Het universum is een rijke en complexe plaats, maar de geometrie is verrassend eenvoudig. Misschien zal het ons dwingen om de volgende grote revolutie in de natuurkunde van het denken te maken.
Ons universum is eigenlijk heel simpel. Het vertegenwoordigt onze kosmologische theorieën, die ten onrechte complex zijn. Deze gedachte werd uitgedrukt door een van de toonaangevende theoretische natuurkundigen in de wereld.
Deze conclusie lijkt misschien onlogisch. Immers, om de ware complexiteit van de natuur volledig te begrijpen, moet je groter denken, dingen op een gedetailleerdere manier bestuderen, nieuwe variabele vergelijkingen toevoegen en komen met "nieuwe" en "exotische" natuurkunde. Uiteindelijk leren we wat donkere materie is en krijgen we een idee van waar deze zwaartekrachtsgolven zich verbergen - als alleen onze theoretische modellen meer ontwikkeld en meer ... complex waren.
"Dit is niet helemaal waar", zegt Neil Turk, directeur van het Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, Canada. Volgens hem vertelt het universum, op zijn grootste en kleinste schalen, ons dat het in feite heel eenvoudig is. Maar om volledig te begrijpen wat dit betekent, zullen we een revolutie in de natuurkunde moeten maken.
In een interview met Discovery News merkte Turok op dat de grootste ontdekkingen van de afgelopen decennia de structuur van het universum op kosmologische en kwantumschalen hebben bevestigd.
"Op grote schaal hebben we een kaart van de hele lucht geplot - een kosmische microgolfachtergrond - en de evolutie van het universum gemeten toen het veranderde, afhankelijk van de uitbreiding ... en deze ontdekkingen tonen aan dat het universum verbazingwekkend eenvoudig is," zei hij. "Met andere woorden, je kunt de structuur van het universum beschrijven, de geometrie ervan en de dichtheid van materie ... je kunt in essentie alles beschrijven met één getal." De meest fascinerende uitkomst van deze redenering is dat de beschrijving van de geometrie van het universum met één getal eigenlijk eenvoudiger is dan de numerieke beschrijving van het eenvoudigste atoom dat we kennen - het waterstofatoom. De geometrie van het waterstofatoom beschrijft 3 getallen die ontstaan uit de kwantumkarakteristieken van een elektron in een baan rond een proton.
"Het vertelt ons in feite dat het universum soepel is, maar het heeft een klein niveau van fluctuaties, wat dit aantal beschrijft. En dat is alles. Het universum is het eenvoudigste wat we weten. '
Aan de andere kant gebeurde iets soortgelijks toen natuurkundigen onderzoek op het Higgs-veld uitvoerden met de meest complexe machine die ooit door de mensheid was gebouwd - de Large Hadron Collider. Toen natuurkundigen in 2012 de historische ontdekking van een deeltje introduceerden in het Higgs-veld, het Higgs-deeltje, bleek het een eenvoudig Higgs-type te zijn, dat wordt beschreven in het standaardmodel van de natuurkunde.
"De natuur heeft een uitweg gevonden met een minimale oplossing en een minimaal mechanisme dat je je had kunnen voorstellen om ze deeltjesmassa's, elektrische ladingen, enzovoort, te geven," zei Turk.
Natuurkundigen uit de 20e eeuw leerden ons, zodra je een hogere nauwkeurigheid krijgt, en de sonde dieper in de kwantum bol laat zakken, zul je een dierentuin van nieuwe deeltjes vinden. Omdat de experimentele resultaten de generositeit van kwantuminformatie genereren, voorspelden theoretische modellen meer bizarre deeltjes en krachten. Maar nu hebben we een kruispunt bereikt, waar veel van onze meest geavanceerde theoretische ideeën over wat 'achter' ons huidige begrip van de fysica ligt, veranderen in experimentele resultaten die hun voorspellingen ondersteunen. "We bevinden ons in zo'n vreemde situatie wanneer het Universum tot ons spreekt en ons vertelt dat deze zeer eenvoudige theorieën die populair waren (in de laatste 100 jaar van de fysica) steeds complexer en willekeuriger worden," zei hij. .
