Du kommer att bli förvånad över att höra att vårt universum faktiskt är ganska enkelt - det är våra kosmologiska teorier som visar sig vara onödigt komplexa, säger en av världens ledande teoretiska fysiker. En sådan slutsats kan verka ologisk: I slutändan, för att förstå naturens verkliga komplexitet, måste man tänka vidare, studera saker på mindre och mindre skalor, lägga till nya variabler i ekvationer, komma med "ny" och "exotisk" fysik. En dag kommer vi att ta reda på vad mörk materia är, få en uppfattning om var de ovanliga gravitationsvågorna gömmer sig - om bara våra teoretiska modeller blir mer utvecklade och mer … komplexa.
Detta är inte fallet, säger Neil Turok, chef för Perimeter Institute for Theoretical Physics i Ontario, Kanada. Enligt Turok, om universum, på de största och minsta skalorna, berättar någonting, handlar det om dess otroliga enkelhet. Men för att fullt ut förstå detta behöver vi en revolution inom fysiken.
I en intervju med Discovery konstaterade Turok att stora upptäckter under de senaste decennierna har bekräftat universums struktur på kosmologiska och kvanta skalor.
"I stor skala kartlade vi hela himlen - den kosmiska mikrovågsbakgrunden - och mätte universums utveckling, hur det förändrades, hur det expanderade … och dessa upptäckter visar att universum är häpnadsväckande enkelt", säger han. "Med andra ord kan du beskriva universums struktur, dess geometri, materiens densitet med bara ett nummer."
Den mest spännande avhämtningen från detta resonemang är att det är lättare att beskriva universums geometri med bara ett nummer än att numeriskt beskriva den enklaste atomen vi känner, väteatomen. Väteatomens geometri beskrivs av tre siffror som följer av kvantegenskaperna hos en elektron i dess bana kring en proton.
”Detta säger att universum är smidigt, men har en liten fluktuationsnivå, vilket beskrivs av detta nummer. Och det är allt. Universum är det enklaste vi vet."
Någonstans i motsatt ände av skalan hände något liknande när fysiker utforskade Higgs-fältet med den mest komplexa maskin som någonsin byggts av människor, Large Hadron Collider. När fysiker historiskt upptäckte Higgs medlarpartikel, Higgs boson, 2012, visade det sig vara den enklaste typen som beskrivs av standardmodellen för partiklar.
Kampanjvideo:
"Naturen använder den minsta lösningen, den minsta mekanismen som kan tänkas, för att ge partiklar deras massa, deras elektriska laddning, och så vidare," säger Turok.
1900-talets fysiker lärde oss att om du ökar precisionen och fördjupar djupare i kvantvärlden, hittar du en zoo av nya partiklar. Eftersom de experimentella resultaten producerade mycket kvantinformation, förutspådde teoretiska modeller fler och fler partiklar och krafter. Men nu har vi nått en vägkorsning där många av våra avancerade teoretiska idéer om vad som ligger "bortom" vår nuvarande förståelse av fysik väntar på några experimentella resultat som kommer att stödja ovanliga förutsägelser.
”Vi befinner oss i en konstig situation där universum pratar med oss; det säger att det är extremt enkelt. Samtidigt blir de teorier som har varit populära (de senaste 100 åren av fysik) mer komplexa, godtyckliga och oförutsägbara, säger han.
Turken pekar på strängteori, som har betecknats som den "ultimata enhetsteorin", där alla universumets hemligheter är förpackade i ett snyggt paket. Och letade också efter bevis på inflation - den snabba expansionen av universum som det upplevde nästan omedelbart efter Big Bang för 14 miljarder år sedan - i form av primordiala gravitationsvågor etsade i den kosmiska mikrovågsbakgrunden, "ekot" från Big Bang. Men när vi söker experimentella bevis, tar vi tag i sugrör; de experimentella bevisen stämmer helt enkelt inte med våra outhärdligt komplexa teorier.
Vårt kosmiska ursprung
Turoks teoretiska arbete ägnas åt universums ursprung, ett ämne som har fått mycket uppmärksamhet de senaste månaderna.
Förra året meddelade BICEP2-samarbetet, som använder ett teleskop på Sydpolen för att studera CMB, detektering av signaler från primära gravitationsvågor. Detta är en slags "helig gral" av kosmologi - upptäckten av gravitationella vågor som genereras av Big Bang kan bekräfta universitetens inflationsteorier. Olyckligtvis för BICEP2-teamet tillkännagav de "upptäckten" redan innan European Planck Space Telescope (som också kartlägger mikrovågsbakgrunden) visade att BICEP2-signalen orsakades av damm i vår galax, inte antika gravitationella vågor.
Vad händer om de gravida vågorna aldrig hittar det? Många teoretiker som har fäst sitt hopp på en Big Bang följt av en period med snabb inflation kan bli besvikna, men enligt Turok "kommer detta att vara ett kraftfullt antydande" att Big Bang (i klassisk mening) kanske inte är universums absoluta början.
"Det svåraste för mig är att beskriva Big Bang själv matematiskt," tillägger Turok.
Kanske skulle en cyklisk modell för universums utveckling - när vårt universum kollapsar och börjar om igen - bättre passa observationer. Sådana ovanliga modeller behöver inte producera primitiva gravitationsvågor, och om dessa vågor inte upptäcks behöver kanske våra inflationsteorier förbättras.
När det gäller gravitationsvågorna som förutses genereras av den snabba rörelsen av massiva föremål i vårt moderna universum, är Turok övertygad om att vi har nått en sådan grad av känslighet att våra detektorer snart bör upptäcka dem, vilket bekräftar en av Einsteins förutsägelser om rymdtid. "Vi räknar med att se gravitationsvågor från kolliderande svarta hål under de kommande fem åren."
Nästa revolution?
Från de största skalorna till de minsta verkar universum vara "skalfria" - med andra ord, oavsett vilken rumslig eller energiskala du tittar på, finns det inget "speciellt" på skalan. Och denna slutsats talar för att universum har en mycket enklare karaktär än vad moderna teorier antyder.
"Det här är en kris, men en kris som bäst," säger Turok.
För att förklara universums ursprung och komma till rätta med några av de mest mystiska mysterierna i vårt universum, som mörk materia och mörk energi, kan vi därför behöva titta på rymden helt annorlunda. Detta kommer att kräva en revolution i förståelsen av fysik, en revolutionerande strategi som är jämförbar i styrka till Einsteins insikt att rymden och tiden är två sidor av samma mynt, när allmän relativitet bildades.
”Vi behöver en helt annan syn på grundläggande fysik. Tiden har kommit för radikalt nya idéer,”avslutar Turok och noterar att det nu är en bra tid för ungdomar att studera teoretisk fysik, eftersom det är nästa generation som troligen kommer att vända vår förståelse för universum.
Ilya Khel