• Monday July 15,2019

Ett universum ur kaos

Anonim

Hur kom universum att vara? Vi vet förstås inte, men vi vet tillräckligt om kosmologi, gravitation och kvantmekanik för att sätta ihop modeller som står en stridschans för att fånga en del av sanningen.

Stephen Hawkings favoritidé är att universum kom ut ur "ingenting" - det uppstod (även om det inte är riktigt ord) som en kvantesvängning med bokstavligen ingen existerande stat. Inget utrymme, ingen tid, inget. Men det finns en annan idé som är minst lika trolig: att universum uppstod av något, men att "någonting" var helt enkelt "kaos", vad det än betyder i samband med kvantvikt. Rymd, tid och energi, ja; men ingen order, inget särskilt arrangemang.

Det är en gammal idé, går åtminstone till Lucretius och övertygades av David Hume och Ludwig Boltzmann. Ingen av dessa killar visste naturligtvis mycket av vår moderna förståelse av kosmologi, gravitation och kvantmekanik. Så hur skulle den moderna versionen se ut?

Det är frågan som Anthony Aguirre, Matt Johnson och jag tacklade i ett papper som just visade sig på arxiv. (Båda mina medarbetare har också varit gästbloggar här på CV.)

Av jämvikt: förstå kosmologisk utveckling till lägre entropi stater
Anthony Aguirre, Sean M. Carroll, Matthew C. Johnson

Trots betydelsen av Thermodynamikens andra lag är det inte absolut. Statistisk mekanik innebär att system i närheten av jämvikt, med tanke på tillräcklig tid, kommer spontant att fluktuera till lägre entropi tillstånd, lokalt vända termodynamiska pilen av tiden. Vi studerar tidens utveckling av sådana fluktuationer, särskilt de mycket stora fluktuationerna som är relevanta för kosmologin. Under ganska allmänna antaganden är den mest sannolika historien av en fluktuation ur jämvikten helt enkelt CPT-konjugatet av det mest troliga sättet att ett system slappnar tillbaka till jämvikt. Vi använder den här ideen för att belysa rymdstrukturen för olika fluktuationer i (stabilt och metastabilt) de Sitter space och termiskt anti-de Sitter space.

Det var Boltzmann som för länge sedan insåg att den andra lagen, som säger att entropin för ett slutet system aldrig minskar, är inte en absolut "lag". Det är bara ett uttalande om överväldigande sannolikhet: det finns så många fler sätt att vara hög entropi (kaotisk, oordning) än att vara låg entropi (ordnad, ordnad) att nästan vad som helst ett system kan göra kommer att flytta det mot högre entropi. Men inte absolut någonting; vi kan föreställa oss mycket, mycket osannolika händelser där entropi faktiskt går ner.

Faktum är att vi kan göra bättre än att bara föreställa oss: Detta har observerats i labbet. Sannolikheten för att entropi kommer att öka snarare än att minska minskar, när du överväger större och större system. Så om du vill göra ett experiment som sannolikt kommer att observera en sådan sak vill du arbeta med bara en handfull partiklar, vilket är vad experimenter lyckades göra under 2002. Men Boltzmann lär oss än något system, oavsett hur stor, kommer så småningom att fluktuera till ett lägre entropi tillstånd om vi väntar tillräckligt länge. Så vad händer om vi väntar för alltid?

Det är möjligt att vi inte kan vänta för evigt, förstås; kanske universum spenderar bara en begränsad tid i ett livligt skick som vi ser omkring oss, innan vi går ner till en riktigt stabil jämvikt som aldrig fluktuerar. Men så långt vi vet idag är det lika rimligt att föreställa sig att det varar för evigt och att det alltid varierar. Det här är en lång historia, men ett universum domineras av en positiv kosmologisk konstant (mörk energi som aldrig bleknar bort) beter sig mycket som en låda med gas vid en fast temperatur. Vårt universum verkar vara på väg i den riktningen; om det stannar där, kommer vi att ha fluktuationer för all evighet.

