Ymmärrät kuullessasi, että maailmankaikkeus on oikeastaan melko yksinkertainen - kosmologiset teoriamme osoittavat tarpeettoman monimutkaisia, sanoo yksi maailman johtavista teoreettisista fyysikoista. Tällainen johtopäätös voi vaikuttaa epäloogiselta: Lopulta luonnon todellisen monimutkaisuuden ymmärtämiseksi on ajateltava laajemmin, tutkittava asioita pienemmissä ja pienemmissä mittakaavoissa, lisättävä yhtälöihin uusia muuttujia, keksittävä "uusi" ja "eksoottinen" fysiikka. Jonain päivänä selvitetään, mikä on tumma aine, saada käsitys siitä, missä epätavalliset painovoima-aallot piiloutuvat - jos vain teoreettiset mallimme kehittyvät ja ovat monimutkaisempia.
Näin ei ole, sanoo Neil Turok, Kanadan Ontarion teoreettisen fysiikan kehän instituutin johtaja. Turokin mukaan jos maailmankaikkeus kertoo suurimmissa ja pienimmissä mittakaavoissa mitä tahansa, kyse on sen uskomattomasta yksinkertaisuudesta. Mutta ymmärtääksemme tämän täysin, tarvitsemme fysiikan vallankumouksen.
Haastattelussa Discoverylle Turok totesi, että viime vuosikymmenien suuret löytöt ovat vahvistaneet maailmankaikkeuden rakenteen kosmologisella ja kvanttivaa'alla.
"Suunnittelimme suurelta osin koko taivaan - kosmisen mikroaaltotaustan - ja mittasimme maailmankaikkeuden evoluutiota, miten se muuttui, miten se laajeni … ja nämä löydöt osoittavat, että maailmankaikkeus on hämmästyttävän yksinkertainen", hän sanoo. "Toisin sanoen voit kuvata maailmankaikkeuden rakenteen, sen geometrian, aineen tiheyden yhdellä numerolla."
Mielenkiintoisin ote tästä päättelystä on, että on helpompaa kuvailla maailmankaikkeuden geometriaa vain yhdellä numerolla kuin kuvata numeerisesti yksinkertaista tiedossa olevaa atomia, vetyatomia. Vetyatomin geometriaa kuvataan kolmella numerolla, jotka seuraavat protonin ympärillä kiertoradallaan olevan elektroni-kvanttiominaisuuksista.
”Tämä kertoo meille, että maailmankaikkeus on sileä, mutta siinä on pieni heilahtelu, jota tämä luku kuvaa. Ja siinä kaikki. Universumi on yksinkertaisin asia, jonka tiedämme."
Jossain asteikon vastakkaisessa päässä, jotain vastaavaa tapahtui, kun fyysikot etsivät Higgs-kenttää monimutkaisimmalla koneella, jonka ihmiset ovat koskaan rakentaneet, Large Hadron Collider. Kun fyysikot löysivät historiallisesti Higgin välittäjähiukkasen - Higgsin bosonin vuonna 2012 -, se osoittautui yksinkertaisimmaksi tyypiksi, jota hiukkasten standardimalli kuvasi.
Mainosvideo:
"Luonto käyttää pienintä ratkaisua, pienintä kuviteltavissa olevaa mekanismia antamaan hiukkasille niiden massan, sähkövarauksen ja niin edelleen", Turok sanoo.
1900-luvun fyysikot opettivat meille, että jos lisäät tarkkuutta ja syvemmälle kvantimaailmaan, löydät eläintarhan uusia hiukkasia. Koska kokeelliset tulokset tuottivat paljon kvantti-informaatiota, teoreettiset mallit ennustivat yhä enemmän hiukkasia ja voimia. Mutta nyt olemme saavuttaneet tienhaaran, jossa monet edistyneemmistä teoreettisista ideoistamme siitä, mikä on”ulkopuolella” nykyisessä fysiikan käsityksessämme, odottavat kokeellisia tuloksia, jotka tukevat epätavallisia ennusteita.
”Olemme omituisessa tilanteessa, jossa maailmankaikkeus puhuu meille; se kertoo meille, että se on erittäin yksinkertainen. Samalla suositut teoriat (viimeisen sadan vuoden fysiikka) ovat muuttumassa monimutkaisemmiksi, mielivaltaisimmiksi ja arvaamattomiksi”, hän sanoo.
