Наша Вселенная намного, намного проще, чем кажется
Вы будете удивлены, услышав, что наша Вселенная на самом деле довольно простая — это наши космологические теории оказываются неоправданно сложными, утверждает один из ведущих физиков-теоретиков мира. Такой вывод может показаться нелогичным: в конце концов, чтобы понять истинную сложность Природы, приходится мыслить шире, изучать вещи в более и более мелких масштабах, добавлять новые переменные в уравнения, придумывать «новую» и «экзотическую» физику. Когда-нибудь мы выясним, что такое темная материя, получим представление о том, где прячутся гравитационные волны — если только наши теоретические модели станут более развитыми и более… сложными.
Это не так, говорит Нил Турок, директор Института теоретической физики Периметра в Онтарио, Канада. По мнению Турока, если Вселенная, на самых больших и малых масштабах, о чем-то нам говорит, так это о своей невероятной простоте. Но чтобы в полной мере это осознать, нам необходима революция в физике.
В интервью Discovery Турок отметил, что крупнейшие открытия последних десятилетий подтвердили структуру Вселенной на космологических и квантовых масштабах.
«На крупных масштабах мы составили карту целого неба — космического микроволнового фона — и измерили эволюцию Вселенной, процесс ее изменения, процесс ее расширения… и эти открытия показывают, что Вселенная поразительно проста, — говорит он. — Другими словами, вы можете описать структуру Вселенной, ее геометрию, плотность материи всего одним числом».
Самый захватывающий вывод этого рассуждения в том, что описать геометрию Вселенной всего одним числом проще, чем описать численно простейший из известных нам атомов — атом водорода. Геометрия атома водорода описывается тремя числами, которые вытекают из квантовых характеристики электрона на орбите вокруг протона.
«Это говорит нам, что Вселенная гладкая, но имеет небольшой уровень колебаний, который описывается этим числом. И все. Вселенная — самое простое, что мы знаем».
Где-то там, на противоположном конце масштаба, нечто подобное произошло, когда физики исследовали поле Хиггса, используя самую сложную машину, когда-либо построенную людьми, — Большой адронный коллайдер. Когда в 2012 году физики исторически открыли частицу-посредника поля Хиггса — бозон Хиггса — она оказалась простейшим типом, описываемым Стандартной моделью частиц.
«Природа использует минимальное решение, минимальный механизм, который только можно представить, чтобы дать частицам их массу, их электрический заряд и так далее», — говорит Турок.
Физики 20 века научили нас, что если увеличивать точность и углубляться в квантовый мир, вы обнаружите зоопарк новых частиц. Поскольку экспериментальные результаты производили множество квантовой информации, теоретические модели предсказывали еще больше и больше частиц и сил. Но теперь мы достигли распутья, когда многие из наших передовых теоретических идей о том, что лежит «за пределами» нашего текущего понимания физики, ожидают некоторых экспериментальных результатов, которые подтвердят прогнозы.
«Мы оказались в странной ситуации, когда Вселенная с нами говорит; она говорит нам о том, что она чрезвычайно проста. В то же время теории, которые были популярны (последние 100 лет развития физики), становятся все более сложными, произвольными и непредсказуемыми», — говорит он.
Турок указывает на теорию струн, которая была заявлена как «окончательная теория объединения», упаковывающая все тайны мироздания в аккуратную упаковку. А также на поиск доказательств инфляции — быстрого расширения Вселенной, которое она пережила почти сразу после Большого Взрыва где-то 14 миллиардов лет назад — в форме первичных гравитационных волн, выгравированных на космическом микроволновом фоне, «эхе» Большого Взрыва. Но поскольку мы ищем экспериментальные доказательства, мы хватаемся за соломинку; экспериментальные доказательства просто не согласуются с нашими невыносимо сложными теориями.
Наше космическое происхождение
Теоретическая работа Турока отведена происхождению Вселенной, темой, которая привлекла много внимания в последние месяцы.
В прошлом году коллаборация BICEP2, которая использует телескоп, расположенный на Южном Полюсе, для изучения реликтового излучения, объявила об обнаружении сигналов первичных гравитационных волн. Это своего рода «святой Грааль» космологии — открытие гравитационных волн, порожденных Большим Взрывом, может подтвердить инфляционные теории Вселенной. Но, к сожалению для команды BICEP2, они объявили «открытие» еще до того, как европейской космический телескоп Планка (который тоже составляет карту микроволнового фона) показал, что сигнал BICEP2 был вызван пылью в нашей галактике, а не древними гравитационными волнами.
Что, если первичные гравитационные волны никогда не найдут? Многие теоретики, которые возлагали свои надежды на Большой Взрыв с последующим периодом быстрой инфляции, могут быть разочарованы, но, по словам Турока, «это будет мощным намеком» на то, что Большой Взрыв (в классическом понимании) может не быть абсолютным началом Вселенной.
«Самое сложное для меня — это описать сам Большой Взрыв математически», — добавляет Турок.
Возможно, циклическая модель эволюции вселенной — когда наша Вселенная коллапсирует и начинает заново — будет лучше соответствовать наблюдениям. Таким моделям необязательно производить первичные гравитационные волны, и если эти волны не обнаруживаются, возможно, наши инфляционные теории нуждаются в улучшении.
Что касается гравитационных волн, которые, согласно прогнозам, производятся быстрым движением массивных объектов в нашей современной Вселенной, Турок уверен, что мы достигли такой степени чувствительности, что наши детекторы должны вскоре их обнаружить, подтверждая одно из предсказаний Эйнштейна на тему пространства-времени. «Мы ожидаем увидеть гравитационные волны от столкновений черных дыр в ближайшие пять лет».
Следующая революция?
От крупнейших масштабов до мельчайших, Вселенная кажется «безмасштабной» — другими словами, на какой бы пространственный или энергетический масштаб вы ни взглянули, нет в масштабах ничего «особенного». И этот вывод говорит в пользу того, что у Вселенной куда более простая природа, чем предполагают современные теории.
«Это кризис, но кризис в лучшем виде», — говорит Турок.
Таким образом, чтобы объяснить происхождение Вселенной и прийти к соглашению с некоторыми из самых загадочных тайн нашей Вселенной, вроде темной материи и темной энергии, нам, возможно, придется совершенно иначе взглянуть на космос. Для этого потребуется переворот в понимании физики, революционный подход, по силе сравнимый с эйнштейновским осознанием того, что пространство и время являются двумя сторонами одной медали, когда и была сформирована общая теория относительности.
«Нам нужно совсем другое представление фундаментальной физики. Пришло время для кардинально новых идей», — заключает Турок, отмечая, что сейчас прекрасное время для молодежи заниматься теоретической физикой, поскольку именно следующее поколение, вероятнее всего, перевернет наше понимание Вселенной.