Het zal je verbazen te horen dat ons universum eigenlijk vrij eenvoudig is - het zijn onze kosmologische theorieën die onnodig complex blijken te zijn, zegt een van 's werelds toonaangevende theoretische natuurkundigen. Zo'n conclusie lijkt misschien onlogisch: om de ware complexiteit van de natuur te begrijpen, moet je uiteindelijk breder denken, dingen op kleinere en kleinere schaal bestuderen, nieuwe variabelen aan vergelijkingen toevoegen, 'nieuwe' en 'exotische' fysica bedenken. Op een dag zullen we erachter komen wat donkere materie is, een idee krijgen van waar ongebruikelijke zwaartekrachtgolven zich verbergen - als onze theoretische modellen maar meer ontwikkeld en … complexer worden.
Dit is niet het geval, zegt Neil Turok, directeur van het Perimeter Instituut voor Theoretische Fysica in Ontario, Canada. Volgens Turok, als het universum, op de grootste en kleinste schaal, ons iets vertelt, gaat het om zijn ongelooflijke eenvoud. Maar om dit volledig te begrijpen, hebben we een revolutie in de fysica nodig.
In een interview met Discovery merkte Turok op dat belangrijke ontdekkingen van de afgelopen decennia de structuur van het heelal op kosmologische en kwantumschalen hebben bevestigd.
"Op grote schaal hebben we de hele hemel in kaart gebracht - de kosmische microgolfachtergrond - en de evolutie van het universum gemeten, hoe het veranderde, hoe het zich uitbreidde … en deze ontdekkingen laten zien dat het universum verrassend eenvoudig is," zegt hij. "Met andere woorden, je kunt de structuur van het heelal, zijn geometrie, de dichtheid van materie met slechts één getal beschrijven."
De meest opwindende afweging van deze redenering is dat het gemakkelijker is om de geometrie van het universum met slechts één getal te beschrijven dan om numeriek het eenvoudigste atoom te beschrijven dat we kennen, het waterstofatoom. De geometrie van het waterstofatoom wordt beschreven door drie getallen die volgen uit de kwantumeigenschappen van een elektron in zijn baan rond een proton.
“Dit vertelt ons dat het universum glad is, maar een klein niveau van fluctuatie heeft, wat wordt beschreven door dit getal. En dat is alles. Het universum is het eenvoudigste dat we kennen."
Ergens aan de andere kant van de schaal gebeurde iets soortgelijks toen natuurkundigen het Higgs-veld verkenden met behulp van de meest complexe machine ooit door mensen gebouwd, de Large Hadron Collider. Toen natuurkundigen in het verleden het Higgs-mediatordeeltje ontdekten - het Higgs-deeltje in 2012 - bleek het het eenvoudigste type te zijn dat wordt beschreven door het standaardmodel van deeltjes.
Promotie video:
"De natuur gebruikt de kleinste oplossing, het kleinst denkbare mechanisme om deeltjes hun massa, hun elektrische lading, enzovoort te geven", zegt Turok.
Natuurkundigen uit de 20e eeuw hebben ons geleerd dat als je de precisie vergroot en dieper in de kwantumwereld duikt, je een dierentuin met nieuwe deeltjes zult vinden. Omdat de experimentele resultaten veel kwantuminformatie opleverden, voorspelden theoretische modellen steeds meer deeltjes en krachten. Maar we hebben nu een kruispunt bereikt waar veel van onze geavanceerde theoretische ideeën over wat 'buiten' ons huidige begrip van de natuurkunde ligt, wachten op enkele experimentele resultaten die ongebruikelijke voorspellingen zullen ondersteunen.
“We bevinden ons in een vreemde situatie waarin het heelal met ons praat; het vertelt ons dat het buitengewoon eenvoudig is. Tegelijkertijd worden de theorieën die populair zijn (de laatste 100 jaar natuurkunde) steeds complexer, arbitrair en onvoorspelbaarder”, zegt hij.