Vilket innebär att tomt utrymme i slutändan kommer att fluktuera in - ja, vad som helst, verkligen. Inklusive ett helt universum.

Denna grundläggande historia har varit känd under en tid. Vad Anthony och Matt och jag har försökt lägga till är en relativt detaljerad historia om hur en sådan fluktuation faktiskt fortskrider - vad händer under vägen från fullständigt kaos (tomt utrymme med vakuumenergi) till något organiserat som ett universum. Vårt svar är enkelt: det mest troliga sättet att gå från hög entropi kaos till låg entropi ordning är precis som det vanliga sättet att systemen utvecklas från låg entropi till höga, bara spelade bakåt i tiden.

Här är ett utdrag ur papperet:

Det viktigaste argumentet vi vill utforska i detta dokument kan illustreras med ett enkelt exempel. Tänk på en isbit i ett glas vatten. För tankexperiment, föreställ dig att glaset av vatten är helt isolerat från resten av universum, varar oändligt länge och vi ignorerar tyngdkraften. Konventionell termodynamik förutsäger att isbiten smälter, och inom några minuter kommer vi att få ett något kallare glas vatten. Men om vi väntar tillräckligt länge.

statistisk mekanik förutsäger att isbiten så småningom kommer att omformas. Om vi ​​skulle se en sådan mirakulös händelse är det centrala kravet på detta papper att tidsutvecklingen av ombildningen av iskuben med hög sannolikhet kommer att vara ungefär lika med tidsomkastningen av processen genom att som det ursprungligen smälte. (För en relaterad diskussion på populära nivå, se

Låt oss föreställa oss att du vill vänta tillräckligt länge för att se något som storängen fluktuerar slumpmässigt ur tomt utrymme. Hur kommer det egentligen ut? Det kommer inte bli en plötslig WHAM! där ingenting växer till storängen. Snarare kommer det att bli precis som vårt universums observerade historia - bara spelat bakåt. En samling av långvåglängdsfoton kommer gradvis att komma ihop; strålning kommer att fokusera på vissa platser i rymden för att skapa vita hål; de vita hålen spottar ut gas och damm som kommer att bilda sig i stjärnor och planeter; strålning kommer att fokusera på stjärnorna, som kommer att bryta ner tunga element i ljusare så småningom kommer all materia att sprida sig när den kontraherar och släpper ut för att skapa en jätte stor crunch. På vägen kommer människor att dö, växa yngre och vara födda; omeletter kommer att omvandlas till ägg; Konstnärer kommer noggrant att ta bort färg från sina canvaser på penslar.

Nu kanske du tror: det är verkligen osannolikt. Och så är det! Men det beror på att fluktuera i Big Bang är oerhört osannolikt. Vad vi argumenterar i papperet är helt enkelt att när du insisterar på att du ska undersöka historier om universum som börjar med hög entropi tomt utrymme och sluta med en entropi Bang, är det mest sannolika sättet att komma dit via en otrolig sekvens av individuellt osannolika händelser. Självklart, för varje gång detta verkligen händer, kommer det att finnas otaliga gånger att det nästan händer, men inte riktigt. Poängen är att vi oändligt har lång tid att vänta - så småningom kommer det vi väntar på kommer att ske.

Och så vad ?, du kanske mycket med rätta frågar. Jo för en sak, föreställer moderna kosmologer ofta enormt långlivade universum, och händelser som detta kommer att ingå i dem, så de borde förstås. Mer konkret är vi givetvis alla intresserade av att förstå varför vårt faktiska universum verkligen har ett låg entropi gränsvillkor vid en tidpunkt (det slut vi brukar kalla "början"). Det finns inget i fysikens lagar som skiljer mellan den svåra historien om fluktuationen i Big Crunch och den helt vanliga historien om att utvecklas borta från Big Bang; den ena är den andra tiden och den fysiska grundlagen fattar inte en riktning av tid. Så vi kanske undrar om processer som dessa hjälper till att förklara det universum vi faktiskt lever i.

