În 2002, Thomas Hertogpe atunci un student teoretic absolvent de fizică, a pășit în biroul lui Stephen Hawking de la Universitatea din Cambridge și a văzut ochii supervizorului său plini de emoție.
Vestea lui Hawking a fost, de asemenea, o mărturisire. Renumitul fizician i-a spus studentului său că cartea sa, „O scurtă istorie a timpului”, a fost greșită, deoarece prezicea un univers steril nepotrivit vieții și dorea ca Hertog să-l ajute să găsească o nouă teorie.
Așadar, în ultimii 16 ani de viață ai lui Hawking, duo-ul, alături de colaborator James Hartlea dezvoltat o nouă explicație pentru cum a apărut universul nostru.
Live Science s-a întâlnit cu Hertog, acum profesor la KU Leuven din Belgia, pentru a discuta despre noua sa carte “Despre originea timpului” (Penguin Random House, 2024), colaborarea sa de zeci de ani cu Hawking și viziunea darwiniană uluitoare asupra originilor universului pe care munca lor a produs-o în cele din urmă.
Ben Turner: Când l-ai cunoscut pe Stephen Hawking, a început să creadă că imaginea originilor universului pe care o prezentase anterior în „O scurtă istorie a timpului” era eronată și a vrut să caute o nouă teorie. Pentru cititorii care ar putea să nu știe, care este concepția standard despre cum a început universul nostru?
Thomas Hertog: Cu siguranță, ceea ce este standard este că a existat un fel de Big Bang – un început violent, extrem de ciudat. Ceea ce a fost o provocare este să descriem ce sa întâmplat exact la Big Bang.
Care este noutatea contribuției lui Hawking în „O scurtă istorie a timpului?” Care a fost ideea cheie pe care a invocat-o? El a venit cu un model matematic al începutului real în celebra sa „propunere fără limită”, în care Big Bang-ul este o adevărată origine.
Din păcate, modelul lui Hawking nu a produs un univers locuibil. Era, în schimb, un univers gol — fără stele, fără galaxii și fără viață. Așa că, după cum spuneți, la sfârșitul anilor ’90, Hawking și-a dat seama că era o problemă cu modelul său.
BT: Un răspuns popular despre modul în care s-ar fi putut forma universul nostru locuibil este că Big Bang-ul a dus la o inflație cosmică eternă cu diferite zone de expansiune spațiu-timp – un multivers – și că universul nostru se întâmplă să fie unul dintre buzunarele în care legile. de fizică echilibrată în mod corect pentru a produce viață. De ce nu i se potrivea această idee lui Hawking?
TH: Aceste modele multivers nu sunt falsificabile, nici măcar în principiu. Asta nu pentru că nu putem uită-te la universul timpuriu și verifică-l; se datorează faptului că modelele multiversului nu fac predicții clare despre ceea ce ar trebui să vedem în acest univers.
BT: Deci, cum te-ai cunoscut tu și Hawking și a început să colaborezi? L-ai cunoscut când erai student la master. Cum a fost asta? El era deja o legendă până atunci.
TH: Da, era deja destul de faimos. L-am cunoscut pentru că, ei bine, am crescut în Belgia și nu a existat cosmologie se desfășoară în Belgia la sfârșitul anilor ’90. Stephen și colegii săi, Martin Rees și acei oameni, stabiliseră un fel de mecca pentru cosmologie la Cambridge. Așa că am avut un profesor care mi-a spus: „Uite, dacă ești pasionat de cosmologie, mergi la Cambridge”.
La Cambridge, se știa foarte bine că oricine ajungea în fruntea clasei de master va primi o invitație să meargă să vorbească cu Stephen și asta s-a întâmplat. [to me]. Așa că m-a luat ca doctorand.
Dar, desigur, adevărata colaborare a început mai târziu, când ne-am trezit pe aceeași lungime de undă științifică și ne-am interesat de problemele mai profunde legate de Big Bang. Tocmai sa întâmplat: vă aflați pe aceeași lungime de undă, interesați de aceleași probleme, poate împărtășind un fel de intuiție. În calitate de fizicieni teoreticieni, faceți întotdeauna experimente de gândire unul asupra celuilalt și, după un timp, dezvoltați o înțelegere comună.
BT: Teoriile anterioare ale Big Bang-ului au încadrat universul de parcă l-ar fi privit dintr-o perspectivă „obiectivă” divină. Teoria la care tu și Hawking ați început să lucrați a schimbat această perspectivă către una mai asemănătoare cu a noastră – un observator undeva în univers. Asta te-a făcut să iei mecanica cuantică, precum și teoria corzilor, ca punct de plecare. Ce te-a învățat începutul așa?
