Nasz Wszechświat jest znacznie, znacznie prostszy niż się wydaje.

Będziesz zaskoczony słysząc, że nasz Wszechświat jest właściwie całkiem prosty - nasze teorie kosmologiczne okazują się nieuzasadnione, mówi jeden z czołowych fizyków teoretycznych na świecie. Taki wniosek może wydawać się nielogiczny: w końcu, aby zrozumieć prawdziwą złożoność Natury, trzeba myśleć szerzej, studiować rzeczy na coraz mniejszą skalę, dodawać nowe zmienne do równań, wymyślać „nową” i „egzotyczną” fizykę. Pewnego dnia dowiemy się, czym jest ciemna materia, dowiedz się, gdzie ukrywają się fale grawitacyjne - jeśli tylko nasze modele teoretyczne staną się bardziej rozwinięte i ... bardziej złożone.

Tak nie jest, mówi Neil Turk, dyrektor Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario, Kanada. Według Turoka, jeśli Wszechświat, na największych i najmniejszych skalach, coś nam mówi, chodzi o jego niesamowitą prostotę. Ale aby w pełni to zrozumieć, potrzebujemy rewolucji w fizyce.

W wywiadzie dla Discovery Turk zauważył, że największe odkrycia ostatnich dziesięcioleci potwierdziły strukturę Wszechświata w skalach kosmologicznych i kwantowych..

„Na dużą skalę zmapowaliśmy całe niebo - kosmiczne mikrofalowe tło - i zmierzyliśmy ewolucję Wszechświata, proces jego zmiany, proces jego ekspansji ... i te odkrycia pokazują, że Wszechświat jest zadziwiająco prosty”, mówi. „Innymi słowy, można opisać strukturę Wszechświata , jego geometria, gęstość materii jest tylko jedną liczbą ”.

Najbardziej fascynującym wnioskiem tego argumentu jest to, że łatwiej jest opisać geometrię Wszechświata za pomocą tylko jednej liczby niż opisać numerycznie najprostszy atom, o którym wiemy - atom wodoru. Geometria atomu wodoru jest opisana trzema liczbami, które wynikają z kwantowej charakterystyki elektronu na orbicie wokół protonu..

„Mówi nam, że Wszechświat jest gładki, ale ma niewielki poziom oscylacji, co opisuje ta liczba. To wszystko. Wszechświat jest najprostszą rzeczą, jaką znamy”..

Gdzieś na przeciwległym końcu skali stało się coś podobnego, gdy fizycy zbadali pole Higgsa za pomocą najbardziej złożonej maszyny, jaką kiedykolwiek zbudowali ludzie, Wielki Zderzacz Hadronów. Kiedy w 2012 r. Fizycy historycznie odkryli cząstkę pośrednią bozonu Higgsa, bozon Higgsa, okazało się, że jest to najprostszy typ opisany przez standardowy model cząstek.

„Natura wykorzystuje minimalne rozwiązanie, minimalny mechanizm, który można sobie wyobrazić, aby dać cząstkom ich masę, ładunek elektryczny itd.” - mówi Turk..

Fizycy XX wieku nauczyli nas, że jeśli zwiększysz dokładność i zagłębisz się w świat kwantowy, znajdziesz zoo nowych cząstek. Ponieważ wyniki eksperymentów dały wiele informacji kwantowych, modele teoretyczne przewidywały coraz więcej cząstek i sił. Ale teraz, kiedy doszliśmy do rozdroża, kiedy wiele naszych zaawansowanych teoretycznych poglądów na temat tego, co leży „poza” naszym obecnym zrozumieniem, fizycy oczekują pewnych wyników eksperymentalnych, które potwierdzą przewidywania..

„Znaleźliśmy się w dziwnej sytuacji, gdy Wszechświat przemawia do nas; mówi nam, że jest niezwykle prosty. Jednocześnie popularne teorie (ostatnie 100 lat rozwoju fizyki) stają się coraz bardziej złożone, arbitralne i nieprzewidywalne” mówi.

