Pagrindinės fizikos srities specialistai (o dabar pagal apibrėžimą elementariųjų dalelių teorija, reliatyvistinė astrofizika ir kosmologija) savo mokslo būklę dažnai lygina su situacija XIX a. Pabaigoje. Tų dienų fizika, kuri buvo paremta Niutono mechanika, Maksvelio Boltzmanno-Gibso elektromagnetinio lauko teorija, termodinamika ir statistine mechanika, sėkmingai paaiškino beveik visus eksperimentinius rezultatus. Tiesa, buvo ir nesusipratimų - nulis Michelsono-Morley eksperimento rezultatas, teorinio juodųjų kūno spindulių spektro paaiškinimo nebuvimas, materijos nestabilumas, pasireiškiantis radioaktyvumo reiškiniu. Tačiau jų buvo nedaug ir jie nesunaikino vilties dėl garantuoto susiformavusių mokslinių idėjų triumfo - bent jauabsoliučios daugumos gerbiamų mokslininkų požiūriu. Beveik niekas nesitikėjo radikalaus klasikinės paradigmos pritaikymo apribojimo ir iš esmės naujos fizikos atsiradimo. Ir vis dėlto ji gimė - ir tik per tris dešimtmečius. Siekiant teisingumo, verta paminėti, kad klasikinė fizika nuo to laiko tiek išplėtė savo galimybes, kad jos pasiekimai būtų atrodę svetimi tokiems praeities titanams kaip Faradėjus, Clausiusas, Helmholtzas, Rayleighas, Kelvinas ir Lorenzas. Bet tai jau visai kita istorija.kad jos pasiekimai būtų atrodę svetimi tokiems senų laikų titanams kaip Faradėjus, Clausiusas, Helmholtzas, Rayleighas, Kelvinas ir Lorenzas. Bet tai jau visai kita istorija.kad jos pasiekimai būtų atrodę svetimi tokiems senų laikų titanams kaip Faradėjus, Clausiusas, Helmholtzas, Rayleighas, Kelvinas ir Lorenzas. Bet tai jau visai kita istorija.
Išsami šiuolaikinės fundamentaliosios fizikos sunkumų aptarimas užims per daug vietos ir viršija mano ketinimus. Todėl apsiribosiu keliomis gerai žinomomis sėkmingiausios ir universaliausios mikropasaulio teorijos silpnybėmis - Standartiniu elementinių dalelių modeliu. Jis apibūdina dvi iš trijų pagrindinių sąveikų - stiprią ir silpną, bet neveikia gravitacijos. Ši tikrai puiki teorija leido suprasti daugelį reiškinių, naudojant matuoklio nekintamumo principą. Tačiau ji nepaaiškino masės buvimo neutrinose ir neatskleidė savaiminės simetriškos elektros srovės sąveikos lūžio dinamikos, kuri yra atsakinga už masės atsiradimą dėl Higgso mechanizmo. Tai neleido numatyti dalelių, kurios gali būti laikomos kandidatėmis į tamsiosios materijos nešėjų vaidmenį, pobūdžio ir savybių. Standartiniu modeliu taip pat nepavyko užmegzti aiškių sąsajų su infliacijos teorijomis, kurios yra šiuolaikinės kosmologijos pagrindas. Ir galiausiai ji nepaaiškino kelio, kaip sukurti kvantinę gravitacijos teoriją, nepaisant tikrai titaniškų teoretikų pastangų.
Nemanau, kad nurodyti pavyzdžiai (ir yra kitų) leidžia spręsti apie pagrindinės fizikos perėjimą į nestabilią būseną, kupiną naujos mokslo revoliucijos. Šiuo klausimu yra įvairių nuomonių. Mane domina ne toks globalus, bet ne mažiau įdomus klausimas. Daugelis šiuolaikinių leidinių kelia abejonių dėl teorinių sąvokų natūralumo kriterijaus, kuris ilgą laiką buvo laikomas patikimu ir efektyviu pagrindiniu principu kuriant mikropasaulio modelius, pritaikomumo (žr., Pvz., GF Giuduce, 2017. „Post-Naturalness Era aušra“). Ar taip, koks fizikos teorijos natūralumas ir kas ją gali pakeisti? Pradžioje apie tai kalbėjau su Sergejumi Troitskiu, Rusijos mokslų akademijos Branduolinių tyrimų instituto vyriausiuoju tyrėju.