TH: Când luați un ochi al lui Dumnezeu al universului, veți căuta o explicație prealabilă a motivului pentru care întregul cosmos ar trebui să facă ceea ce face – un adevăr matematic platonic care planează asupra întregului univers.
Dar când iei ceea ce numești o perspectivă mai umană, o perspectivă a unui observator în univers, este foarte diferit. Veți lua o perspectivă mai istorică. Nu te întrebi: „De ce ar trebui universul să fie așa?” dar „Cum s-a întâmplat totul?”
Dacă folosiți mecanica cuantică pentru a reconstrui acea istorie până la Big Bang, acea perspectivă istorică începe să se desfășoare la nivelul legilor fizicii înseși. Și asta este, desigur, o surpriză. Am crezut că legile fizicii sunt fixe și imuabile, dar dacă te întorci în timp, încep să se simplifice. Într-un fel, încep să se evapore, chiar și structura.
Acea structură, codificată în legile fizicii, începe să dispară până când în cele din urmă – și acesta este cheia ipotezei noastre – chiar și distincția dintre timp și spațiu se estompează. Legile evoluției universului nostru, legile standard ale fizicii, se închid; încetează să mai fie. Fizica însăși dispare.
Este o cotitură darwiniană. În biologie, ne întoarcem de-a lungul arborelui vieții până la originea vieții, iar legile biologiei dispar și ele. Asta pentru că acele legi sunt proprietăți emergente ale evoluției biologice. Pretindem că legile fizicii sunt, de asemenea, proprietăți emergente ale unei evoluții mult mai timpurii.
BT: Asta va părea oamenilor ca fiind foarte ciudat. În biologie, presiunea selectivă joacă rolul de a stimula legile biologice să evolueze. Ce determină legile fizice să evolueze?
TH: Actul de observare în mecanica cuantică. O să mă întrebi: „Dar stai puțin – cine observă?” Pentru că în mod clar, în universul timpuriu, nu există niciun observator uman. Dar știm cu toții că actul de observare în mecanica cuantică vine din mediul însuși – este interacțiunile dintre particule și forțe.
Chiar și un singur foton poate efectua un act de observație în mecanica cuantică. Poate converti o serie de istorii posibile într-o realitate tangibilă, concretă.
BT: Conform teoriei tale, când trecem timpul înapoi la Big Bang, legile fizice se replică asupra lor și timpul însuși își pierde identitatea – asta îi conferă un punct de origine. Lui Einstein nu i-a plăcut în mod deosebit această noțiune. De ce s-a opus?
TH: Când Einstein și contemporanii săi au condus evoluția universului înapoi în timp, ei făceau asta folosind propria teorie a lui Einstein într-o manieră clasică, deterministă. S-au lovit de ceea ce ei numesc singularitate [where the equations describing the universe broke down]. Originea timpului, Big Bang, părea să nu facă parte din știință.
Când Stephen și cu mine am condus evoluția universului înapoi, am făcut-o într-un mod mecanic cuantic. Acest lucru este de acord cu Einstein până când ajungeți la etapele anterioare în care imaginea noastră este foarte, foarte diferită. Legile fizicii nu se strica niciodată cu adevărat [in Hertog, Hartle and Hawking’s picture]; ele doar dispar treptat. Cred că Einstein ar fi de acord cu asta.
BT: Cheia ideii tale că timpul are o origine este că este o proprietate emergentă din interacțiunile multor particule cuantice de la marginea universului observabil. Universul este ca un disc care se extinde spre exterior, iar la marginea acelui disc sunt qubiți, particule care conțin toate informațiile universului. Jocul acestor particule transmite timpul în universul nostru de la cea mai îndepărtată margine – ca o hologramă cosmică. Poți explica puțin mai mult principiul holografic?
TH: Deci modul în care citim trecutul universului este dintr-o perspectivă holografică. Ecranul holografic este o reprezentare abstractă a realității noastre și, pe măsură ce micșorăm din ce în ce mai mult de acel ecran, corespunde întoarcerii în timp. Imaginea devine mai grosieră, pierzi informații, pierzi pixeli, iar Big Bang-ul este limita în care rămâi fără informații. Începutul lumii este într-adevăr un orizont epistemic în care știința (din perspectiva holografică) pur și simplu nu ajunge mai departe.
Și, desigur, asta se potrivește foarte bine cu povestea pe care v-am spus-o mai devreme – că legile fizicii, împreună cu timpul și spațiul, dispar pe măsură ce ajungem la Big Bang, originea fizicii. Implementarea holografică a viziunii noastre a făcut-o să facă clic împreună.
