Ce dezvăluie teoria finală a lui Stephen Hawking despre originile timpului și ale vieții

Regretatul fizician Stephen Hawking mi-a cerut pentru prima dată să lucrez cu el pentru a dezvolta „o nouă teorie cuantică a Big Bang-ului” în 1998. Ceea ce a început ca un proiect de doctorat a evoluat de-a lungul a aproximativ 20 de ani într-o colaborare intensă care s-a încheiat abia odată cu decesul său în 14 martie 2018.

Enigma din centrul cercetărilor noastre în această perioadă a fost modul cum ar fi putut crea Big Bang-ul condiții atât de perfecte apariției vieții. Răspunsul nostru este publicat într-o nouă carte On the Origin of Time: Stephen Hawking’s Final Theory (Despre originea timpului: teoria finală a lui Stephen Hawking).

Hawking și Hertog. Credit: Thomas Hertog

Întrebările despre originea cosmosului sau universului scot fizică din zona de confort. Cu toate acestea, tocmai aici îi plăcea lui Hawking să se aventureze. Perspectiva – sau speranța – de a rezolva ghicitoarea designului cosmic a condus o mare parte din cercetările lui Hawking în cosmologie.

„A merge cu îndrăzneală acolo unde Star Trek se teme să calce” a fost motto-ul său și, de asemenea, protectorul său de ecran (screen saver).

Căutarea noastră științifică comună a însemnat că ne-am apropiat inevitabil. Fiind în preajma lui, nu puteam să nu fiu influențat de determinarea și optimismul lui că am putea aborda întrebări atât de pline de mister. M-a făcut să simt ca și cum am scrie propria noastră poveste de creație, ceea ce, într-un fel, am făcut.

Pe vremuri, se credea că designul aparent al cosmosului arată că trebuie să existe un proiectant, Dumnezeu. Astăzi, oamenii de știință indică în schimb legile fizicii. Aceste legi au o serie de proprietăți remarcabil de favorabile apariției vieții dacă ne gândim numai la cantitatea de materie și energie din univers, rapoartele delicate ale forțelor sau la numărul de dimensiuni spațiale.

Fizicienii au descoperit că o modificare  a acestor proprietăți chiar și într-o măsură foarte mică conduce la un univers lipsit de viață.

Dar de unde provin legile fizicii?

De la Albert Einstein la Hawking, în lucrarea sa anterioară, majoritatea fizicienilor din secolul al XX-lea au considerat relațiile matematice care stau la baza legilor fizice ca fiind adevăruri eterne. Din această perspectivă, designul aparent al cosmosului este o chestiune de necesitate matematică. Universul este așa cum este pentru că natura nu a avut de ales.

La începutul secolului al XXI-lea, a apărut o altă explicație. Poate că trăim într-un multivers, un spațiu enorm care dă naștere unui mozaic de universuri, fiecare cu propriul său tip de Big Bang și propriile sale legi ale fizicii. Astfel ar avea sens, din punct de vedere statistic, ca unele dintre aceste universuri să fie prietenoase cu viața.

Cu toate acestea, teoriile multiversului s-au confruntat curând cu o serie de paradoxuri și o lipsă de predicții verificabile.

O revoluţie în cosmologie

Putem avea o teorie a universului mai bună decât cea a multiversului?

Da, eu și Hawking am aflat acest lucru, dar numai renunțând la ideea, inerentă cosmologiei multiversului, că teoriile noastre fizice pot avea o viziune a lui Dumnezeu, ca și cum ar fi în afara întregului cosmos.

Este evident că teoria cosmologică trebuie să explice faptul că existăm în univers.

„Nu suntem îngeri care privesc universul din exterior”, mi-a spus Hawking. „Teoriile noastre nu sunt niciodată decuplate de noi”.

Ne-am propus să regândim cosmologia din perspectiva unui observator. Acest lucru a necesitat adoptarea regulilor ciudate ale mecanicii cuantice, care guvernează microlumea particulelor și atomilor.

Conform mecanicii cuantice, particulele pot fi în mai multe locații posibile în același timp – o proprietate numită suprapunere sau superpoziție. Doar atunci când o particulă este observată, aceasta alege (aleatoriu) o poziție definită. Mecanica cuantică implică, de asemenea, salturi și fluctuații aleatorii, cum ar fi particule care apar din spațiul vid și dispar din nou.