Sergejus Vadimovičius Troitskis, Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas, Rusijos mokslų akademijos branduolinių tyrimų instituto pagrindinis tyrėjas. Nuotrauka iš prof-ras.ru
Sergejau, pirmiausia susitarkime dėl pagrindinio dalyko. Kaip vertinate dabartinę fundamentaliosios fizikos būklę? Pagal gerai žinomą Thomaso Kuhno terminologiją, ar tai yra įprastas mokslas, mokslas prieš krizę ar tik krizės metu?
ST: Jūs laikote kosmologiją pagrindine fizika. Tai yra gana pagrįsta, bet aš nesu to ekspertas, todėl susilaikysiu nuo vertinimų. Bet jei kalbėsime apie didelės energijos fiziką ir standartinį elementinių dalelių modelį, kaip apie jo teorinį pagrindą, tai šioje srityje iš tikrųjų viskas yra labai sunku. Jau daugelį metų „Large Hadron Collider“(LHC) dirba CERN ir teikia rezultatus. Jo dėka padėtis dalelių fizikoje tapo, viena vertus, labai nuobodi, kita vertus - nepaprastai įdomi. Dažnai prisimenu, kad neilgai trukus iki LHC paleidimo labai gerbiamas teoretinis fizikas prognozavo, kad dabar mūsų moksle atsivers platus ramsčių kelias, kuris greitai paskatins didelius atradimus. Jis tikėjo, kad pažodžiui pirmosiomis susidūrimo valandomis arba vėliausiai per metus bus nustatyti jau žinomų dalelių partneriai,ilgai prognozavo supersimetrijos teorija. Iš anksto jos buvo laikomos ilgai lauktomis tamsiosios materijos dalelėmis, kurias galima tyrinėti daugelį metų. Tokia yra puiki mūsų mokslo perspektyva.
O kas nutiko praktiškai? Nebuvo super partnerių ir nėra, o tikimybė juos atidaryti ateityje labai prigeso. Prieš šešerius metus Higgo bozonas buvo sugautas LHC, ir tai tapo pasauline sensacija. Bet kaip jūs galite tai įvertinti? Sakyčiau, kad tai tam tikra prasme yra baisiausias LHC pasiekimas, nes Higgai buvo prognozuoti jau seniai. Viskas būtų daug įdomiau, jei nebūtų įmanoma jo atidaryti. Ir dabar paaiškėja, kad mes neturime nieko, išskyrus standartinį modelį, net jei tai gerai patvirtinta eksperimentais. Stebuklų neįvyko, atradimai, kurie nepatenka į standartinio modelio taikymo sritį, nebuvo padaryti. Šia prasme padėtis iš tikrųjų yra prieš krizę, nes mes tikrai žinome, kad standartinis modelis nėra išsamus. Tai jau pastebėjote mūsų pokalbio įžangoje.
Susidūrus dviem protonams (neparodyti paveikslėlyje), susidaro du kvarkai (Quark), kurie susijungę sudaro W-bozoną (silpno vektoriaus bozonas) - silpną sąveiką nešanti dalelė. W bozonas išskiria Higso bozoną, kuris skyla į du b kvarkus (apatinis kvarkas). Straipsnio atvaizdas: B. Tuchmingas, 2018. Matytas ilgai ieškotas Higgso bozono irimas.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Tada eikime toliau. Kiek dalelių teorijoje svarbus natūralumo principas ir koks jis? Tai nėra paprasta pagarba sveikam protui, ar ne?
ST: Aš tai vertinu kaip tam tikrą estetinį kriterijų, tačiau čia reikia paaiškinimų. Standartinis modelis turi tris komponentus. Pirma, jame yra dalelių sąrašas. Visi jie jau atrasti, Higso bozonas buvo paskutinis. Antra, yra grupė sąveikų, kurias ji apibūdina. Tačiau yra ir trečia dalis - laisvųjų parametrų rinkinys. Tai yra devyniolika skaičių, kuriuos galima nustatyti tik eksperimentiškai, nes jie nėra skaičiuojami paties modelio rėmuose (žr. S. V. Troitsky, 2012. Neišspręstos elementariosios dalelių fizikos problemos).
