Du vil blive overrasket over at høre, at vores univers faktisk er ganske enkelt - det er vores kosmologiske teorier, der viser sig at være unødvendigt komplekse, siger en af verdens førende teoretiske fysikere. En sådan konklusion kan virke ulogisk: til sidst, for at forstå den sande kompleksitet i naturen, må man tænke bredere, studere ting i mindre og mindre skala, tilføje nye variabler til ligninger, opfinde "ny" og "eksotisk" fysik. En dag vil vi finde ud af, hvad mørk materie er, få en idé om, hvor de usædvanlige gravitationsbølger gemmer sig - hvis kun vores teoretiske modeller bliver mere udviklede og mere … komplekse.
Dette er ikke tilfældet, siger Neil Turok, direktør for Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, Canada. Ifølge Turok, hvis universet på de største og mindste skalaer fortæller os noget, handler det om dets utrolige enkelhed. Men for fuldt ud at forstå dette har vi brug for en revolution inden for fysik.
I et interview med Discovery bemærkede Turok, at de største opdagelser i de seneste årtier har bekræftet universets struktur på kosmologiske og kvante skalaer.
”I stor skala kortlagde vi hele himlen - den kosmiske mikrobølgebaggrund - og målte universets udvikling, hvordan det ændrede sig, hvordan det ekspanderede … og disse opdagelser viser, at universet er overraskende enkelt,” siger han. "Med andre ord kan du beskrive universets struktur, dets geometri, stofets tæthed med kun et tal."
Den mest spændende konklusion af denne ræsonnement er, at det er lettere at beskrive universets geometri med kun et tal end at beskrive numerisk det enkleste atom, vi kender - brintatom. Geometrien for brintatomet er beskrevet af tre tal, der følger af kvanteegenskaberne for et elektron i dets bane omkring en proton.
”Dette fortæller os, at universet er glat, men har et lille svingningsniveau, som er beskrevet af dette tal. Og det er alt. Universet er den enkleste ting, vi kender."
Et sted på den modsatte ende af skalaen skete der noget lignende, da fysikere udforskede Higgs-feltet ved hjælp af den mest komplekse maskine, der nogensinde er blevet bygget af mennesker, den store Hadron Collider. Da fysikere historisk opdagede Higgs-mediatorpartiklen, Higgs boson, i 2012, viste det sig at være den enkleste type beskrevet af standardmodellen for partikler.
Salgsfremmende video:
”Naturen bruger den mindste opløsning, den mindste mekanisme, man kan forestille sig, for at give partikler deres masse, deres elektriske ladning og så videre,” siger Turok.
Fysikere fra det 20. århundrede lærte os, at hvis du øger præcisionen og dykker dybere ned i kvanteverdenen, vil du finde en zoologisk have med nye partikler. Fordi de eksperimentelle resultater frembragte en masse kvanteinformation, forudsagde teoretiske modeller flere og flere partikler og kræfter. Men vi har nu nået en korsvej, hvor mange af vores avancerede teoretiske ideer om, hvad der ligger”ud over” vores nuværende forståelse af fysik, venter på nogle eksperimentelle resultater, der understøtter usædvanlige forudsigelser.
”Vi er i en mærkelig situation, hvor universet taler til os; det fortæller os, at det er ekstremt enkelt. Samtidig bliver de teorier, der har været populære (de sidste 100 års fysik), mere komplekse, vilkårlige og uforudsigelige,”siger han.
Tyrken peger på strengteori, der er blevet betragtet som den "ultimative foreningsteori", der pakker alle universets hemmeligheder i en pæn pakke. Og også på udkig efter tegn på inflation - den hurtige ekspansion af universet, som det oplevede næsten umiddelbart efter Big Bang for ca. 14 milliarder år siden - i form af oprindelige gravitationsbølger indgraveret mod den kosmiske mikrobølgebakgrund, "ekkoet" fra Big Bang. Men når vi søger eksperimentelle bevis, griber vi ved strå; det eksperimentelle bevis stemmer simpelthen ikke med vores uudholdelige komplekse teorier.
Vores kosmiske oprindelse
Turoks teoretiske arbejde er viet til universets oprindelse, et emne, der har fået meget opmærksomhed i de seneste måneder.
Sidste år annoncerede BICEP2-samarbejdet, der bruger et teleskop på Sydpolen til at undersøge CMB, påvisning af signaler fra primære gravitationsbølger. Dette er en slags "hellig gral" af kosmologi - opdagelsen af tyngdekraftsbølger frembragt ved Big Bang kan bekræfte universumets inflationære teorier. Desværre for BICEP2-teamet annoncerede de "opdagelsen", selv før det europæiske Planck-rumteleskop (som også kortlægger mikrobølgebaggrunden) viste, at BICEP2-signalet var forårsaget af støv i vores galakse, ikke gamle tyngdekraftsbølger.
Hvad hvis de oprindelige gravitationsbølger aldrig finder det? Mange teoretikere, der har bundet håb om en Big Bang efterfulgt af en periode med hurtig inflation, kan blive skuffede, men ifølge Turok “vil dette være et stærkt tip” om, at Big Bang (i klassisk forstand) muligvis ikke er universets absolutte begyndelse.
”Det sværeste for mig er at beskrive Big Bang selv matematisk,” tilføjer Turok.
Måske ville en cyklisk model for universets udvikling - når vores univers kollapser og begynder forfra - bedre passe til observationer. Sådanne usædvanlige modeller behøver ikke at producere urbane gravitationsbølger, og hvis disse bølger ikke detekteres, er det nødvendigt, at vores inflationsteorier forbedres.
Hvad angår tyngdekraftsbølgerne, der blev forudsagt at blive genereret af den hurtige bevægelse af massive genstande i vores moderne univers, er Turok overbevist om, at vi har nået en sådan grad af følsomhed, at vores detektorer snart skulle opdage dem, hvilket bekræfter en af Einsteins forudsigelser om rumtid. "Vi forventer at se gravitationsbølger fra kolliderende sorte huller i de næste fem år."
Den næste revolution?
Fra de største skalaer til de mindste ser universet ud til at være "skaleret" - med andre ord, uanset hvilken rumlig eller energiskala du ser på, er der ikke noget "specielt" ved skalaen. Og denne konklusion taler for det faktum, at universet har en meget enklere karakter, end moderne teorier antyder.
”Dette er en krise, men en krise på sit bedste,” siger Turok.
For at forklare universets oprindelse og komme til udtryk med nogle af de mest mystiske mysterier i vores univers, som mørk stof og mørk energi, må vi måske se på rummet helt anderledes. Dette vil kræve en revolution i forståelsen af fysik, en revolutionær tilgang, der kan sammenlignes i styrke med Einsteins erkendelse af, at rum og tid er to sider af den samme mønt, da generel relativitet blev dannet.
”Vi har brug for et helt andet syn på grundlæggende fysik. Tiden er inde for radikalt nye ideer,”afslutter Turok og bemærker, at det nu er en god tid for unge mennesker at studere teoretisk fysik, da det er den næste generation, der sandsynligvis vil vende vores forståelse af universet.
Ilya Khel