De Turk wijst op de snaartheorie, die is aangekondigd als de "ultieme eenmakingstheorie", waarbij alle geheimen van het universum in een keurig pakket worden verpakt. En ook om te zoeken naar bewijzen van inflatie - de snelle expansie van het heelal die het bijna onmiddellijk na de oerknal ongeveer 14 miljard jaar geleden ervoer - in de vorm van oerzwaartekrachtgolven die op de kosmische microgolfachtergrond zijn gegraveerd, de "echo" van de oerknal. Maar terwijl we experimenteel bewijs zoeken, grijpen we naar strohalmen; het experimentele bewijs komt eenvoudigweg niet overeen met onze ondraaglijk complexe theorieën.
Onze kosmische oorsprong
Turoks theoretische werk is gewijd aan het ontstaan van het universum, een onderwerp dat de afgelopen maanden veel aandacht heeft gekregen.
Vorig jaar kondigde de BICEP2-samenwerking, die een telescoop op de Zuidpool gebruikt om de CMB te bestuderen, de detectie van signalen van primaire zwaartekrachtgolven aan. Dit is een soort 'heilige graal' van de kosmologie - de ontdekking van gravitatiegolven die door de oerknal worden gegenereerd, kan de inflatoire theorieën van het heelal bevestigen. Helaas voor het BICEP2-team kondigden ze de "ontdekking" aan nog voordat de Europese Planck-ruimtetelescoop (die ook de microgolfachtergrond in kaart brengt) aantoonde dat het BICEP2-signaal werd veroorzaakt door stof in onze melkweg, niet door oude zwaartekrachtgolven.
Wat als de oorspronkelijke gravitatiegolven het nooit vinden? Veel theoretici die hun hoop hebben gevestigd op een oerknal gevolgd door een periode van snelle inflatie, zullen misschien teleurgesteld zijn, maar volgens Turok "zal dit een krachtige aanwijzing zijn" dat de oerknal (in de klassieke zin) misschien niet het absolute begin van het universum is.
"Het moeilijkste voor mij is om de oerknal zelf wiskundig te beschrijven", voegt Turok eraan toe.
Misschien past een cyclisch model van de evolutie van het universum - wanneer ons universum instort en opnieuw begint - beter bij waarnemingen. Dergelijke ongebruikelijke modellen hoeven geen primordiale zwaartekrachtgolven te produceren, en als deze golven niet worden gedetecteerd, moeten onze inflatoire theorieën misschien worden verbeterd.
Wat betreft de zwaartekrachtgolven waarvan wordt voorspeld dat ze worden gegenereerd door de snelle beweging van massieve objecten in ons moderne universum, is Turok ervan overtuigd dat we een zodanige mate van gevoeligheid hebben bereikt dat onze detectoren ze snel zullen detecteren, wat een van Einsteins voorspellingen over ruimtetijd bevestigt. "We verwachten de komende vijf jaar zwaartekrachtgolven te zien als gevolg van botsende zwarte gaten."
De volgende revolutie?
Van de grootste tot de kleinste schaal, het universum lijkt 'schaalloos' te zijn - met andere woorden, naar welke ruimtelijke of energieschaal je ook kijkt, er is niets 'bijzonders' op de schaal. En deze conclusie spreekt in het voordeel van het feit dat het heelal een veel eenvoudigere aard heeft dan moderne theorieën suggereren.
"Dit is een crisis, maar een crisis op zijn best", zegt Turok.
Dus om de oorsprong van het universum te verklaren en in het reine te komen met enkele van de meest mysterieuze mysteries van ons universum, zoals donkere materie en donkere energie, moeten we misschien heel anders naar de ruimte kijken. Dit vereist een revolutie in het begrip van de fysica, een revolutionaire benadering die qua kracht vergelijkbaar is met Einsteins besef dat ruimte en tijd twee kanten van dezelfde medaille zijn, toen de algemene relativiteitstheorie werd gevormd.
“We hebben een heel andere kijk op fundamentele fysica nodig. De tijd is gekomen voor radicaal nieuwe ideeën”, besluit Turok, en merkt op dat het nu een geweldige tijd is voor jonge mensen om theoretische natuurkunde te studeren, aangezien het de volgende generatie is die hoogstwaarschijnlijk ons begrip van het heelal zal veranderen.
Ilya Khel
