Sie werden überrascht sein zu hören, dass unser Universum eigentlich recht einfach ist - es sind unsere kosmologischen Theorien, die sich als unnötig komplex herausstellen, sagt einer der weltweit führenden theoretischen Physiker. Eine solche Schlussfolgerung mag unlogisch erscheinen: Um die wahre Komplexität der Natur zu verstehen, muss man am Ende weiter denken, Dinge in immer kleineren Maßstäben studieren, Gleichungen neue Variablen hinzufügen, "neue" und "exotische" Physik erfinden. Eines Tages werden wir herausfinden, was dunkle Materie ist, eine Vorstellung davon bekommen, wo sich die ungewöhnlichen Gravitationswellen verstecken - wenn nur unsere theoretischen Modelle weiter entwickelt und … komplexer werden.
Dies ist nicht der Fall, sagt Neil Turok, Direktor des Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, Kanada. Laut Turok geht es, wenn das Universum auf der größten und kleinsten Skala etwas sagt, um seine unglaubliche Einfachheit. Aber um dies vollständig zu verstehen, brauchen wir eine Revolution in der Physik.
In einem Interview mit Discovery stellte Turok fest, dass wichtige Entdeckungen der letzten Jahrzehnte die Struktur des Universums auf kosmologischen und Quantenskalen bestätigt haben.
"In großem Maßstab haben wir den gesamten Himmel - den kosmischen Mikrowellenhintergrund - kartiert und die Entwicklung des Universums gemessen, wie es sich verändert hat, wie es sich ausgedehnt hat … und diese Entdeckungen zeigen, dass das Universum erstaunlich einfach ist", sagt er. "Mit anderen Worten, Sie können die Struktur des Universums, seine Geometrie, die Dichte der Materie mit nur einer Zahl beschreiben."
Die aufregendste Erkenntnis aus dieser Überlegung ist, dass es einfacher ist, die Geometrie des Universums mit nur einer Zahl zu beschreiben, als das einfachste Atom, das wir kennen, das Wasserstoffatom, numerisch zu beschreiben. Die Geometrie des Wasserstoffatoms wird durch drei Zahlen beschrieben, die sich aus den Quanteneigenschaften eines Elektrons in seiner Umlaufbahn um ein Proton ergeben.
„Dies sagt uns, dass das Universum glatt ist, aber eine geringe Fluktuation aufweist, die durch diese Zahl beschrieben wird. Und alle. Das Universum ist das Einfachste, was wir wissen."
Irgendwo am anderen Ende der Skala passierte etwas Ähnliches, als Physiker das Higgs-Feld mit der komplexesten Maschine erkundeten, die jemals von Menschen gebaut wurde, dem Large Hadron Collider. Als Physiker das Higgs-Mediatorteilchen - das Higgs-Boson im Jahr 2012 - historisch entdeckten, stellte sich heraus, dass es der einfachste Typ ist, der im Standardmodell der Teilchen beschrieben wird.
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„Die Natur verwendet die kleinste Lösung, den kleinsten vorstellbaren Mechanismus, um Partikeln ihre Masse, ihre elektrische Ladung usw. zu verleihen“, sagt Turok.
Die Physiker des 20. Jahrhunderts haben uns gelehrt, dass Sie einen Zoo mit neuen Teilchen finden, wenn Sie die Präzision erhöhen und tiefer in die Quantenwelt eintauchen. Da die experimentellen Ergebnisse viele Quanteninformationen lieferten, sagten theoretische Modelle immer mehr Teilchen und Kräfte voraus. Aber wir haben jetzt einen Scheideweg erreicht, an dem viele unserer fortgeschrittenen theoretischen Vorstellungen darüber, was „jenseits“unseres gegenwärtigen Verständnisses der Physik liegt, auf einige experimentelle Ergebnisse warten, die ungewöhnliche Vorhersagen stützen werden.
„Wir befinden uns in einer seltsamen Situation, in der das Universum mit uns spricht. es sagt uns, dass es extrem einfach ist. Gleichzeitig werden die populären Theorien (die letzten 100 Jahre der Physik) komplexer, willkürlicher und unvorhersehbarer “, sagt er.