Așa funcționează fizica teoretică. Privind retrospectiv, porniți cu multă intuiție și modelați acest lucru într-un cadru matematic care este consistent și care vă permite în cele din urmă să preziceți noi fenomene. Aici se îndreaptă cercetările actuale: Cum putem testa acest model? Cum putem găsi fosile ale acestei evoluții foarte timpurii?
BT: Aceasta este de fapt următoarea mea întrebare.
TH: [Laughs] m-am temut.
BT: Deci unde ne putem uita? Înainte de fundalul cosmic cu microunde (CMB), universul era complet opac. Cum ne uităm dincolo de acel puf de la microunde?
TH: Fundalul cosmic cu microunde vă oferă o imagine a universului la 380.000 de ani după Big Bang, când a devenit transparent. Dar această fază timpurie a evoluției despre care vorbesc se întâmplă mult mai devreme, așa că trebuie să te uiți [the CMB]. Și nu poți face asta cu lumini, unde electromagnetice.
Dar undele gravitaționale trec prin toate, așa că poți spera să privești mai departe înapoi. În principiu, nu există limită – poți să te uiți până la Big Bang și să deblochezi acest strat mai profund al evoluției.
BT: Spune că suntem capabili. Ce am putea vedea?
TH: Am emis ipoteza. Cum? Ei bine, felul în care îmi imaginez această etapă incipientă este un pic ca un arbore ramificat și diversificat al legilor fizice. Fiecare dintre aceste ramificații este cu adevărat nașterea unui nou tip de forță – o forță se împarte în două cu particule noi și mai multă structură. Unele dintre aceste ramuri sunt destul de violente, vin cu explozii de unde gravitaționale care nu sunt localizate într-un singur loc și apar ca radiație de fundal, la fel ca fundalul cosmic cu microunde.
Este întregul univers în tranziție într-o stare nouă când se răcește și se extinde și este însoțit de o explozie puternică a inflației.
BT: Teoria ta descrie legile fizice care evoluează qui când universul era dens și fierbinte și existau o mulțime de interacțiuni sau „observări” între particule. Dar dacă aceste legi au încă capacitatea de a evolua, are asta vreo implicație asupra modului în care se termină universul?
TH: Răspunsul scurt este, desigur, că nu știu. Dar dacă mă provocați puțin, pot spune ceva foarte speculativ: dacă legile fizicii nu au fost determinate, fixe și imuabile în trecut, este firesc să ne așteptăm să nu fie eterne. Deci, chiar dacă acea evoluție este suprimată acum (pentru că universul este rece), nu este suprimată la infinit. Nu a dispărut.
BT: Am vorbit mult despre intuiție în fizică. Cel pe care l-ați împărtășit cu Hawking a alimentat această colaborare și v-a permis să vă finalizați teoria, chiar dacă Hawking și-a pierdut încet abilitatea de a-și folosi vocea artificială. Cum ai făcut asta?
TH: Este un pic ca și cum ai fi într-o căsătorie, nu? Sau într-adevăr orice relație pe termen lung – vă puteți ghici gândurile unul altuia. Spre sfârșit, asta s-a întâmplat și nouă. Am dezvoltat o intimitate când a fost vorba de cosmologie și problemele ei fundamentale. În etapele ulterioare, am dezvoltat un strat nonverbal de comunicare în care îi puteam lansa întrebări da sau nu lui Stephen și îi puteam citi expresiile faciale.
Acest lucru s-a dezvoltat într-un mod destul de spontan, dar a fost posibil doar pentru că, la sfârșitul anilor ’90 și începutul anilor ’00, am avut niște ani foarte buni în care Stephen a putut vorbi destul de fluent prin sintetizatorul său de vorbire. M-a târât cu adevărat în gândirea lui despre aceste paradoxuri asociate cu multiversul.
BT: Crezi că abilitatea lui de a muta problemele din exterior și de a le intui este ceea ce l-a făcut un fizician atât de mare?
TH: Intuiția lui Stephen s-a întemeiat în 15 ani în care a făcut o mulțime de calcule. Nu i-a venit din ceruri. Și-a luat rădăcinile în primele etape ale carierei sale.
Desigur, există ceva genial care s-a întâmplat la începutul anilor ’80, când și-a pierdut capacitatea de a scrie ecuații. A avut capacitatea și încăpățânarea de a se reeduca pentru a efectua fizica teoretică într-un mod cu totul unic. Era mai bazată pe intuiție, mai îndepărtată de ecuații decât altele și cu capacitatea de a vizualiza forme și geometrii în capul lui. Adevărata lui glorie constă în faptul că, cu acest nou limbaj, a putut ajunge la anumite descoperiri care erau foarte greu de reprodus prin ecuații.
Nota editorului: Acest interviu a fost condensat și editat pentru claritate.