Turkkilainen viittaa jousiteoriaan, josta on laskutettu "lopullisena yhdentymisteoriana", pakattaen kaikki maailmankaikkeuden salaisuudet siistiin pakettiin. Ja etsitkö myös todisteita inflaatiosta - maailmankaikkeuden nopeaa laajentumista, jonka se kokenut melkein heti Ison räjähdyksen jälkeen noin 14 miljardia vuotta sitten - kosmalliseen mikroaaltouuni-taustaan syövyttyjen alkeellisten painovoima-aaltojen muodossa, Big Bangin "kaiku". Mutta kun etsimme kokeellista näyttöä, me tartumme olkoihin; kokeellinen näyttö ei yksinkertaisesti ole yhtä mieltä sietämättömästi monimutkaisista teorioistamme.
Kosminen alkuperämme
Turokin teoreettinen työ on omistettu maailmankaikkeuden alkuperälle, aiheelle, joka on saanut viime kuukausina paljon huomiota.
Viime vuonna BICEP2-yhteistyö, joka käyttää kaukoputkea etelänavalla tutkimaan CMB: tä, ilmoitti signaalien havaitsemisesta primaarisilta painovoima-aalloilta. Tämä on eräänlainen kosmologian "pyhä graali" - Ison räjähdyksen tuottamat painovoima-aallot voivat vahvistaa maailmankaikkeuden inflaatioteorioita. Valitettavasti BICEP2-tiimille, he ilmoittivat "löytöstä" jo ennen kuin Euroopan Planck Space Telescope (joka myös kartoittaa mikroaaltouunnan taustaa) osoitti, että BICEP2-signaalin aiheutti galaksissamme oleva pöly, ei muinaiset painovoima-aallot.
Entä jos ensisijaiset gravitaatioaallot eivät koskaan löydä sitä? Monet teoreetikot, jotka ovat kiinnittäneet toiveensa isoon räjähdykseen, jota seuraa nopea inflaatio, voivat olla pettyneitä, mutta Turokin mukaan”tämä on voimakas vihje”, että iso räjähdys (klassisessa mielessä) ei välttämättä ole universumin absoluuttinen alku.
"Minun vaikein asia on kuvata iso räjähdys matemaattisesti", lisää Turok.
Ehkä syklinen malli maailmankaikkeuden evoluutiosta - kun universumimme romahtaa ja alkaa alusta - sopisi paremmin havaintoihin. Tällaisten epätavallisten mallien ei tarvitse tuottaa ensisijaisia gravitaatioaaltoja, ja jos näitä aaltoja ei havaita, ehkä inflaatioteorioita on parannettava.
Mitä tulee painovoima-aaltoihin, joiden ennustetaan syntyvän massiivisten esineiden nopeasta liikkeestä nykymaailmassa, Turok on vakuuttunut siitä, että olemme saavuttaneet sellaisen herkkyysasteen, että ilmaisimidemme pitäisi pian havaita ne, mikä vahvistaa yhden Einsteinin ennusteista avaruusajasta. "Odotamme näkevän painovoima-aallot törmättävistä mustista reikistä seuraavan viiden vuoden aikana."
Seuraava vallankumous?
Suurimmista asteikoista pienimpiin maailmankaikkeus näyttää olevan "mittakaavaton" - toisin sanoen, riippumatta siitä, mitä alueellista tai energiavaakaa tarkastellaan, asteikossa ei ole mitään "erityistä". Ja tämä johtopäätös puhuu sen tosiasian puolesta, että maailmankaikkeudella on paljon yksinkertaisempi luonne kuin modernit teoriat viittaavat.
"Tämä on kriisi, mutta kriisi parhaimmillaan", Turok sanoo.
Siksi, jotta voimme selittää maailmankaikkeuden alkuperää ja tulla selville joidenkin maailmankaikkeuden salaperäisimmistä mysteereistä, kuten tumma aine ja tumma energia, joudumme joutumaan katsomaan avaruutta täysin eri tavalla. Tämä edellyttää vallankumousta fysiikan ymmärtämisessä, vallankumouksellista lähestymistapaa, joka on vahvasti verrattavissa Einsteinin käsitykseen siitä, että tila ja aika ovat saman kolikon kaksi puolta, kun yleinen suhteellisuusteho muodostettiin.
”Tarvitsemme täysin erilaisen näkemyksen perusfysiikasta. On tullut aika radikaalisti uusille ideoille”, päättää Turok ja toteaa, että nuorten on nyt hyvä aika opiskella teoreettista fysiikkaa, koska seuraava sukupolvi kääntää todennäköisesti ymmärryksemme maailmankaikkeudesta.
Ilja Khel