Într-un univers cuantic, așadar, trecutul și viitorul rezultă dintr-o ceață de posibilități prin intermediul unui proces continuu de observare. Astfel de observații cuantice nu trebuie să fie efectuate neapărat de oameni. Mediul și chiar o singură particulă pot „observa”.

Nenumărate astfel de acţiuni cuantice de observație transformă, în mod constant, ceea ce ar putea fi în ceea ce se întâmplă, atrăgând astfel universul tot mai ferm în existență. Și odată ce ceva a fost observat, toate celelalte posibilități devin irelevante.

Regiune de formare a stelelor din galaxia noastră. Credit: NASA, ESA, CSA și STScI

Am descoperit că, atunci când privim înapoi la cele mai timpurii etape ale universului printr-o lentilă cuantică, există un nivel mai profund de evoluție în care chiar și legile fizicii se schimbă și evoluează, sincron cu universul care se formează. Mai mult, această meta-evoluție are un caracter darwinian.

Variația se produce deoarece salturile cuantice aleatorii provoacă abateri frecvente de la ceea ce este cel mai probabil să se întâmple. Selecția are loc pentru că unele dintre aceste abateri pot fi amplificate și „înghețate”, datorită observației cuantice. Interacțiunea dintre aceste două forțe concurente – variația și selecția – în universul primordial a produs un arbore ramificat al legilor fizice.

Rezultatul este o revizuire profundă a fundamentelor cosmologiei. Cosmologii încep de obicei prin a asuma legi și condiții inițiale care existau în momentul Big Bang-ului, apoi iau în considerare modul în care universul de astăzi a evoluat din ele. Noi sugerăm că aceste legi sunt ele însele rezultatul evoluției universului.

Dimensiunile spațiale, forțele și speciile de particule se transmută și se diversifică în cuptorul Big Bang-ului fierbinte, oarecum analog cu felul în care speciile biologice apar miliarde de ani mai târziu și dobândesc forma optimă de-a lungul timpului.

Mai mult, caracterul aleatoriu implicit înseamnă că rezultatul acestei evoluții – setul specific de legi fizice care face universul nostru ceea ce este – poate fi înțeles doar retrospectiv.

Într-un anumit sens, universul timpuriu a fost o suprapunere a unui număr enorm de lumi posibile. Astăzi ne uităm la univers într-un moment în care oamenii, galaxiile și planetele există. Aceasta înseamnă că vedem istoria care a condus la evoluția noastră.

Observăm parametri cu „valori norocoase”, dar greșim să presupunem că aceste valori au fost concepute cumva sau au fost întotdeauna așa.

Problema cu timpul

Cheia ipotezei noastre este că, raționând înapoi în timp, evoluția către mai multă simplitate continuă până la capăt. În cele din urmă, chiar și timpul și legile fizice vor dispărea.

Această viziune rezultă în special din forma holografică a teoriei noastre.

„Principiul holografic” din fizică prezice că, așa cum o hologramă pare să aibă trei dimensiuni atunci când de fapt are doar două dimensiuni, evoluția întregului univers este codificată în mod similar pe o suprafață abstractă, atemporală.

În viziunea noastră timpul și cauzalitatea sunt nişte „caracteristici emergente”, neavând existență anterioară, dar care decurg din interacțiunile dintre nenumărate particule cuantice. Este oarecum similar cu temperatura care rezultă din mișcarea colectivă a atomilor, chiar dacă niciun atom nu are temperatură.

Dacă ne aventurăm înapoi în timp obținem o imagine tot mai mică și mai neclară a hologramei. În cele din urmă, se vor pierde toate informațiile codificate în hologramă. Aceasta ar fi originea timpului – Big Bang-ul.

Timp de aproape un secol, am studiat originea universului pe fundalul stabil al legilor imuabile ale naturii. În schimb, teoria noastră citește istoria universului din interior și ca una care include, în stadiile sale incipiente, genealogia legilor fizice. Nu legile ca atare, ci capacitatea lor de transformare are importanța cea mai mare.

Observațiile cosmologice viitoare ar putea găsi dovezi în acest sens. De exemplu, observațiile de precizie ale undelor gravitaționale – ondulații în țesătura spațiu-timpului – pot dezvălui semnăturile unora dintre primele ramuri ale universului.

Dacă acestea vor fi observate, atunci teoria cosmologică finală a lui Hawking s-ar putea dovedi cea mai mare moștenire științifică a sa.

Traducere după Stephen Hawking and I created has final theory of the cosmos – here’s what it reveals about the origins of time and life