Teleologi er ideen om, at nogle processer i naturen er rettet mod et mål eller en ende. I dag hævdes det ofte, at teleologi er en rest af forældede måder at tænke på årsagssammenhæng på, og at det ikke er kompatibelt med moderne videnskab, fordi det er grundlæggende uprøveligt.
Efter min mening undlader sådanne påstande at tage moderne fysik i betragtning. Kvanteteori involverer en kompleks opfattelse af årsagssammenhæng, og den kan naturligvis inkorporere de endelige betingelser. For at arbejde med de endelige forhold, der ikke pålægges af eksterne agenter, er vi nødt til at flytte ind i kvantekosmologiens område, hvor hele universet behandles som et kvantesystem.
Med dette spørgsmål i tankerne studerede jeg endelige forhold i kvantekosmologi. Jeg fandt, at kosmologier med sådanne forhold generelt forudsiger et univers med accelereret ekspansion. Kosmisk acceleration er en veletableret kendsgerning og også en af de mest forundrende træk ved moderne kosmologi.
Dens forklaring kræver kontroversielle antagelser om ny fysik: enten en meget lille, men ikke-nul kosmologisk konstant, en eksotisk form for stof (mørk energi) eller en radikal modifikation af vores teori om tyngdekraft. Postulatet af en endelig kvantekosmologisk tilstand giver en ny forklaring, der ikke kræver nogen ny fysik.
Lige siden Newton er tidsudviklingen i fysik forstået som et startværdiproblem. Dette betyder, at vi identificerer de oprindelige positioner og momenta for alle partikler i systemet, og derefter løser vi Newtons bevægelsesligninger for at opnå positionerne og momenta på ethvert fremtidigt (eller tidligere) tid.
Det samme gælder for relativistiske teorier, med en undtagelse: de kosmologiske singulariteter med generel relativitet. I kosmologi stopper løsningen af bevægelsesligningerne mod fortiden pludselig efter en endelig tid på Big Bang Singularity. Da intet kan defineres ved singulariteten, er der bogstaveligt talt ingen første betingelse for at udvikle sig fremad i tiden.
En stor motivation for kvantekosmologiforskning er at løse singulariteterne gennem kvanteeffekter. Men kvanteteori bringer sin egen pose med problemer. Tidsudviklingen af kvantetilstanden er meget forskellig fra årsagsudviklingen af klassisk fysik, fordi kvantetilstander ikke udtrykker egenskaber ved individuelle kvantesystemer.
I de fleste fortolkninger af kvanteteori er kvantetilstanden udelukkende et informativt objekt for sandsynlig bogføring. Endvidere har kvantesandsynligheder en naturlig generalisering med både en initial og en endelig kvantetilstand, der beskriver et fysisk system.
Denne generalisering er godt bekræftet eksperimentelt, og den har fundet mange applikationer. I eksperimenter implementeres endelige tilstande via post-udvælgelse, dvs. vi holder kun kørsler af eksperimentet, der opfylder en specifik endelig betingelse.
I kvantekosmologi behandler vi universet som et enkelt, lukket kvantesystem, så enhver indledende eller endelig tilstand skal ses som en komponent i den grundlæggende sandsynlighedsopgave. Det er naturlove, der løser, hvordan universet starter, og hvordan det ender.
Størstedelen af arbejdet med kvantekosmologi fokuserer på at specificere en initial tilstand og ignorerer muligheden for en endelig tilstand. En bemærkelsesværdig undtagelse var Steven Hawkings forskning i 1980’erne, som antydede endelige betingelser for en stor knas, der fuldt ud spejler de første forhold på Big Bang.
Han ville vise, at den termodynamiske pil af tid falder sammen med pilen til kosmologisk ekspansion. Dette virkede ikke, og til sidst gjorde opdagelsen af kosmisk acceleration i slutningen af 1990’erne kosmologier med en stor crunch umulig.
Min analyse startede fra afledningen af den “deterministiske grænse” af kvantesandsynligheder med både indledende og endelige betingelser, som opnås ved gennemsnit af mikroskopiske kvanteprocesser. Hvis vi kun har indledende betingelser, giver den deterministiske grænse ligningerne for klassisk fysik, for eksempel Newtons love.
Jeg afledte de tilsvarende ligninger i nærvær af kvante endelige forhold. Disse ligninger er nye, men de kan stadig udtrykkes med matematikken i klassisk fysik, og de er stort set uafhængige af egenskaberne ved den underliggende kvanteteori. Det sidstnævnte resultat er både heldig og uventet: det muliggør specifikke kosmologiske forudsigelser uden nogen henvisning til meget spekulative kvantetyngdekraftsteorier. Disse fund offentliggøres i tidsskriftet Fysisk gennemgang d.
Det viser sig, at den deterministiske grænse for teleologiske kvante -kosmologier (IE, kvantekosmologiske modeller med både indledende og endelige forhold) generisk beskriver et univers, der gennemgår en accelereret ekspansion.
Universet overgår fra en ikke -accelererende til en accelererende epoke i overensstemmelse med de nylige observationer. Ingen kosmologisk konstant, mørk energi eller ændret tyngdekraftbehov er involveret. Kosmisk acceleration genereres udelukkende ved indførelse af endelige forhold på kvanteniveau. I denne forstand er kosmisk acceleration en ægte makroskopisk kvanteeffekt.
Yderligere forskning er nødvendig for at se, hvordan teleologisk kvantekosmologi er observationsmæssigt i forhold til de alternative beretninger om kosmisk acceleration. En begrænsning af den eksisterende analyse er, at den deterministiske grænse ikke fungerer i nærheden af Big Bang.
For at undersøge det tidlige univers har vi brug for den fulde kvantebeskrivelse. Selv en forenklet model vil gøre det muligt for os at analysere kosmologiske inhomogeniteter i det tidlige univers og derved forbinde med observationer af den kosmiske mikrobølgebaggrund og af primordiale gravitationsbølger.
Denne historie er en del af Science X -dialogen, hvor forskere kan rapportere fund fra deres offentliggjorte forskningsartikler. Besøg denne side for information om Science X -dialogen og hvordan man deltager.