Der Türke verweist auf die Stringtheorie, die als "ultimative Vereinigungstheorie" bezeichnet wurde und alle Geheimnisse des Universums in ein ordentliches Paket packt. Und auch nach Hinweisen auf Inflation - die rasche Expansion des Universums, die es fast unmittelbar nach dem Urknall vor etwa 14 Milliarden Jahren erlebte - in Form von ursprünglichen Gravitationswellen, die vor dem kosmischen Mikrowellenhintergrund, dem "Echo" des Urknalls, eingraviert wurden. Aber wenn wir nach experimentellen Beweisen suchen, greifen wir nach Strohhalmen. Die experimentellen Beweise stimmen einfach nicht mit unseren unerträglich komplexen Theorien überein.
Unsere kosmischen Ursprünge
Turoks theoretische Arbeit widmet sich dem Ursprung des Universums, ein Thema, das in den letzten Monaten viel Aufmerksamkeit erhalten hat.
Im vergangenen Jahr kündigte die BICEP2-Kollaboration, bei der ein Teleskop am Südpol zur Untersuchung des CMB verwendet wird, die Erkennung von Signalen von primären Gravitationswellen an. Dies ist eine Art "heiliger Gral" der Kosmologie - die Entdeckung der vom Urknall erzeugten Gravitationswellen kann die Inflationstheorien des Universums bestätigen. Unglücklicherweise für das BICEP2-Team kündigten sie die "Entdeckung" an, noch bevor das Europäische Planck-Weltraumteleskop (das auch den Mikrowellenhintergrund abbildet) zeigte, dass das BICEP2-Signal durch Staub in unserer Galaxie verursacht wurde, nicht durch alte Gravitationswellen.
Was ist, wenn die ursprünglichen Gravitationswellen es nie finden? Viele Theoretiker, die ihre Hoffnungen auf einen Urknall, gefolgt von einer Phase schneller Inflation, gesetzt haben, mögen enttäuscht sein, aber laut Turok wird "dies ein starker Hinweis sein", dass der Urknall (im klassischen Sinne) möglicherweise nicht der absolute Anfang des Universums ist.
„Für mich ist es am schwierigsten, den Urknall selbst mathematisch zu beschreiben“, fügt Turok hinzu.
Vielleicht würde ein zyklisches Modell der Evolution des Universums - wenn unser Universum zusammenbricht und von vorne beginnt - besser zu Beobachtungen passen. Solche ungewöhnlichen Modelle müssen keine primordialen Gravitationswellen erzeugen, und wenn diese Wellen nicht erfasst werden, müssen möglicherweise unsere Inflationstheorien verbessert werden.
In Bezug auf die Gravitationswellen, die voraussichtlich durch die schnelle Bewegung massereicher Objekte in unserem modernen Universum erzeugt werden, ist Turok zuversichtlich, dass wir eine solche Empfindlichkeit erreicht haben, dass unsere Detektoren sie bald erkennen sollten, was eine von Einsteins Vorhersagen über die Raumzeit bestätigt. "Wir erwarten in den nächsten fünf Jahren Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern."
Die nächste Revolution?
Von den größten bis zu den kleinsten Skalen scheint das Universum „skalierungslos“zu sein - mit anderen Worten, egal auf welcher räumlichen oder energetischen Skala Sie sich befinden, es gibt nichts „Besonderes“auf der Skala. Und diese Schlussfolgerung spricht für die Tatsache, dass das Universum eine viel einfachere Natur hat, als moderne Theorien vermuten lassen.
"Dies ist eine Krise, aber eine Krise von ihrer besten Seite", sagt Turok.
Um den Ursprung des Universums zu erklären und uns mit einigen der mysteriösesten Geheimnisse unseres Universums wie dunkler Materie und dunkler Energie auseinanderzusetzen, müssen wir den Raum möglicherweise ganz anders betrachten. Dies erfordert eine Revolution im Verständnis der Physik, einen revolutionären Ansatz, der in seiner Stärke mit Einsteins Erkenntnis vergleichbar ist, dass Raum und Zeit zwei Seiten derselben Medaille sind, als die allgemeine Relativitätstheorie gebildet wurde.
„Wir brauchen eine völlig andere Sichtweise der Grundlagenphysik. Es ist an der Zeit, radikal neue Ideen zu entwickeln “, schließt Turok und merkt an, dass jetzt eine gute Zeit für junge Menschen ist, theoretische Physik zu studieren, da es die nächste Generation ist, die höchstwahrscheinlich unser Verständnis des Universums verändern wird.
Ilya Khel
