Du vil bli overrasket over å høre at universet vårt faktisk er ganske enkelt - det er våre kosmologiske teorier som viser seg å være unødvendig sammensatte, sier en av verdens ledende teoretiske fysikere. En slik konklusjon kan virke ulogisk: til slutt, for å forstå den sanne kompleksiteten i naturen, må man tenke bredere, studere ting i mindre og mindre skala, legge til nye variabler i ligninger, oppfinne "ny" og "eksotisk" fysikk. En dag vil vi finne ut hva mørk materie er, få en ide om hvor uvanlige gravitasjonsbølger gjemmer seg - hvis bare våre teoretiske modeller blir mer utviklede og mer … komplekse.
Dette er ikke tilfelle, sier Neil Turok, direktør for Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, Canada. I følge Turok, hvis universet på de største og minste skalaene forteller oss noe, handler det om dets utrolige enkelhet. Men for å forstå dette helt, trenger vi en revolusjon innen fysikk.
I et intervju med Discovery, bemerket Turok at store funn de siste tiårene har bekreftet strukturen til universet på kosmologiske og kvante skalaer.
"I stor skala kartla vi hele himmelen - den kosmiske mikrobølgebakgrunnen - og målte universets utvikling, hvordan det endret seg, hvordan det ekspanderte … og disse funnene viser at universet er oppsiktsvekkende enkelt," sier han. "Med andre ord kan du beskrive universets struktur, dets geometri, materiens tetthet med bare ett tall."
Den mest spennende takeawayen fra denne begrunnelsen er at det er lettere å beskrive geometrien til universet med bare ett tall enn å beskrive numerisk det enkleste atom vi kjenner, hydrogenatom. Geometrien til hydrogenatom er beskrevet av tre tall som følger av kvanteegenskapene til et elektron i bane rundt et proton.
“Dette forteller oss at universet er glatt, men har et lite svingningsnivå, som er beskrevet av dette tallet. Og det er alt. Universet er det enkleste vi vet."
Et sted i motsatt ende av skalaen skjedde noe lignende da fysikere utforsket Higgs-feltet ved hjelp av den mest komplekse maskinen som noen gang er bygget av mennesker, Large Hadron Collider. Da fysikere historisk oppdaget Higgs mediatorpartikkel, Higgs boson, i 2012, viste det seg å være den enkleste typen som er beskrevet av standardmodellen for partikler.
Salgsfremmende video:
"Naturen bruker den minste løsningen, den minste tenkelige mekanismen, for å gi partiklene deres masse, deres elektriske ladning, og så videre," sier Turok.
Fysikere fra 1900-tallet lærte oss at hvis du øker presisjonen og dykker dypere inn i kvanteverdenen, vil du finne en dyrehage med nye partikler. Fordi de eksperimentelle resultatene ga mye kvanteinformasjon, spådde teoretiske modeller flere og flere partikler og krefter. Men vi har nå nådd et veiskille der mange av våre avanserte teoretiske ideer om hva som ligger "utenfor" vår nåværende forståelse av fysikk, venter på noen eksperimentelle resultater som vil støtte uvanlige spådommer.
”Vi er i en underlig situasjon der universet snakker med oss; det forteller oss at det er ekstremt enkelt. Samtidig blir teoriene som har vært populære (de siste 100 årene av fysikk), blitt mer komplekse, vilkårlige og uforutsigbare, sier han.
Turkene peker på strengteori, som har blitt regnet som den "endelige foreningsteorien", og pakker alle universets hemmeligheter i en pen pakke. Og også for å søke etter bevis på inflasjon - den raske utvidelsen av universet som det opplevde nesten umiddelbart etter Big Bang for 14 milliarder år siden - i form av uregruvegravitasjonsbølger inngravert på den kosmiske mikrobølgebakgrunnen, "ekkoet" fra Big Bang. Men når vi søker eksperimentelle bevis, tar vi tak i sugerør; de eksperimentelle bevisene stemmer ganske enkelt ikke med våre uutholdelig komplekse teorier.
Vår kosmiske opprinnelse
Turoks teoretiske arbeid er viet til universets opprinnelse, et tema som har fått mye oppmerksomhet de siste månedene.
I fjor kunngjorde BICEP2-samarbeidet, som bruker et teleskop ved Sydpolen for å studere CMB, deteksjon av signaler fra primære gravitasjonsbølger. Dette er en slags "hellig gral" av kosmologi - oppdagelsen av gravitasjonsbølger generert av Big Bang kan bekrefte inflasjonsteorier om universet. Dessverre for BICEP2-teamet kunngjorde de "oppdagelsen" allerede før det europeiske Planck-romteleskopet (som også kartlegger mikrobølgebakgrunnen) viste at BICEP2-signalet var forårsaket av støv i vår galakse, ikke gamle tyngdekraftsbølger.
Hva om de tyngdekraftsbølgene aldri finner den? Mange teoretikere som har håpet på en Big Bang etterfulgt av en periode med rask inflasjon kan være skuffet, men ifølge Turok vil “dette være et kraftig hint” om at Big Bang (i klassisk forstand) kanskje ikke er den absolutte begynnelsen av universet.
"Det vanskeligste for meg er å beskrive Big Bang selv matematisk," legger Turok til.
Kanskje en syklisk modell av universets utvikling - når universet vårt kollapser og begynner på nytt - vil passe bedre til observasjoner. Slike uvanlige modeller trenger ikke å produsere urtegravitasjonsbølger, og hvis disse bølgene ikke blir oppdaget, trenger kanskje inflasjonsteoriene våre forbedres.
Når det gjelder tyngdekraftsbølgene som ble spådd å bli generert av den raske bevegelsen av massive gjenstander i vårt moderne univers, er Turok trygg på at vi har nådd en så grad av følsomhet at detektorene våre snart skulle oppdage dem, og bekrefter en av Einsteins spådommer om romtid. "Vi regner med å se gravitasjonsbølger fra kolliderende svarte hull i løpet av de neste fem årene."
Neste revolusjon?
Fra de største skalaene til de minste ser universet ut til å være "skalerbart" - med andre ord, uansett hvilken romlig eller energiskala du ser på, er det ikke noe "spesielt" på skalaen. Og denne konklusjonen taler til fordel for at universet har en mye enklere karakter enn moderne teorier antyder.
"Dette er en krise, men en krise på sitt beste," sier Turok.
For å forklare universets opprinnelse og komme til rette med noen av de mest mystiske mysteriene i vårt univers, som mørk materie og mørk energi, kan det hende vi må se på rommet helt annerledes. Dette vil kreve en revolusjon i forståelsen av fysikk, en revolusjonerende tilnærming som kan sammenlignes i styrke med Einsteins erkjennelse av at rom og tid er to sider av den samme mynten da generell relativitet ble dannet.
“Vi trenger et helt annet syn på grunnleggende fysikk. Tiden er inne for radikalt nye ideer,”avslutter Turok og legger merke til at det nå er en flott tid for unge å studere teoretisk fysikk, siden det er den neste generasjonen som mest sannsynlig vil gjøre vår forståelse av universet bedre.
Ilya Khel
