Das Universum ist ein reicher und komplexer Ort, aber seine Geometrie ist überraschend einfach. Vielleicht zwingt es uns, die nächste große Revolution in der Physik des Denkens zu vollziehen.
Unser Universum ist eigentlich sehr einfach. Es repräsentiert unsere kosmologischen Theorien, die sich als unangemessen komplex herausstellen. Dieser Gedanke wurde von einem der weltweit führenden theoretischen Physiker geäußert.
Diese Schlussfolgerung mag unlogisch erscheinen. Schließlich muss man, um die wahre Komplexität der Natur vollständig zu verstehen, größer denken, die Dinge detaillierter studieren, neue Variablengleichungen hinzufügen und sich „neue“ und „exotische“ Physik einfallen lassen. Am Ende lernen wir, was dunkle Materie ist und bekommen eine Vorstellung davon, wo sich diese Gravitationswellen verstecken - wenn nur unsere theoretischen Modelle weiterentwickelt und komplexer wären.
"Das ist nicht ganz richtig", sagt Neil Turk, Direktor des Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, Kanada. Ihm zufolge sagt uns das Universum auf seiner größten und kleinsten Skala, dass es in der Tat sehr einfach ist. Um jedoch vollständig zu verstehen, was dies bedeutet, müssen wir die Physik revolutionieren.
In einem Interview mit Discovery News stellte Turok fest, dass die größten Entdeckungen der letzten Jahrzehnte die Struktur des Universums auf kosmologischer und Quantenskala bestätigt haben.
"Im großen Maßstab haben wir eine Karte des gesamten Himmels - einen kosmischen Mikrowellenhintergrund - gezeichnet und die Entwicklung des Universums gemessen, wenn es sich in Abhängigkeit von der Ausdehnung ändert ... und diese Entdeckungen zeigen, dass das Universum erstaunlich einfach ist", sagte er. "Mit anderen Worten, Sie können die Struktur des Universums, seine Geometrie und die Dichte der Materie beschreiben ... Sie können im Wesentlichen alles mit einer Zahl beschreiben." Das faszinierendste Ergebnis dieser Überlegung ist, dass die Beschreibung der Geometrie des Universums mit einer Zahl tatsächlich einfacher ist als die numerische Beschreibung des einfachsten bekannten Atoms - des Wasserstoffatoms. Die Geometrie des Wasserstoffatoms beschreibt 3 Zahlen, die sich aus den Quanteneigenschaften eines Elektrons im Orbit um ein Proton ergeben.
„Es sagt uns im Grunde, dass das Universum glatt ist, aber es hat ein geringes Maß an Schwankungen, die diese Zahl beschreibt. Und das ist alles. Das Universum ist das Einfachste, was wir kennen. “
Auf der anderen Seite geschah etwas Ähnliches, als Physiker auf dem Gebiet von Higgs mit der komplexesten Maschine forschten, die jemals von der Menschheit gebaut wurde - dem Large Hadron Collider. Als Physiker 2012 die historische Entdeckung eines Teilchens im Higgs-Feld, dem Higgs-Boson, vorstellten, stellte sich heraus, dass es sich um einen einfachen Higgs-Typ handelte, der im Standardmodell der Physik beschrieben ist.
"Die Natur hat mit einer minimalen Lösung und einem minimalen Mechanismus einen Ausweg gefunden, den man sich vorstellen kann, um Partikelmassen, elektrische Ladungen usw. zu erhalten", sagte Turk.
Die Physiker des 20. Jahrhunderts haben uns gelehrt, dass sobald Sie eine höhere Genauigkeit erreichen und die Sonde tiefer in die Quantensphäre senken, Sie einen Zoo neuer Teilchen vorfinden. Da die experimentellen Ergebnisse die Großzügigkeit von Quanteninformationen erzeugen, sagten theoretische Modelle mehr ausgefallene Teilchen und Kräfte voraus. Aber jetzt sind wir an einem Scheideweg angelangt, an dem sich viele unserer fortgeschrittensten theoretischen Vorstellungen darüber, was „hinter“ unserem gegenwärtigen Verständnis der Physik liegt, auf experimentelle Ergebnisse stützen, die ihre Vorhersagen stützen. "Wir befinden uns in einer so seltsamen Situation, als das Universum zu uns spricht und uns mitteilt, dass diese sehr einfachen Theorien, die (in den letzten 100 Jahren der Physik) populär waren, immer komplexer und willkürlicher werden", sagte er. .