Turk wees naar snaartheorie, uiteengezet als een "definitieve verenigde theorie", die alle mysteries van het universum in een nette verpakking presenteerde. Daarnaast is de zoektocht naar bewijs van inflatie - de snelle expansie van het heelal onmiddellijk na de oerknal ongeveer 14 miljard jaar geleden - in de vorm van primaire zwaartekrachtgolven gegraveerd in de kosmische microgolfachtergrond (CMB), of de "echo" van de oerknal. Maar terwijl we op zoek zijn naar experimenteel bewijs, blijven we grijpen naar het spreekwoord; experimentele gegevens komen eenvoudigweg niet overeen met onze ondraaglijk complexe theorieën.
Onze kosmische oorsprong
Het theoretische werk van de Turk is gecentreerd rond de oorsprong van het universum, een onderwerp dat de afgelopen maanden veel aandacht heeft gekregen.
Vorig jaar kondigde de organisatie BICEP2, die een telescoop op de Zuidpool gebruikt, om de CMB te bestuderen, de ontdekking van primaire zwaartekrachtsignalen van de echo's van de oerknal aan. In feite is dit de 'heilige graal' van de kosmologie - de ontdekking van gravitatiegolven die door de oerknal werden gegenereerd. Dit zou bepaalde inflatoire theorieën over het universum kunnen bevestigen. Maar helaas, voor het BICEP2-team, hebben ze de 'ontdekking' voortijdig aangekondigd en de Planck-ruimtetelescoop (die ook de CMB-straling bijhoudt) toonde aan dat het BICEP2-signaal werd veroorzaakt door stof in onze Melkweg en niet door oude zwaartekrachtgolven. Wat te doen als deze oorspronkelijke gravitatiegolven nooit vinden? Veel theoretici die hun hoop vestigden op de oerknal met een daaropvolgende snelle inflatieperiode, zijn misschien teleurgesteld, maar volgens de Turk "dit is een zeer krachtige sleutel", kan de oerknal (in de klassieke betekenis) niet het absolute begin van het universum zijn.
"Het grootste probleem voor mij was de beschrijving van de Big Bang zelf wiskundig," voegde Turk eraan toe.
Misschien is dit een cyclisch model van universele evolutie - waar ons universum weer instort en terugkaatst - past misschien beter bij de waarnemingen. Deze modellen genereren niet noodzakelijkerwijs primaire zwaartekrachtsgolven en als deze golven niet worden gedetecteerd, moeten onze inflatietheorieën misschien worden weggegooid of gewijzigd.
Wat betreft zwaartekrachtgolven, die volgens voorspellingen zullen worden verkregen als gevolg van de snelle beweging van massieve objecten in ons moderne universum, heeft Turk er vertrouwen in dat we het rijk van gevoeligheid zullen bereiken, dat onze zwaartekrachtgolfdetectoren ze zeer snel zullen detecteren, wat een nieuwe Einstein-tijd voorspelling bevestigt.
"We verwachten dat zwaartekrachtsgolven verschijnen door botsingen van zwarte gaten in de komende 5 jaar," zei hij.
Volgende revolutie?
Van grote schalen tot kleine, het universum lijkt "schaalvrij". En deze bevinding suggereert eigenlijk dat het heelal een veel eenvoudigere aard heeft dan de huidige theorieën suggereren. "Ja, dit is een crisis, maar dit is een crisis op zijn best," zei Turk.
Dus, om de oorsprong van het universum te verklaren en enkele mysterieuze geheimen van het universum te leren kennen, zoals donkere materie en donkere energie, moeten we misschien op verschillende manieren naar onze kosmos kijken. Dit vereist een revolutie in de natuurkunde.
"We hebben een compleet andere kijk op de fundamentele natuurkunde nodig. De tijd is gekomen voor radicaal nieuwe ideeën, "besloot hij, erop wijzend dat dit een geweldige tijd in de menselijke geschiedenis is voor jonge mensen om op te merken in het gebied van de theoretische fysica. Hoogst waarschijnlijk veranderen ze de manier waarop we het universum bekijken.
