Będziesz zaskoczony, słysząc, że nasz wszechświat jest w rzeczywistości dość prosty - to nasze teorie kosmologiczne okazują się niepotrzebnie złożone, mówi jeden z czołowych fizyków teoretycznych na świecie. Wniosek taki może wydawać się nielogiczny: w końcu, aby zrozumieć prawdziwą złożoność Natury, trzeba myśleć szerzej, badać rzeczy w coraz mniejszych skalach, dodawać nowe zmienne do równań, wymyślać „nową” i „egzotyczną” fizykę. Pewnego dnia dowiemy się, czym jest ciemna materia, zorientujemy się, gdzie ukrywają się niezwykłe fale grawitacyjne - gdyby tylko nasze modele teoretyczne stały się bardziej rozwinięte i … złożone.
Tak nie jest, mówi Neil Turok, dyrektor Perimeter Institute for Theoretical Physics w Ontario w Kanadzie. Według Turoka, jeśli wszechświat w największej i najmniejszej skali mówi nam cokolwiek, to chodzi o jego niesamowitą prostotę. Ale aby w pełni to zrozumieć, potrzebujemy rewolucji w fizyce.
W wywiadzie dla Discovery Turok zauważył, że główne odkrycia ostatnich dziesięcioleci potwierdziły strukturę Wszechświata w skali kosmologicznej i kwantowej.
„Na dużą skalę stworzyliśmy mapę całego nieba - kosmicznego mikrofalowego tła - i zmierzyliśmy ewolucję Wszechświata, jak się zmienił, jak rozszerzył się… i te odkrycia pokazują, że wszechświat jest zaskakująco prosty” - mówi. „Innymi słowy, możesz opisać strukturę Wszechświata, jego geometrię, gęstość materii tylko jedną liczbą”.
Najbardziej ekscytującym wnioskiem z tego rozumowania jest to, że łatwiej jest opisać geometrię Wszechświata tylko jedną liczbą, niż opisać numerycznie najprostszy atom, jaki znamy, atom wodoru. Geometrię atomu wodoru opisują trzy liczby, które wynikają z właściwości kwantowych elektronu na jego orbicie wokół protonu.
„To mówi nam, że wszechświat jest gładki, ale ma niewielki poziom fluktuacji, co jest opisane tą liczbą. I to wszystko. Wszechświat to najprostsza rzecz, jaką znamy”.
Gdzieś na drugim końcu skali coś podobnego wydarzyło się, gdy fizycy zbadali pole Higgsa za pomocą najbardziej złożonej maszyny, jaką kiedykolwiek zbudowali ludzie - Wielkiego Zderzacza Hadronów. Kiedy fizycy historycznie odkryli cząsteczkę mediatora Higgsa - bozon Higgsa w 2012 roku - okazało się, że jest to najprostszy typ opisany przez Model Standardowy cząstek.
Film promocyjny:
„Natura używa najmniejszego rozwiązania, najmniejszego mechanizmu, jaki można sobie wyobrazić, aby nadać cząsteczkom ich masę, ładunek elektryczny i tak dalej” - mówi Turok.
Fizycy XX wieku nauczyli nas, że jeśli zwiększysz precyzję i zagłębisz się w świat kwantowy, znajdziesz zoo nowych cząstek. Ponieważ wyniki eksperymentów dostarczyły wielu informacji kwantowych, modele teoretyczne przewidywały coraz więcej cząstek i sił. Ale teraz dotarliśmy do skrzyżowania, gdzie wiele naszych zaawansowanych teoretycznych pomysłów na to, co leży „poza” naszym obecnym rozumieniem fizyki, oczekuje na wyniki eksperymentalne, które potwierdzą niezwykłe przewidywania.
„Znajdujemy się w dziwnej sytuacji, w której przemawia do nas Wszechświat; mówi nam, że jest to niezwykle proste. Jednocześnie teorie, które były popularne (ostatnie 100 lat fizyki) stają się coraz bardziej złożone, arbitralne i nieprzewidywalne”- mówi.