Čia kyla sunkumų. Visų pirma, šių parametrų yra per daug. Devyniolika yra kažkoks keistas skaičius, kurio, regis, niekur nesekti. Be to, jų reikšmės yra per daug skirtingos, todėl jas sunku paaiškinti. Tarkime, į laisvųjų parametrų skaičių įeina leptonų - elektronų, mionų ir tau dalelių - masės. Mionas yra maždaug du šimtus kartų sunkesnis už elektroną, o tau yra beveik dvidešimt kartų masyvesnis už mioną. Lygiai taip pat ir su kvarkais - jų masės skiriasi dydžių eilėmis, o visa kita yra ta pati.
Visų standartinio modelio dalelių masės yra išsibarsčiusios labai plačiame diapazone. Standartiniame modelyje ši masinė hierarchija nėra pakankamai paaiškinta. Vaizdas iš Igorio Ivanovo „Hadron Collider“projekto standartinio modelio skyriaus „Sunkumai“.
Kitas pavyzdys yra be dimensijos parametro vertė, apibūdinanti CP nekintamumo pažeidimą stiprioje sąveikoje. Tiksli jo vertė nežinoma, tačiau eksperimentai rodo, kad bet kuriuo atveju ji yra mažesnė nei 10–9. Vėlgi, tai keista. Apskritai laisvieji standartinio modelio parametrai labai skiriasi ir atrodo beveik atsitiktinai.
Vienas iš eksperimentinių ašių registravimo metodų. Mėlyna spalva pavaizduotas tariamas Saulės skleidžiamų ašių srautas, kuris Žemės magnetiniame lauke (raudonas) paverčiamas rentgeno spinduliais (oranžine spalva). Šiuos spindulius buvo galima aptikti XMM-Newton kosminiu rentgeno teleskopu. Vis dar nežinoma, kur ieškoti ašių: jos gali būti tamsiosios materijos dalelės arba pasireikšti žvaigždžių evoliucija.
Taigi, per daug laisvų standartinio modelio parametrų, jų vertės atrodo nemotyvuotos ir pernelyg išsibarstę. Bet ką su tuo susijęs natūralumas?
S. T.: Ir mes tiesiog priėjome prie jos. Elementariųjų dalelių fizikoje teorinių modelių natūralumo principas turi labai specifinę prasmę. Tai reikalauja, kad visi be dimensijų laisvi parametrai būtų arba lygūs nuliui, arba didumo tvarka labai nesiskirtų nuo vieno, tarkime, intervale nuo tūkstantosios iki tūkstančio. Standartinio modelio parametrai akivaizdžiai neatitinka šio kriterijaus. Tačiau yra ir papildoma sąlyga, kurią 1980 m. Suformulavo puikus olandų teorijos fizikas Gerard'as Hooftas, vienas iš standartinio modelio kūrėjų. Jis teigė, kad labai maža bet kokio laisvo parametro vertė gauna natūralų paaiškinimą tik tuo atveju, jei dėl jo griežto nulio nustatymo atsiranda papildomos simetrijos, kuriai paklūsta teorijos lygtys. Pasak 't Hooft,Tokios simetrijos „artumas“tarnauja kaip tam tikras skydas, apsaugantis šio parametro trūkumą nuo didelių korekcijų dėl kvantinių procesų, susijusių su virtualiomis dalelėmis. Kai buvau studentas ir magistrantas, visas mūsų mokslas pažodžiui pražydo šiuo postulatu. Bet tai vis tiek silpnina natūralumo principą, kurį mes diskutuojame.
Gerard'as Hooftas, olandų teorinis fizikas, vienas iš standartinio modelio įkūrėjų. Nuotrauka iš svetainės sureshemre.wordpress.com
Kas nutiks, jei peržengsite standartinio modelio ribas?
ST: Čia taip pat kyla natūralumo problema, nors ir kitokio pobūdžio. Svarbiausias standartinio modelio matmenų parametras yra Higgso lauko vakuuminis vidurkis. Jis nustato elektros srovės sąveikos energijos skalę, o dalelių masės priklauso nuo jos. Už standartinio modelio yra tik vienas vienodai pagrindinis tos pačios dimensijos parametras. Tai, žinoma, Plancko masė, kuri lemia kvantinių efektų, susijusių su gravitacija, energetinę skalę. Higgso laukas yra apie 250 GeV, tai yra dvigubai daugiau nei Higso bozonas. Planko masė yra maždaug 1019 GeV. Taigi jų santykis yra arba labai mažas, arba gigantiškas skaičius, priklausomai nuo to, ką dėti į skaitiklį, o ką - vardiklį. Iš tikrųjų diskutuojama apie kitas įdomias skales, nepriklausančias standartiniam modeliui,bet jie taip pat neišmatuojamai didesni už Higso lauką. Taigi ir čia mes susiduriame su akivaizdžiu keistenumu, kitaip tariant, natūralumo stoka.
