Sarai sorpreso di sapere che il nostro universo è in realtà abbastanza semplice: sono le nostre teorie cosmologiche che si rivelano inutilmente complesse, afferma uno dei principali fisici teorici del mondo. Una conclusione del genere può sembrare illogica: alla fine, per comprendere la vera complessità della Natura, bisogna pensare in modo più ampio, studiare le cose su scala sempre più piccola, aggiungere nuove variabili alle equazioni, inventare una fisica "nuova" ed "esotica". Un giorno scopriremo cos'è la materia oscura, avremo un'idea di dove si nascondono le onde gravitazionali insolite, se solo i nostri modelli teorici diventassero più sviluppati e più … complessi.
Non è questo il caso, afferma Neil Turok, direttore del Perimeter Institute for Theoretical Physics in Ontario, Canada. Secondo Turok, se l'universo, sulla scala più grande e più piccola, ci dice qualcosa, è sulla sua incredibile semplicità. Ma per comprenderlo appieno, abbiamo bisogno di una rivoluzione nella fisica.
In un'intervista con Discovery, Turok ha notato che le principali scoperte degli ultimi decenni hanno confermato la struttura dell'Universo su scala cosmologica e quantistica.
"Su larga scala, abbiamo mappato l'intero cielo - il fondo cosmico a microonde - e misurato l'evoluzione dell'universo, come è cambiato, come si è espanso … e queste scoperte mostrano che l'universo è sorprendentemente semplice", dice. "In altre parole, puoi descrivere la struttura dell'Universo, la sua geometria, la densità della materia con un solo numero."
L'aspetto più interessante di questo ragionamento è che è più facile descrivere la geometria dell'universo con un solo numero che descrivere numericamente l'atomo più semplice che conosciamo, l'atomo di idrogeno. La geometria dell'atomo di idrogeno è descritta da tre numeri che derivano dalle caratteristiche quantistiche di un elettrone nella sua orbita attorno a un protone.
“Questo ci dice che l'universo è liscio, ma ha un piccolo livello di fluttuazione, che è descritto da questo numero. E questo è tutto. L'universo è la cosa più semplice che conosciamo.
Da qualche parte all'estremità opposta della scala, qualcosa di simile è accaduto quando i fisici hanno esplorato il campo di Higgs usando la macchina più complessa mai costruita dagli umani, il Large Hadron Collider. Quando i fisici hanno storicamente scoperto la particella mediatore di Higgs - il bosone di Higgs nel 2012 - si è rivelato essere il tipo più semplice descritto dal modello standard delle particelle.
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"La natura utilizza la soluzione più piccola, il meccanismo più piccolo immaginabile, per dare alle particelle la loro massa, la loro carica elettrica e così via", dice Turok.
I fisici del 20 ° secolo ci hanno insegnato che se aumenti la precisione e approfondisci il mondo quantistico, troverai uno zoo di nuove particelle. Poiché i risultati sperimentali hanno prodotto molte informazioni quantistiche, i modelli teorici prevedevano sempre più particelle e forze. Ma ora siamo arrivati a un bivio in cui molte delle nostre idee teoriche avanzate su ciò che si trova "oltre" la nostra attuale comprensione della fisica sono in attesa di alcuni risultati sperimentali che supporteranno previsioni insolite.
“Siamo in una strana situazione in cui l'Universo ci sta parlando; ci dice che è estremamente semplice. Allo stesso tempo, le teorie che sono state popolari (gli ultimi 100 anni di fisica) stanno diventando più complesse, arbitrarie e imprevedibili , dice.
Il turco indica la teoria delle stringhe, che è stata pubblicizzata come la "teoria dell'unificazione definitiva", che racchiude tutti i segreti dell'universo in un pacchetto ordinato. E anche alla ricerca di prove dell'inflazione - la rapida espansione dell'universo che ha subito quasi immediatamente dopo il Big Bang circa 14 miliardi di anni fa - sotto forma di onde gravitazionali primordiali incise nel fondo cosmico delle microonde, l '"eco" del Big Bang. Ma mentre cerchiamo prove sperimentali, ci aggrappiamo alle cannucce; l'evidenza sperimentale semplicemente non concorda con le nostre teorie insopportabilmente complesse.
Le nostre origini cosmiche
Il lavoro teorico di Turok è dedicato all'origine dell'universo, un argomento che ha ricevuto molta attenzione negli ultimi mesi.
L'anno scorso, la collaborazione BICEP2, che utilizza un telescopio al Polo Sud per studiare la CMB, ha annunciato la rilevazione di segnali di onde gravitazionali primarie. Questa è una sorta di "Sacro Graal" della cosmologia: la scoperta delle onde gravitazionali generate dal Big Bang può confermare le teorie inflazionistiche dell'Universo. Sfortunatamente per il team BICEP2, hanno annunciato la "scoperta" anche prima che il telescopio spaziale europeo Planck (che mappa anche lo sfondo delle microonde) mostrasse che il segnale BICEP2 era causato dalla polvere nella nostra galassia, non dalle antiche onde gravitazionali.
E se le onde gravitazionali primordiali non lo trovassero mai? Molti teorici che hanno riposto le loro speranze su un Big Bang seguito da un periodo di rapida inflazione potrebbero rimanere delusi, ma secondo Turok, "questo sarà un potente indizio" che il Big Bang (in senso classico) potrebbe non essere l'inizio assoluto dell'universo.
"La cosa più difficile per me è descrivere matematicamente il Big Bang stesso", aggiunge Turok.
Forse un modello ciclico dell'evoluzione dell'universo - quando il nostro universo collassa e ricomincia - si adatterebbe meglio alle osservazioni. Questi modelli insoliti non hanno bisogno di produrre onde gravitazionali primordiali, e se queste onde non vengono rilevate, forse le nostre teorie inflazionistiche devono essere migliorate.
Per quanto riguarda le onde gravitazionali che si prevede saranno generate dal rapido movimento di oggetti massicci nel nostro universo moderno, Turok è fiducioso che abbiamo raggiunto un tale grado di sensibilità che i nostri rilevatori dovrebbero presto rilevarle, confermando una delle previsioni di Einstein sullo spaziotempo. "Ci aspettiamo di vedere le onde gravitazionali dalla collisione di buchi neri nei prossimi cinque anni".
La prossima rivoluzione?
Dalle scale più grandi a quelle più piccole, l'universo sembra essere "senza scala" - in altre parole, non importa quale scala spaziale o energetica guardi, non c'è nulla di "speciale" nella scala. E questa conclusione parla a favore del fatto che l'universo ha una natura molto più semplice di quanto suggeriscono le teorie moderne.
"Questa è una crisi, ma una crisi al suo meglio", dice Turok.
Quindi, per spiegare l'origine dell'universo e venire a patti con alcuni dei misteri più misteriosi del nostro universo, come la materia oscura e l'energia oscura, potremmo dover guardare lo spazio in modo completamente diverso. Ciò richiederà una rivoluzione nella comprensione della fisica, un approccio rivoluzionario paragonabile per forza alla realizzazione di Einstein che spazio e tempo sono due facce della stessa medaglia, quando si formò la relatività generale.
“Abbiamo bisogno di una visione completamente diversa della fisica fondamentale. È giunto il momento di idee radicalmente nuove , conclude Turok, osservando che ora è un ottimo momento per i giovani per studiare fisica teorica, poiché è la prossima generazione che molto probabilmente cambierà la nostra comprensione dell'Universo.
Ilya Khel
