Wszechświat jest bogatym i złożonym miejscem, ale jego geometria jest zaskakująco prosta. Być może zmusi nas to do kolejnej wielkiej rewolucji w fizyce myślenia.
Nasz wszechświat jest w rzeczywistości bardzo prosty. Reprezentuje nasze teorie kosmologiczne, które są niesłusznie złożone. Ta myśl została wyrażona przez jednego z czołowych fizyków teoretycznych na świecie.
Ten wniosek może wydawać się nielogiczny. W końcu, aby w pełni zrozumieć prawdziwą złożoność natury, musisz myśleć bardziej, studiować rzeczy w bardziej szczegółowy sposób, dodawać nowe równania zmiennych i wymyślać „nową” i „egzotyczną” fizykę. W końcu dowiadujemy się, czym jest ciemna materia i wyobraźmy sobie, gdzie ukrywają się te fale grawitacyjne - gdyby tylko nasze modele teoretyczne były bardziej rozwinięte i ... złożone.
„To nie do końca prawda”, mówi Neil Turk, dyrektor Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario, Kanada. Według niego Wszechświat, na swoich największych i najmniejszych skalach, mówi nam, że w rzeczywistości jest bardzo prosty. Ale, aby w pełni zrozumieć, co to znaczy, będziemy musieli dokonać rewolucji w fizyce.
W wywiadzie dla Discovery News Turok zauważył, że największe odkrycia ostatnich dziesięcioleci potwierdziły strukturę Wszechświata w skalach kosmologicznych i kwantowych.
„Na dużą skalę wykreśliliśmy mapę całego nieba - kosmiczne mikrofalowe tło - i zmierzyliśmy ewolucję Wszechświata w miarę jego zmiany, w zależności od rozszerzenia ... i te odkrycia pokazują, że Wszechświat jest zadziwiająco prosty”, powiedział. „Innymi słowy, możesz opisać strukturę Wszechświata, jego geometrię i gęstość materii ... możesz zasadniczo opisać wszystko jednym numerem.” Najbardziej fascynującym wynikiem tego rozumowania jest to, że opis geometrii wszechświata z jedną liczbą jest w rzeczywistości prostszy niż opis numeryczny najprostszego atomu, który znamy - atom wodoru. Geometria atomu wodoru opisuje 3 liczby, które wynikają z właściwości kwantowych elektronu na orbicie wokół protonu.
„Zasadniczo mówi nam, że Wszechświat jest gładki, ale ma niewielki poziom fluktuacji, który ten numer opisuje. I to wszystko. Wszechświat jest najprostszą rzeczą, jaką znamy. ”
Z drugiej strony, coś podobnego wydarzyło się, gdy fizycy przeprowadzili badania w polu Higgsa przy użyciu najbardziej złożonej maszyny kiedykolwiek zbudowanej przez ludzkość - Wielkiego Zderzacza Hadronów. Kiedy w 2012 r. Fizycy przedstawili historyczne odkrycie cząstki w polu Higgsa, bozonu Higgsa, okazało się, że jest to prosty typ Higgsa, opisany w standardowym modelu fizyki.
„Natura znalazła wyjście z minimalnego rozwiązania i minimalnego mechanizmu, który można sobie wyobrazić, aby dać im masy cząstek, ładunki elektryczne itd.” - powiedział Turk.
Fizycy z XX wieku nauczyli nas, jak tylko osiągniesz większą dokładność i opuścisz sondę głębiej w sferę kwantową, znajdziesz zoo nowych cząstek. Ponieważ wyniki eksperymentalne generują hojność informacji kwantowej, modele teoretyczne przewidywały więcej dziwacznych cząstek i sił. Ale teraz doszliśmy do rozdroża, gdzie wiele naszych najbardziej zaawansowanych teoretycznych pomysłów na to, co leży „za” naszym obecnym rozumieniem fizyki, zwraca się do wyników eksperymentalnych, które wspierają ich przewidywania. „Jesteśmy w tak dziwnej sytuacji, gdy Wszechświat przemawia do nas, mówiąc nam, że te bardzo proste teorie, które były popularne (w ciągu ostatnich 100 lat fizyki), stają się coraz bardziej złożone i arbitralne”, powiedział. .
