Наш Всесвіт набагато, набагато простіше, ніж здається

Ви будете здивовані, почувши, що наш Всесвіт насправді досить проста - це наші космологічні теорії виявляються невиправдано складними, стверджує один з провідних фізиків-теоретиків світу. Такий висновок може здатися нелогічним: врешті-решт, щоб зрозуміти справжню складність Природи, доводиться мислити ширше, вивчати речі в більш і більш дрібних масштабах, додавати нові змінні в рівняння, придумувати "нову" і "екзотичну" фізику. Коли-небудь ми з'ясуємо, що таке темна матерія, одержимо уявлення про те, де ховаються гравітаційні хвилі - якщо тільки наші теоретичні моделі стануть більш розвиненими і більш ... складними.

Це не так, каже Ніл Турок, директор Інституту теоретичної фізики Периметра в Онтаріо, Канада. На думку Турока, якщо Всесвіт, на самих великих і малих масштабах, про щось нам говорить, так це про свою неймовірною простоті. Але щоб повною мірою це усвідомити, нам необхідна революція у фізиці.

В інтерв'ю Discovery Турок зазначив, що найбільші відкриття останніх десятиліть підтвердили структуру Всесвіту на космологічних і квантових масштабах.

"На великих масштабах ми склали карту цілого неба - космічного мікрохвильового фону - і виміряли еволюцію Всесвіту, процес її зміни, процес її розширення ... і ці відкриття показують, що Всесвіт разюче проста, - говорить він. - Іншими словами, ви можете описати структуру Всесвіту , її геометрію, щільність матерії всього одним числом ".

Самий захоплюючий висновок цього міркування в тому, що описати геометрію Всесвіту всього одним числом простіше, ніж описати чисельно найпростіший з відомих нам атомів - атом водню. Геометрія атома водню описується трьома числами, які випливають з квантових характеристики електрона на орбіті навколо протона.

"Це говорить нам, що Всесвіт гладка, але має невеликий рівень коливань, який описується цим числом. І все. Всесвіт - найпростіше, що ми знаємо".

Десь там, на протилежному кінці масштабу, щось подібне сталося, коли фізики досліджували поле Хіггса, використовуючи найскладнішу машину, коли-небудь побудовану людьми, - Великий адронний коллайдер. Коли в 2012 році фізики історично відкрили частку-посередника поля Хіггса - бозон Хіггса - вона виявилася найпростішим типом, описуваних Стандартною моделлю частинок.

"Природа використовує мінімальне рішення, мінімальний механізм, який тільки можна уявити, щоб дати частинкам їх масу, їх електричний заряд і так далі", - говорить Турок.

Фізики 20 століття навчили нас, що якщо збільшувати точність і заглиблюватися в квантовий світ, ви виявите зоопарк нових частинок. Оскільки експериментальні результати виробляли безліч квантової інформації, теоретичні моделі передбачали ще більше і більше частинок і сил. Але тепер ми досягли роздоріжжя, коли багато хто з наших передових теоретичних ідей про те, що лежить "за межами" нашого поточного розуміння, фізики очікують деяких експериментальних результатів, які підтвердять прогнози.

"Ми опинилися в дивній ситуації, коли Всесвіт з нами говорить, вона говорить нам про те, що вона надзвичайно проста. У той же час теорії, які були популярні (останні 100 років розвитку фізики), стають все більш складними, довільними і непередбачуваними" , - говорить він.

Турок вказує на теорію струн, яка була заявлена ​​як "остаточна теорія об'єднання", упаковують всі таємниці світобудови в акуратну упаковку. А також на пошук доказів інфляції - швидкого розширення Всесвіту, яке вона пережила майже відразу після Великого Вибуху десь 14 мільярдів років тому - в формі первинних гравітаційних хвиль, вигравіруваних на космічному мікрохвильовому фоні, "луні" Великого Вибуху. Але оскільки ми шукаємо експериментальні докази, ми хапаємося за соломинку; експериментальні докази просто не узгоджуються з нашими нестерпно складними теоріями.

Наше космічне походження
Теоретична робота Турока відведена походженням Всесвіту, темою, яка привернула багато уваги в останні місяці.

У минулому році колаборація BICEP2, яка використовує телескоп, розташований на Південному Полюсі, для вивчення реліктового випромінювання, оголосила про виявлення сигналів первинних гравітаційних хвиль. Це свого роду "святий Грааль" космології - відкриття гравітаційних хвиль, породжених Великим Вибухом, може підтвердити інфляційні теорії Всесвіту. Але, на жаль для команди BICEP2, вони оголосили "відкриття" ще до того, як європейської космічний телескоп Планка (який теж становить карту мікрохвильового фону) показав, що сигнал BICEP2 був викликаний пилом в нашій галактиці, а не стародавніми гравітаційними хвилями.

Що, якщо первинні гравітаційні хвилі ніколи не знайдуть? Багато теоретики, які покладали свої надії на Великий Вибух з подальшим періодом швидкої інфляції, можуть бути розчаровані, але, за словами Турока, "це буде потужним натяком" на те, що Великий Вибух (в класичному розумінні) може не бути абсолютним початком Всесвіту.

"Найскладніше для мене - це описати сам Великий Вибух математично", - додає Турок.

Можливо, циклічна модель еволюції всесвіту - коли наш Всесвіт коллапсирует і починає заново - буде краще відповідати спостереженнями. Таким моделям необов'язково проводити первинні гравітаційні хвилі, і якщо ці хвилі не виявляються, можливо, наші інфляційні теорії потребують поліпшення.

Що стосується гравітаційних хвиль, які, згідно з прогнозами, виробляються швидким рухом масивних об'єктів в нашій сучасній Всесвіту, Турок упевнений, що ми досягли такого ступеня чутливості, що наші детектори повинні незабаром їх виявити, підтверджуючи одне з передбачень Ейнштейна на тему простору-часу. "Ми очікуємо побачити гравітаційні хвилі від зіткнень чорних дір в найближчі п'ять років".

Наступна революція?
Від найбільших масштабів до найдрібніших, Всесвіт здається "безмасштабной" - іншими словами, на який би просторовий або енергетичний масштаб ви не поглянули, немає в масштабах нічого "особливого". І цей висновок говорить на користь того, що у Всесвіті куди простіша природа, ніж припускають сучасні теорії.

"Це криза, але криза в кращому вигляді", - говорить Турок.

Таким чином, щоб пояснити походження Всесвіту і прийти до угоди з деякими з найбільш загадкових таємниць нашого Всесвіту, начебто темної матерії і темної енергії, нам, можливо, доведеться зовсім інакше поглянути на космос. Для цього буде потрібно переворот в розумінні фізики, революційний підхід, за силою можна порівняти з ейнштейнівської усвідомленням того, що простір і час є двома сторонами однієї медалі, коли і була сформована загальна теорія відносності.

"Нам потрібно зовсім інше уявлення фундаментальної фізики. Прийшов час для кардинально нових ідей", - робить висновок Турок, відзначаючи, що зараз прекрасний час для молоді займатися теоретичною фізикою, оскільки саме наступне покоління, найімовірніше, переверне наше розуміння Всесвіту.