Turk wies auf die Stringtheorie hin, die als "endgültige Einheitstheorie" dargelegt wurde und die alle Geheimnisse des Universums in einem ordentlichen Paket präsentierte. Darüber hinaus die Suche nach Hinweisen auf die Inflation - die rasche Expansion des Universums unmittelbar nach dem Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren - in Form von im kosmischen Mikrowellenhintergrund (CMB) eingravierten primären Gravitationswellen oder dem „Echo“ des Urknalls. Aber während wir nach experimentellen Beweisen suchen, greifen wir weiterhin das Sprichwort auf; experimentelle Daten stimmen einfach nicht mit unseren unerträglich komplexen Theorien überein.
Unsere kosmischen Ursprünge
Die theoretische Arbeit des Türken konzentriert sich auf den Ursprung des Universums, ein Thema, das in den letzten Monaten viel Aufmerksamkeit erlangt hat.
Im vergangenen Jahr kündigte die Organisation BICEP2, die ein am Südpol gelegenes Teleskop zur Untersuchung des CMB einsetzt, die Entdeckung primärer Gravitationssignale aus den Echos des Urknalls an. Tatsächlich ist dies der „Heilige Gral“ der Kosmologie - die Entdeckung von Gravitationswellen, die durch den Urknall erzeugt wurden. Dies könnte bestimmte inflationäre Theorien des Universums bestätigen. Leider kündigten sie für das BICEP2-Team die „Entdeckung“ vorzeitig an und das Planck-Weltraumteleskop (das auch die CMB-Strahlung verfolgt) zeigte, dass das BICEP2-Signal durch Staub in unserer Galaxie und nicht durch uralte Gravitationswellen verursacht wurde. Was tun, wenn diese primordialen Gravitationswellen niemals auftreten? Viele Theoretiker, die ihre Hoffnungen auf den Urknall mit einer anschließenden raschen Inflation gesetzt haben, werden enttäuscht sein, aber laut dem Türken "ist dies ein sehr mächtiger Schlüssel", dass der Urknall (im klassischen Sinne) nicht der absolute Anfang des Universums sein kann.
"Das größte Problem für mich war die mathematische Beschreibung des Urknalls", fügte Turk hinzu.
Vielleicht ist dies ein zyklisches Modell der universellen Evolution - wo unser Universum zusammenbricht und wieder zurückprallt - und passt besser zu den Beobachtungen. Diese Modelle erzeugen nicht unbedingt primäre Gravitationswellen. Wenn diese Wellen nicht erkannt werden, sollten unsere Inflationstheorien möglicherweise verworfen oder geändert werden.
In Bezug auf Gravitationswellen, die laut Prognosen als Ergebnis der schnellen Bewegung massereicher Objekte in unserem modernen Universum entstehen, ist Turk zuversichtlich, dass wir den Bereich der Empfindlichkeit erreichen und unsere Gravitationswellendetektoren sie sehr bald erkennen werden, was eine weitere Einstein-Zeit-Vorhersage bestätigt.
"Wir erwarten, dass Gravitationswellen durch Kollisionen von Schwarzen Löchern in den nächsten 5 Jahren auftreten werden", sagte er.
Die nächste Revolution?
Von großen bis zu kleinen Maßstäben scheint das Universum „maßstabsfrei“ zu sein. Und diese Erkenntnis deutet tatsächlich darauf hin, dass das Universum eine viel einfachere Natur hat, als die aktuellen Theorien vermuten lassen. "Ja, das ist eine Krise, aber das ist eine Krise von ihrer besten Seite", sagte Turk.
Um den Ursprung des Universums zu erklären und mit einigen seiner mysteriösesten Geheimnisse wie dunkler Materie und dunkler Energie fertig zu werden, müssen wir unseren Kosmos möglicherweise auf verschiedene Arten betrachten. Dies erfordert eine Revolution in der Physik.
„Wir brauchen eine völlig andere Sichtweise der Grundlagenphysik. Die Zeit für radikale neue Ideen ist gekommen “, schloss er und stellte fest, dass dies eine großartige Zeit in der Geschichte der Menschheit ist, in der junge Menschen auf dem Gebiet der theoretischen Physik beachtet werden müssen. Höchstwahrscheinlich werden sie unsere Sicht auf das Universum verändern.
