommet til at løse mere end blot universets glathed og fladhed. Observationer af himlen matcher mange af dens andre forudsigelser. Turok og Boyles entropiske argument har bestået en bemærkelsesværdig første test, sagde Pimentel, men det bliver nødt til at finde andre, mere detaljerede data for at konkurrere mere seriøst med inflationen.

Som det sømmer sig for en mængde, der måler uvidenhed, har mysterier, der er rodfæstet i entropi, tjent som varslere om ukendt fysik før. I slutningen af ​​1800-tallet hjalp en præcis forståelse af entropi i form af mikroskopiske arrangementer med at bekræfte eksistensen af ​​atomer. I dag er håbet, at hvis forskerne, der beregner kosmologisk entropi på forskellige måder, kan finde ud af præcis, hvilke spørgsmål de svarer på, vil disse tal guide dem mod en lignende forståelse af, hvordan legoklodser af tid og rum hober sig op for at skabe universet, der omgiver os.

"Det, vores beregning gør, er at give enorm ekstra motivation for folk, der forsøger at bygge mikroskopiske teorier om kvantetyngdekraft," sagde Turok. "Fordi udsigten er, at den teori i sidste ende vil forklare universets geometri i stor skala."