Turk wskazuje na teorię strun, która została określona jako „ostateczna teoria unifikacji”, owijająca wszystkie tajemnice wszechświata w zgrabne opakowania. A także poszukiwanie dowodów inflacji - szybkiej ekspansji Wszechświata, której doświadczył niemal natychmiast po Wielkim Wybuchu około 14 miliardów lat temu - w postaci pierwotnych fal grawitacyjnych wyrytych na kosmicznym mikrofalowym tle, „echu” Wielkiego Wybuchu. Ale gdy szukamy dowodów eksperymentalnych, trzymamy się słomy; dowody eksperymentalne są po prostu niezgodne z naszymi nieznośnie złożonymi teoriami.

Nasze kosmiczne pochodzenie
Praca teoretyczna Turoka poświęcona jest genezie Wszechświata, tematowi, który w ostatnich miesiącach przyciągnął wiele uwagi..

W ubiegłym roku współpraca BICEP2, która wykorzystuje teleskop umieszczony na biegunie południowym, do badania promieniowania reliktowego, ogłosiła wykrycie sygnałów pierwotnych fal grawitacyjnych. Ten rodzaj „świętego Graala” kosmologii - odkrycie fal grawitacyjnych generowanych przez Wielki Wybuch może potwierdzić inflacyjne teorie Wszechświata. Ale niestety dla zespołu BICEP2, ogłosili „odkrycie”, jeszcze zanim Europejski Planck Space Telescope (który również mapuje tło mikrofalowe) wykazał, że sygnał BICEP2 został spowodowany przez pył w naszej galaktyce, a nie przez starożytne fale grawitacyjne.

Co jeśli pierwotne fale grawitacyjne nigdy nie znajdą? Wielu teoretyków, którzy pokładali swoje nadzieje w Wielkim Wybuchu w późniejszym okresie gwałtownej inflacji, może być rozczarowanych, ale według Turoka „będzie to potężna wskazówka”, że Wielki Wybuch (w klasycznym znaczeniu) może nie być absolutnym początkiem Wszechświata..

„Najtrudniejszą rzeczą dla mnie jest opisanie samego Wielkiego Wybuchu matematycznie”, dodaje Turk..

Być może cykliczny model ewolucji wszechświata - kiedy nasz Wszechświat załamuje się i zaczyna od nowa - będzie lepiej dostosowany do obserwacji. Takie modele niekoniecznie wytwarzają pierwotne fale grawitacyjne, a jeśli te fale nie zostaną wykryte, nasze teorie inflacyjne mogą wymagać poprawy..

Jeśli chodzi o fale grawitacyjne, które według prognoz są wytwarzane przez szybki ruch masywnych obiektów w naszym współczesnym Wszechświecie, Turk jest pewien, że osiągnęliśmy taki stopień czułości, że nasze detektory powinny je wkrótce wykryć, potwierdzając jedną z prognoz Einsteina na temat czasoprzestrzeni. „Oczekujemy, że fale grawitacyjne zaczną się zderzać z czarnymi dziurami w ciągu najbliższych pięciu lat”.

Następna rewolucja?
Od największej skali do najmniejszej, Wszechświat wydaje się być „bezskalowy” - innymi słowy, bez względu na skalę przestrzenną lub energetyczną, na którą patrzysz, nie ma nic „specjalnego” w skali. Wniosek ten przemawia na korzyść faktu, że Wszechświat ma znacznie prostszą naturę niż sugerują współczesne teorie..

„To kryzys, ale kryzys w najlepszym wydaniu” - mówi Turk.

Aby wyjaśnić pochodzenie Wszechświata i pogodzić się z najbardziej tajemniczymi tajemnicami naszego Wszechświata, takimi jak ciemna materia i ciemna energia, być może będziemy musieli spojrzeć na kosmos zupełnie inaczej. Będzie to wymagało rewolucji w rozumieniu fizyki, rewolucyjnego podejścia, porównywalnego siłą do świadomości Einsteina, że ​​przestrzeń i czas są dwiema stronami tej samej monety, kiedy powstała ogólna teoria względności.

„Potrzebujemy zupełnie innego spojrzenia na podstawową fizykę. Nadszedł czas na radykalnie nowe pomysły” - podsumowuje Turk, zauważając, że teraz jest świetny czas dla młodych ludzi na zaangażowanie się w fizykę teoretyczną, ponieważ to następne pokolenie najprawdopodobniej zmieni nasze rozumienie Wszechświata.