Presenečeni boste, ko boste slišali, da je naše vesolje pravzaprav precej preprosto - naše kozmološke teorije se izkažejo za nepotrebno zapletene, pravi eden vodilnih svetovnih teoretičnih fizikov. Tak zaključek se morda zdi nelogičen: na koncu je treba za razumevanje resnične zapletenosti Narave razmišljati širše, stvari preučevati v manjšem in manjšem obsegu, dodajati nove spremenljivke v enačbe, izumljati "novo" in "eksotično" fiziko. Nekega dne bomo ugotovili, kaj je temna snov, in si zamislili, kje se skrivajo nenavadni gravitacijski valovi - če le naši teoretični modeli postanejo bolj razviti in bolj … zapleteni.
Ne gre za to, pravi Neil Turok, direktor Inštituta za teoretično fiziko Perimeter v Ontariu v Kanadi. Po Turokovem mnenju, če nam vesolje na največjih in najmanjših lestvicah kaj pove, gre za njegovo neverjetno preprostost. Da pa to popolnoma razumemo, potrebujemo revolucijo v fiziki.
V intervjuju za Discovery je Turok opozoril, da velika odkritja zadnjih desetletij potrjujejo strukturo Vesolja na kozmoloških in kvantnih lestvicah.
"V velikem obsegu smo preslikali celotno nebo - kozmično mikrovalovno ozadje - in izmerili evolucijo vesolja, kako se je spreminjalo, kako se je širilo … in ta odkritja kažejo, da je vesolje neverjetno preprosto," pravi. "Z drugimi besedami, zgradbo Vesolja, njegovo geometrijo, gostoto materije lahko opišete s samo enim številom."
Najbolj vznemirljiv vzrok tega sklepanja je, da je geometrijo vesolja lažje opisati samo z eno številko, kot pa numerično opisati najpreprostejši atom, ki ga poznamo, atom vodika. Geometrijo vodikovega atoma opisujejo tri številke, ki izhajajo iz kvantnih značilnosti elektrona v njegovi orbiti okoli protona.
"To nam pove, da je vesolje gladko, vendar ima majhno nihanje, kar opisuje ta številka. In to je vse. Vesolje je najpreprostejša stvar, ki jo poznamo."
Nekje na nasprotnem koncu lestvice se je zgodilo nekaj podobnega, ko so fiziki raziskovali Higgsovo polje z uporabo najbolj zapletenega stroja, ki so ga kadar koli zgradili ljudje, Velikega hadronskega trkalnika. Ko so fiziki zgodovinsko odkrili Higgsov mediatorski delček - Higgsov bozon leta 2012, se je izkazalo, da gre za najpreprostejši tip, ki ga opisuje Standardni model delcev.
Promocijski video:
"Narava uporablja najmanjšo raztopino, najmanjši možni mehanizem, da delcem da svojo maso, električni naboj in podobno," pravi Turok.
Fiziki 20. stoletja so nas naučili, da če povečate natančnost in se poglobite globlje v kvantni svet, boste našli živalski vrt novih delcev. Ker so eksperimentalni rezultati prinesli veliko kvantnih informacij, so teoretični modeli napovedovali vse več delcev in sil. Toda zdaj smo dosegli stičišče, kjer številne naše napredne teoretične predstave o tem, kaj je zunaj našega trenutnega razumevanja fizike, čakajo na nekaj eksperimentalnih rezultatov, ki bodo podprli nenavadne napovedi.
„Nahajamo se v nenavadni situaciji, ko nam vesolje govori; pove nam, da je izjemno preprost. Hkrati so priljubljene teorije (zadnjih 100 let fizike) vse bolj zapletene, poljubne in nepredvidljive, «pravi.
Turk opozarja na teorijo strun, ki so jo poimenovali kot "teorijo končnega poenotenja", ki vse skrivnosti vesolja pakira v čeden paket. In tudi iskanje dokazov o inflaciji - hitra širitev vesolja, ki jo je doživela skoraj takoj po velikem udaru pred približno 14 milijardami let - v obliki prvotnih gravitacijskih valov, vrezanih na kozmično mikrovalovno ozadje, "odmev" velikega poka. Ko pa iščemo eksperimentalne dokaze, se opiramo na slamice; se eksperimentalni dokazi preprosto ne strinjajo z našimi neznosno zapletenimi teorijami.
Naš kozmični izvor
Turokovo teoretično delo je posvečeno nastanku vesolja, temi, ki je v zadnjih mesecih dobila veliko pozornosti.
Lani je sodelovanje BICEP2, ki za proučevanje CMB uporablja teleskop na Južnem polu, napovedalo zaznavanje signalov primarnih gravitacijskih valov. To je nekakšen "sveti gral" kozmologije - odkritje gravitacijskih valov, ki jih generira Veliki prasak, lahko potrdi inflacijske teorije vesolja. Na žalost ekipa BICEP2 so napovedala "odkritje" še preden je evropski vesoljski teleskop Planck (ki tudi preslikava mikrovalovno ozadje) pokazal, da signal BICEP2 povzroča prah v naši galaksiji in ne starodavni gravitacijski valovi.
Kaj pa, če ga primordialni gravitacijski valovi nikoli ne najdejo? Številni teoretiki, ki so svoje upanje polagali na Big Bang, ki mu je sledilo obdobje hitre inflacije, so morda razočarani, vendar pa bo po Turokovem mnenju "to močan namig", da Veliki prašek (v klasičnem smislu) morda ni absolutni začetek vesolja.
"Najtežje mi je matematično opisati sam Big Bang," dodaja Turok.
Mogoče bi bil ciklični model evolucije vesolja - ko se naše vesolje zruši in začne znova - bolj ustrezati opazovanjem. Takšnim nenavadnim modelom ni treba proizvajati primordialnih gravitacijskih valov in če teh valov ne zaznamo, je morda treba izboljšati naše inflatorne teorije.
Glede gravitacijskih valov, za katere se predvideva, da jih bodo ustvarili hitri premiki masivnih predmetov v našem sodobnem vesolju, je Turok prepričan, da smo dosegli takšno stopnjo občutljivosti, da bi jih morali naši detektorji kmalu zaznati, kar potrjuje eno od Einsteinovih napovedi o vesolju. "Pričakujemo, da bodo v naslednjih petih letih gravitacijski valovi zaradi trka črnih lukenj videli."
Naslednja revolucija?
Vesolje se zdi od največje lestvice do najmanjše, da je vesolje "breztežno" - z drugimi besedami, ne glede na to, kakšno prostorsko ali energijsko lestvico gledate, na lestvici ni nič posebnega. In ta sklep govori v prid dejstvu, da ima Vesolje veliko bolj preprosto naravo, kot predlagajo sodobne teorije.
"To je kriza, a kriza v najboljšem primeru," pravi Turok.
Tako bi morali, da bi razložili izvor vesolja in se sprijaznili z nekaterimi najbolj skrivnostnimi skrivnostmi našega vesolja, kot sta temna snov in temna energija, na vesolje morda gledati povsem drugače. To bo zahtevalo revolucijo v razumevanju fizike, revolucionarni pristop, ki je po moči primerljiv z Einsteinovim spoznanjem, da sta prostor in čas dve strani istega kovanca, ko se je oblikovala splošna relativnost.
„Potrebujemo popolnoma drugačen pogled na temeljno fiziko. Prišel je čas radikalno novih idej, zaključuje Turok in ugotavlja, da je zdaj pravi čas, da mladi študirajo teoretično fiziko, saj bo naslednje generacije najverjetneje obrnilo naše razumevanje vesolja.
Ilya Khel