Hittills - inte riktigt. Om något, kör vårt arbete hemma (ännu en gång!) Hur ovanligt det är att få ett universum som passerar genom en så låg entropi stat. Så det är fortfarande pussel. Men om vi någonsin kommer att lösa det, kommer det att behålla oss för att förstå hur entropi fungerar så bra som möjligt. Förhoppningsvis är detta papper ett steg i den riktningen.


Intressanta Artiklar

Paris Hilton gör inte drog, hon är en drog.  En värktablett.

Paris Hilton gör inte drog, hon är en drog. En värktablett.

När du tittar på en bild av Paris Hilton känner du dig inte varm och luddig inuti, som om all smärta lämnade din kropp? Om så är fallet har du något gemensamt med manliga möss, för vilka man tittar på en bild av tabloiddronningen har en smärtstillande effekt. Men om du är mer som jag och tittar på en bild av arvingen ger dig heebie jeebies känner du dig bättre när du hör forskare 'förklaring till denna analgetiska effekt: Forskarna misstänker att bilden av Paris är verkligen bara stressar musen ut. De tror att hon är

Ansiktets utveckling: Ett brev till vissa läsare i Tennessee

Ansiktets utveckling: Ett brev till vissa läsare i Tennessee

Något konstigt hände nyligen till mig i Tennessee. Jag var faktiskt inte i Tennessee när det hände. Den främmande härligheten kom från där-faktiskt, från en plats i Tennessee-och så småningom nådde mig upp här i New England. Det började med en kolumn jag skrev i oktoberutgåvan av Discover, om utvecklingen av det mänskliga ansiktet. Ibland skriver

School Spying Update: Distrikt används webbkameror 42 gånger;  FBI på fallet

School Spying Update: Distrikt används webbkameror 42 gånger; FBI på fallet

När vi senast lämnade Lower Merion School District hade tjänstemännen cirkulerat vagnarna och vägrade att öppet diskutera rättegångskostnadsskolans administratörer med fjärråtkomst till webkamerorna i de bärbara datorer som utlämnades till studenter och gör det utan eleverna eller deras föräldrar 'kunskap. Skolan var gan

Forskare identifierar den skyldige som hotar den kinesiska Sturgeon med utrotning

Forskare identifierar den skyldige som hotar den kinesiska Sturgeon med utrotning

Kinas senaste ekonomiska boom har kommit på bekostnad av förorenade landskap och nyutrotningshotade arter, och nu förklarar en ny studie hur en annan art har lämnats ut på utkanten av utrotningen. Den utrotningshotade kinesiska sturgen bor i östra Kina och Gula haven och återvänder till Kinas Yangtze-flod för att gissa. Byggand

Regel nr 1 för bärande kärnhemligheter: Lämna inte bärbar dator i hotellrummet

Regel nr 1 för bärande kärnhemligheter: Lämna inte bärbar dator i hotellrummet

Allvarligt borde inte statliga tjänstemän som är involverade i hemlig verksamhet tvingas sitta genom datasäkerhet 101? Enligt en ny rapport visade en syrisk tjänsteman anmärkningsvärd okunnighet om bästa säkerhetspraxis samtidigt som han bodde i ett posh hotell i London 2006. Officiellt besökte den israeliska underrättelsetjänsten Mossad med misstankar om att han visste någonting om en hemlig kärnvapen reaktor i den syriska öknen på en plats kallad Al Kibar-komplexet. När syran gick

Dessa idioter förstörs av vetenskap

Dessa idioter förstörs av vetenskap

En ny studie från två doktorander vid University of Leicester har bevisat, en gång för alla, att Justin Timberlake inte vet vad han pratar om. I ett kort papper visar eleverna att det är fysiskt omöjligt för en person att gråta en flod. Även om vi gjorde varje person på jorden, såg Titanic samtidigt som vi lyssnade på Sarah McLachlan, och samlade då den ofrånkomliga floden av tårar, hela mänskligheten skulle fortfarande inte fylla en flod. Som en riktmär