Вселенная – это богатое и сложное место, но его геометрия удивительно простая. Возможно, она заставит нас сделать следующую большую революцию в физике мышления.
Наша Вселенная на самом деле очень проста. Она представляет собой наши космологические теории, которые получаются неоправданно сложными. Такую мысль выразил один из ведущих физиков-теоретиков мира.
Этот вывод может показаться нелогичным. В конце концов, чтобы полностью понять истинную сложность природы, вы должны думать масштабнее, изучать вещи в более детальном виде, добавлять новые переменные уравнений, и придумать «новую» и «экзотическую» физику. В конце концов, мы узнаем, что такое темная материя и получим представление о том, где эти гравитационные волны прячутся - если только наши теоретические модели были более развитыми и более... сложными.
«Это не совсем так», - говорит Нейл Турок, директор Института Периметра Теоретической Физики в Онтарио, Канаде. По его мнению, Вселенная, в ее крупнейших и малых масштабах, говорит нам, что она на самом деле очень проста. Но, чтобы в полной мере осознать, что это значит, мы должны будем произвести революцию в физике.
В интервью с Discovery News, Турок отметил, что самые большие открытия последних десятилетий подтвердили структуру Вселенной в космологических и квантовых масштабах.
«На большие масштабы, мы нанесли карту всего неба - космический микроволновый фон - и измеряли эволюцию Вселенной, так, как она меняется, в зависимости от расширения... и эти открытия показывают, что Вселенная поразительно проста», - сказал он. - «Другими словами, вы можете описать структуру Вселенной, ее геометрию, и плотность вещества... вы можете существенно описать все при помощи одного номера».
Самый захватывающий исход этого рассуждения состоит в том, что описание геометрии Вселенной с одним номером, это на самом деле проще, чем численное описание простейшего атома, который мы знаем – атома водорода. Геометрия атома водорода описывает 3 номера, которые возникают из квантовых характеристик электрона на орбите вокруг протона.
«Это в основном говорит нам, что Вселенная является гладкой, но она имеет небольшой уровень колебаний, которые описывает это число. И это все. Вселенная – это самое простое, что мы знаем».
С другой стороны, нечто подобное произошло, когда физики проводили исследования в поле Хиггса, используя самую сложную машину, когда-либо построенную человечеством - Большой адронный коллайдер. Когда в 2012 году физики внесли историческое открытие частицы в поле Хиггса, бозон Хиггса, это оказался простой тип Хиггса, который описывается в стандартной модели физики.
«Природа нашла выход с минимальным решением и минимальным механизмом, который вы могли себе представить, чтобы придать им массы частиц, электрические заряды и так далее, и так далее», - сказал Турок.
Физики из 20-го века учили нас, как только вы получите более высокую точность, и опустите зонд глубже в квантовую сферу, вы обнаружите зоопарк новых частиц. Так как экспериментальные результаты генерируют щедростью квантовой информации, теоретические модели предсказывали более диковинные частицы и силы. Но теперь мы достигли перекрестка, где многие из наших самых передовых теоретических представлений о том, что лежит «за» нашим текущим пониманием физики, поворачивает до экспериментальных результатов, которые поддерживают свои прогнозы.
«Мы находимся в такой странной ситуации, когда Вселенная разговаривает с нами, сообщая нам, что эти очень простые в то же время теории, которые были популярны (за последние 100 лет физики) становятся все более и более сложным и произвольными», - сказал он.
Турок указал на теорию струн, выставленную в качестве «окончательной единой теории», которая представила все тайны мироздания в аккуратной упаковке. Кроме того, поиск доказательств инфляции - быстрого расширения Вселенной сразу после Большого Взрыва около 14 млрд. лет назад - в виде первичных гравитационных волн, выгравированных в космическом микроволновом фоне (КМФ), или «эхо» Большого взрыва. Но пока мы ищем экспериментальные доказательства, мы продолжаем хвататься за соломинку пословиц; экспериментальные данные просто не согласуются с нашими невыносимо сложными теориями.
Наши Космические Истоки
Теоретическая работа Турок сосредоточена вокруг происхождения Вселенной, предмет, который собрал много внимания в последние месяцы.
В прошлом году организация BICEP2, в которой используется телескоп, расположенный на Южном полюсе, для изучения реликтового излучения, объявила об открытии первичных гравитационных сигналов волн от эха Большого взрыва. По сути это «Святой Грааль» космологии - открытие гравитационных волн, которые были порождены Большим Взрывом. Это смогло бы подтвердить определенные инфляционные теории Вселенной. Но, к сожалению, для команды BICEP2, они объявили «открытие» преждевременно и космический телескоп Планка (что также отслеживает реликтовые излучения) показали, что сигнал BICEP2 был вызван пылью в нашей Галактике, а не древними гравитационными волнами.
Не что делать, если эти исконные гравитационные волны никогда не найдут? Многие теоретики, которые возлагали свои надежды на Большой Взрыв с последующим быстрым периодом инфляции, могут быть разочарованы, но в соответствии с Турок «это очень мощный ключ», что Большой взрыв (в классическом смысле) не может быть абсолютным началом вселенной.
«Самой большой проблемой для меня было описание самого Большого Взрыва математически», - добавил Турок.
Возможно, это циклическая модель универсальной эволюции - где наша Вселенная разрушается и заново отскакивает - может лучше соответствовать наблюдениям. Эти модели не обязательно генерируют первичные гравитационные волны, и если эти волны не обнаружены, возможно, наши инфляционные теории должны быть выброшены или изменены.
Что касается гравитационных волн, которые согласно прогнозам будут получены в результате быстрого движения массивных объектов в нашей современной Вселенной, Турок уверен, что мы достигаем царства чувствительности, что наши детекторы гравитационных волн обнаружат их очень скоро, подтверждающие еще один Эйнштейно-Временной прогноз.
«Мы ожидаем, что гравитационные волны появятся от столкновений черных дыр в течение ближайших 5 лет», - сказал он.
Следующая революция?
От больших масштабов до маленьких, Вселенная кажется «безмасштабной». И эта находка на самом деле предполагает, что Вселенная имеет гораздо более простую природу, чем предполагают нынешние теории.
«Да, это кризис, но это кризис в лучшем виде», - сказал Турок.
Таким образом, чтобы объяснить происхождение Вселенной и прийти к согласию с некоторыми из самых загадочных ее тайн, таких как темная материя и темная энергия, нам, возможно, потребуется смотреть на наш космос по-разному. Для этого нужна революция в физике.
«Нам нужно совсем другое представление о фундаментальной физике. Пришло время для радикальных новых идей», - заключил он, отметив, что это прекрасное время в человеческой истории для молодых людей, чтобы отметиться в области теоретической физики. Скорее всего, они изменят способ, которым мы рассматриваем Вселенную.