Taigi, gal geriau šį principą laikyti natūraliu XX a. Mokslo mokslo reliktu ir jo visai atsisakyti? Ne veltui kai kurie mokslininkai kalba apie postnatūralios eros pradžią
ST: Na, net visiškas atsisakymas neišspręs visų mūsų problemų. Kaip sakiau, natūralumo principas yra kažkas iš estetikos srities. Tačiau yra ir eksperimentinių problemų, kurios niekur nedings. Tarkime, kad dabar tikrai žinoma, kad neutrino masė yra tokia pati, o standartinio modelio simetrijos reikalauja, kad ji būtų griežtai lygi nuliui. Tas pats yra ir su tamsiąja materija - standartiniame modelyje taip nėra, bet gyvenime, matyt, taip yra. Gali būti, kad jei eksperimentinius sunkumus bus galima tinkamai išspręsti, nieko nereikės atsisakyti. Bet, kartoju, visas šis probleminis kompleksas yra gana realus ir rodo dabartinės pagrindinės fizikos padėties krizinį pobūdį. Gali būti, kad išeitis iš šios krizės bus mokslinė revoliucija ir esamos paradigmos pasikeitimas.
Sergejau, ką natūralumo principas reiškia tau asmeniškai? Gal net emociškai?
ST: Man tai tam tikra prasme yra skaičiavimo principas. Ar galime ne tik paimti iš eksperimento, bet ir apskaičiuoti visus šiuos 19 parametrų? Ar bent jau sumažinti juos iki vienintelio tikrai nemokamo parametro? Man tai būtų gerai. Tačiau kol kas šios galimybės nematyti. Beje, vienu metu daugelis tikėjosi, kad pagrindinius standartinio modelio sunkumus galima išspręsti remiantis supersimetrijos samprata. Tačiau net minimaliuose supersimetriniuose standartinio modelio apibendrinimuose yra net 105 laisvi parametrai. Tai jau tikrai blogai.
Bet tokiam skaičiavimui reikia kažkuo pasikliauti. Kaip sakoma, nieko neprisiimi - nieko negausi
S. T.: Tai tik esmė. Idealiu atveju norėčiau turėti išsamią vieningą teoriją, kuri bent iš principo leistų atlikti visus reikalingus skaičiavimus. Bet kur jo gauti? Daugelį metų stygų teorija buvo siūloma pretenduoti į tokį visuotinį pagrindą. Jis buvo sukurtas beveik 50 metų, gana garbaus amžiaus. Galbūt tai nuostabi teorinė konstrukcija, tačiau ji dar neįvyko kaip vieninga teorija. Žinoma, niekam nėra uždrausta tikėtis, kad tai įvyks. Tačiau fizikos istorijoje retai pasitaikydavo taip, kad pusšimtį metų sukurta teorija apie pažadus apie būsimas sėkmes ir staiga ir iš tikrųjų viską paaiškino. Šiaip ar taip abejoju.
Tiesa, čia yra tam tikra subtilybė iš stygų teorijos, kuri reiškia apie 10500 vakuumą su skirtingais fiziniais dėsniais. Vaizdžiai tariant, kiekvienas vakuumas turi turėti savo standartinį modelį su savo laisvų parametrų rinkiniu. Daugybė antropinio principo šalininkų teigia, kad mūsų pačių rinkinys nereikalauja paaiškinimo, nes pasauliuose su kita fizika negali būti gyvybės, taigi ir mokslo. Grynosios logikos požiūriu toks aiškinimas yra priimtinas, išskyrus tai, kad parametro sc menkumo negalima išvesti iš antropinio principo. Šis parametras galėjo būti ir daugiau - dėl to protingo gyvenimo atsiradimo mūsų planetoje galimybės niekaip nesumažėtų. Tačiau antropinis principas tik skelbia apie beveik begalinio pasaulių rinkinio egzistavimą ir iš tikrųjų tuo apsiriboja. Jo negalima paneigti - arba, vartojant terminologiją, klastoti. Tai jau nebe mokslas, bent jau mano supratimu. Manau, kad neteisinga atsisakyti mokslo žinių klastojimo principo dėl teorijos, kuri iš tikrųjų nieko negali paaiškinti.
