Stephen Hawkingi viimane hüpotees — alternatiiv igavesele paisumisele prognoosib lihtsama struktuuriga universumit

Mitme murrangulise hüpoteesi autor Stephen Hawking jättis enne surma endast maha viimase hiilgava geniaalsusevälgatuse. Leuveni katoliikliku ülikooli teadlase Thomas Hertogiga kahasse kirjutatud uurimuses kirjeldas ta oma viimast hüpoteesi universumi tekkimisest.

Teadusajakirjas High Energy Physics ilmunud uurimus pakub, et universum on märksa vähem keerukas kui praeguste multiversumi-teooriate põhjal järeldada võiks. Uurimus keskendub 1979. aastal välja pakutud ja 1981. aastal teadustööks vormistatud kontseptsioonile, mida nimetatakse igaveseks paisumiseks (ingl eternal inflation).

Suurele Paugule järgnes universumi eksponentsiaalse paisumise e inflatsiooni periood. Seejärel paisumine aeglustus ning selle energia muundus aineks ja kiirguseks. Igavese paisumise hüpoteesi järgi peatus või aeglustus paisumine mõnedes universumisoppides, mis tekitas väikesed staatilise ruumi fraktaalsed tupikud. Teistes kosmilistes mullides ei peatu inflatsioon kvantmõjude tõttu aga mitte kunagi, mis toob kaasa lõpmatu hulga multiversumeid.

Selle hüpoteesi kohasel sisaldub kõik, mida me vaadeldavas universumis näeme, ainult ühes taolises mullis, kus paisumine on peatunud, tehes võimalikuks tähtede ja galaktikate tekke.

Ka põline paisumispooldaja taganes ideest

„Tavaliselt prognoosib igavese paisumise teooria, et meie universum on suures plaanis nagu lõpmatu fraktaal, üksteisest paisuva ruumiookeaniga eraldatud sopistunud universumite mosaiik,“ selgitas Hawking. „Eri universumimullides võivad kohalikud füüsika- ja keemiaseadused olla erisugused ning kõik need mullid kokku moodustavad multiversumi. Aga mulle pole mõte multiversumist kunagi meeldinud. Kui eri universumite hulk multiversumis on väga suur või lõpmatu, ei ole seda hüpoteesi võimalik kontrollida.“

Isegi üks igavese paisumise mudeli algupärastest püstitajatest on viimastel aastatel sellest taganenud. Princetoni ülikooli füüsik Paul Steinhardt on avalikult tunnistanud, et hüpotees nihutas ülesande, mida see lahendama pidanuks — viia universumi kirjeldus üleüldisesse vastavusse meie vaatlusandmetega — lihtsalt uude mudelisse.

Hawking ja Hertog väidavad nüüd, et igavese paisumise mudel ei pea paika, kuna Einsteini üldrelatiivsusteooria kaotab kvantmastaapides kehtivuse. „Igavese paisumise hüpoteesi tavapärase tõlgenduse peamine probleem on, et see eeldab taustal eksisteeriva, Einsteini üldrelatiivsusteooriaga kooskõlas areneva universumi olemasolu ja käsitleb kvantfüüsikalisi mõjusid seda ümbritsevate väikeste fluktuatsioonidena (väikeste ajutiste kõrvalekalletena keskväärtusest),“ selgitas Hertog. „Igavese paisumise dünaamika kaotab aga lõhe klassikalise füüsika ja kvantfüüsika vahel. Selle tagajärjel kaotab Einsteini teooria igavesti paisuvas universumis kehtivuse.“

Igavese paisumise hüpotees rajaneb stringiteoorial — ühel raamistikest, mis üritab üldrelatiivsust kvantteooriaga lepitada, asendades osakestefüüsikas punktina kirjeldatavad osakesed tillukeste võnkuvate, ühemõõtmeliste nn stringidega.

Stringiteooria kohaselt järeldub nn holograafilisest printsiibist, et suvaliste mõõtmetega ruumipiirkonda on võimalik kirjeldada vähemamõõtmelisel piirialal. See tähendab, et universum on nagu hologramm, milles kolmemõõtmeliste ruumide füüsikalise reaalsuse saab matemaatiliselt redutseerida kahemõõtmelisteks projektsioonideks nende pinnal.

Hawking ja Hertog töötasid välja holograafilise printsiibi variatsiooni, mis projitseerib ajamõõtme lõputusse paisumisse. See võimaldas neil kontseptsiooni kirjeldada ilma vajaduseta üldrelatiivsuse järele.

See omakorda võimaldas uurijail matemaatiliselt redutseerida igavese paisumise ajatusse olekusse tekkiva universumi ruumilisele pinnale — igavese paisumise hologrammile.

„Universumi arengut ajas tagurpidi mudeldades jõuame ühel hetkel igavese paisumise lävele, kus meile tuttav arusaam ajast kaotab igasuguse tähenduse,“ märkis Hertog.

1983. aastal pakkusid Hawking ja teine füüsik James Hartle välja nn piirituse-hüpoteesi (ingl no boundary theory) ehk „Hartle’i-Hawkingi oleku“ (Hartle-Hawking state). Nad oletasid, et enne Suurt Pauku oli küll olemas ruum, kuid polnud aega. Niisiis, kui universum algas, hakkas see laienema ühest punktist, kuid sellel puudub piir.

Uue hüpoteesi kohaselt oli varajaselt universumil siiski piir. See eeldus võimaldas Hawkingil ja Hertogil tuletada usaldusväärsemaid prognoose meie universumi ülesehituse kohta.

„Me prognoosime, et meie universum on suurtes mastaapides suhteliselt sile ja kõige üldisemas tähenduses lõplik. Niisiis pole selle struktuur fraktaalne,“ leidis Hawking.

Hertog plaanib gravilaineid otsida

Selline tulemus ei tähenda, et multiversumeid ei saa olemas olla, küll aga kahandab nende koguhulga märksa väiksemaks — mis tähendab, et multiversumi-hüpoteesi peaks olema tulevikus lihtsam katseliselt kontrollida, kui teistel füüsikutel õnnestub Hawkingi ja Hertogi tööd korrata ja kinnitada.

Hertog kavatseb hüpoteesi kontrollida, otsides gravitatsioonilaineid, mida igavene paisumine võis tekitada.

Gravilainedetektoriga LIGO tuvastamiseks on need lained liiga suured, kuid tulevikus loodavad garvilaine-interferomeetrid nagu kosmosesse kavandatav LISA, aga ka tulevikus läbi viidavad kosmilise mikrolaine-taustkiirguse uuringud võivad neid tabada.

Uurimus ilmus teadusajakirjas Journal of High Energy Physics ja on täismahus loetav veebilehel arXiv.