Turek wskazuje na teorię strun, która została nazwana „teorią ostatecznego zjednoczenia”, zawierającą wszystkie sekrety wszechświata w zgrabnym pakiecie. A także poszukiwanie dowodów na inflację - gwałtowną ekspansję 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 kiedy szukamy dowodów eksperymentalnych, chwytamy się bomby; dowody eksperymentalne po prostu nie zgadzają się z naszymi nieznośnie złożonymi teoriami.
Nasze kosmiczne pochodzenie
Prace teoretyczne Turoka poświęcone są pochodzeniu wszechświata, tematowi, któremu w ostatnich miesiącach poświęcono wiele uwagi.
W zeszłym roku zespół BICEP2, który wykorzystuje teleskop na biegunie południowym do badania KMPT, ogłosił wykrycie sygnałów pierwotnej fali grawitacyjnej. To swego rodzaju „święty Graal” kosmologii - odkrycie fal grawitacyjnych generowanych przez Wielki Wybuch może potwierdzić inflacyjne teorie Wszechświata. Na nieszczęście dla zespołu BICEP2 ogłosili „odkrycie” jeszcze zanim Europejski Teleskop Kosmiczny Plancka (który również mapuje tło mikrofalowe) wykazał, że sygnał BICEP2 był spowodowany pyłem w naszej galaktyce, a nie starożytnymi falami grawitacyjnymi.
A co, jeśli pierwotne fale grawitacyjne nigdy go nie znajdą? Wielu teoretyków, którzy pokładali swoje nadzieje w Wielkim Wybuchu, po którym nastąpi okres gwałtownej inflacji, może być rozczarowanych, ale według Turoka „będzie to mocna wskazówka”, że Wielki Wybuch (w klasycznym sensie) może nie być absolutnym początkiem wszechświata.
„Najtrudniejsze jest dla mnie opisanie samego Wielkiego Wybuchu w sposób matematyczny” - dodaje Turok.
Być może cykliczny model ewolucji wszechświata - kiedy nasz wszechświat zapada się i zaczyna od nowa - lepiej pasowałby do obserwacji. Takie niezwykłe modele nie muszą wytwarzać pierwotnych fal grawitacyjnych, a jeśli te fale nie są wykrywane, być może nasze teorie inflacyjne wymagają udoskonalenia.
Jeśli chodzi o fale grawitacyjne, które mają być generowane przez szybki ruch masywnych obiektów we współczesnym wszechświecie, Turok jest przekonany, że osiągnęliśmy taki stopień czułości, że nasze detektory powinny wkrótce je wykryć, potwierdzając jedno z przewidywań Einsteina dotyczących czasoprzestrzeni. „Spodziewamy się, że w ciągu najbliższych pięciu lat zobaczymy fale grawitacyjne zderzające się z czarnymi dziurami”.
Następna rewolucja?
Od największych do najmniejszych skal, wszechświat wydaje się być „bezskalowy” - innymi słowy, bez względu na skalę przestrzenną lub energetyczną, na którą patrzysz, nie ma nic „specjalnego” w tej skali. I ten wniosek przemawia za tym, że Wszechświat ma znacznie prostszą naturę, niż sugerują współczesne teorie.
„To jest kryzys, ale kryzys w najlepszym wydaniu” - mówi Turok.
Tak więc, aby wyjaśnić pochodzenie wszechświata i pogodzić się z niektórymi z najbardziej tajemniczych tajemnic naszego wszechświata, takimi jak ciemna materia i ciemna energia, być może będziemy musieli spojrzeć na przestrzeń zupełnie inaczej. Będzie to wymagało rewolucji w rozumieniu fizyki, rewolucyjnego podejścia porównywalnego pod względem siły z uświadomieniem sobie przez Einsteina, że przestrzeń i czas są dwiema stronami tego samego medalu, gdy ukształtowała się ogólna teoria względności.
„Potrzebujemy zupełnie innego spojrzenia na fundamentalną fizykę. Nadszedł czas na radykalnie nowe pomysły”, podsumowuje Turok, zauważając, że teraz jest świetny czas dla młodych ludzi na studiowanie fizyki teoretycznej, ponieważ to następne pokolenie najprawdopodobniej zmieni nasze rozumienie Wszechświata.
Ilya Khel