Turk wskazał na teorię strun, przedstawioną jako „ostateczna ujednolicona teoria”, która przedstawiała wszystkie tajemnice wszechświata w zgrabnym opakowaniu. Ponadto poszukiwanie dowodów inflacji - szybkiej ekspansji Wszechświata zaraz po Wielkim Wybuchu około 14 miliardów lat temu - w postaci pierwotnych fal grawitacyjnych wyrytych w kosmicznym mikrofalowym tle (CMB) lub „echo” Wielkiego Wybuchu. Ale gdy szukamy dowodów eksperymentalnych, nadal chwytamy przysłowie; dane eksperymentalne po prostu nie zgadzają się z naszymi nieznośnie złożonymi teoriami.
Nasze kosmiczne pochodzenie
Teoretyczne prace Turka koncentrują się wokół pochodzenia wszechświata, tematu, który wzbudził wiele uwagi w ostatnich miesiącach.
W zeszłym roku organizacja BICEP2, która używa teleskopu znajdującego się na biegunie południowym, do badania CMB, ogłosiła odkrycie pierwotnych sygnałów grawitacyjnych z echa Wielkiego Wybuchu. W rzeczywistości jest to „Święty Graal” kosmologii - odkrycie fal grawitacyjnych, które zostały wygenerowane przez Wielki Wybuch. Może to potwierdzić pewne teorie inflacyjne wszechświata. Niestety, zespół BICEP2 ogłosił przedwcześnie „odkrycie”, a teleskop kosmiczny Planck (który również śledzi promieniowanie CMB) wykazał, że sygnał BICEP2 był spowodowany przez pył w naszej Galaktyce, a nie przez starożytne fale grawitacyjne. Co zrobić, jeśli te pierwotne fale grawitacyjne nigdy nie znajdą? Wielu teoretyków, którzy pokładali swoje nadzieje w Wielkim Wybuchu z późniejszym szybkim okresem inflacji, może być rozczarowanych, ale według Turka „jest to bardzo silny klucz”, że Wielki Wybuch (w klasycznym znaczeniu) nie może być absolutnym początkiem wszechświata.
„Największym problemem dla mnie był matematyczny opis samego Wielkiego Wybuchu” - dodał Turk.
Być może jest to cykliczny model uniwersalnej ewolucji - gdzie nasz Wszechświat się zapada i ponownie się odbija - może lepiej pasować do obserwacji. Modele te niekoniecznie generują podstawowe fale grawitacyjne, a jeśli te fale nie zostaną wykryte, być może nasze teorie inflacji powinny zostać wyrzucone lub zmienione.
Jeśli chodzi o fale grawitacyjne, które zgodnie z prognozami zostaną uzyskane w wyniku szybkiego przemieszczania się masywnych obiektów we współczesnym wszechświecie, Turk jest przekonany, że osiągniemy sferę czułości, że nasze detektory fal grawitacyjnych wykryją je bardzo szybko, potwierdzając kolejną prognozę Einsteina-Czasu.
„Oczekujemy, że fale grawitacyjne pojawią się w wyniku zderzeń czarnych dziur w ciągu najbliższych 5 lat”, powiedział.
Następna rewolucja?
Od dużych skal po małe, Wszechświat wydaje się „wolny od skalowania”. Odkrycie to sugeruje, że Wszechświat ma znacznie prostszą naturę niż sugerują obecne teorie. „Tak, to kryzys, ale to najlepszy kryzys” - powiedział Turk.
Zatem, aby wyjaśnić pochodzenie wszechświata i pogodzić się z niektórymi z jego najbardziej tajemniczych tajemnic, takich jak ciemna materia i ciemna energia, możemy potrzebować innego spojrzenia na nasz kosmos. Wymaga to rewolucji w fizyce.
„Potrzebujemy zupełnie innego spojrzenia na fizykę podstawową. Nadszedł czas na radykalne nowe pomysły - podsumował, zauważając, że jest to świetny czas w historii ludzkości dla młodych ludzi, którzy powinni być zauważeni w dziedzinie fizyki teoretycznej. Najprawdopodobniej zmienią sposób, w jaki postrzegamy wszechświat.