Negaliu nesutikti. Bet eikime toliau. Kaip jūs galite išeiti iš krizės - arba, jei norite, iš ikikrizinės fundamentaliosios fizikos? Kas dabar turi kamuolį - teoretikai ar eksperimentatoriai?
ST: Logiškai mąstant, kamuolys turėtų būti teoretikų pusėje. Yra patikimų eksperimentinių duomenų apie neutrinų masę, yra astronomų pastebėjimų, patvirtinančių tamsiosios materijos egzistavimą. Atrodytų, kad užduotis yra akivaizdi - sugalvoti naujo teorinio požiūrio pagrindus ir sukurti konkrečius modelius, leidžiančius eksperimentiškai patikrinti. Tačiau iki šiol tokie bandymai niekur nevedė.
Vėlgi, neaišku, ko tikėtis iš „Large Hadron Collider“po planuojamos modernizacijos. Žinoma, apie šią mašiną bus gauta daug duomenų, ir net dabar toli gražu ne visa jos detektorių surinkta informacija buvo apdorota. Pavyzdžiui, yra įrodymų, kad elektronai ir mionai nėra visiškai identiški savo sąveika. Tai būtų labai rimtas atradimas, galbūt paaiškinantis jų masių skirtumus. Tačiau šie įrodymai vis dar yra silpni, galite jais pasitikėti arba negalite jais pasitikėti. Šis klausimas greičiausiai bus išspręstas vėlesniuose LHC eksperimentuose. Tačiau verta priminti, kad eksperimento fizikų komandos, dirbančios prie jo, ne kartą yra pranešusios apie pagrindinių atradimų už standartinio modelio užuominas, o vėliau šie pranešimai buvo paneigti.
Kas liko? Galima tikėtis kažkada pastatytų greitintuvų, tačiau su jais viskas vis dar neaišku - bent jau 10–20 metų perspektyvoje. Taigi kamuolys iš tikrųjų yra astrofizikų pusėje. Iš šio mokslo galima tikėtis tikrai radikalaus proveržio.
Kodėl?
ST: Esmė ta, kad neįmanoma rasti naujų dalelių, susijusių su stipria sąveika. Taigi turime ieškoti silpnai sąveikaujančių dalelių, kurių nėra standartiniame modelyje. Jei jie silpnai bendrauja, tada jie retai bendrauja, o tokios sąveikos apraiškų reikia ilgai laukti. Negalime ilgai laukti eksperimentų su greitintuvais. Tačiau Visata laukė beveik 14 milijardų metų, o visą šį laiką gali kauptis net labai retų sąveikų padariniai. Gali būti, kad tokį poveikį gali rasti astrofizikai. Ir jau yra to pavyzdžių - juk neutrino virpesių buvimas, demonstruojantis šios dalelės nulio masę, buvo atrastas tiriant saulės neutrinus. Šios viltys yra tuo labiau pagrįstos,kad astronomijos ir astrofizikos stebėjimo bazė nuolat plečiasi dėl naujų antžeminių ir kosminių teleskopų bei kitos įrangos. Pavyzdžiui, praėjus metams po pirmojo tiesioginio gravitacinių bangų registravimo, buvo įrodyta, kad jos sklinda tokiu pačiu greičiu kaip elektromagnetinė spinduliuotė. Tai labai svarbus rezultatas, kuris byloja teoretikus.
Sergejaus Troitsky paskaita „Visata kaip dalelių fizikos laboratorija“, skaityta 2017 m. Spalio 8 d. Maskvos valstybiniame universitete. M. V. Lomonosovas mokslo festivalyje:
Sergejau, kadangi minėjai kosmosą, prisiminkime Johannesą Keplerį. 1596 m. Jis pastebėjo, kad Koperniko apskaičiuoti vidutiniai planetos orbitos spinduliai nuo Merkurijaus iki Saturno buvo 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Atstumas tarp Marso ir Jupiterio Kepleriui atrodė per didelis, todėl nenatūralus. Jis manė, kad egzistuoja dar nežinoma planeta, ir galiausiai jis buvo teisus. Naujųjų metų išvakarėse 1801 m. Giuseppe Piazzi šioje zonoje atrado Kererą, kuri dabar yra pripažinta nykštukine planeta. Žinoma, dabar mes žinome, kad yra ne viena planeta, o visas asteroidų diržas. Kepleris neturėjo jokio supratimo apie jį, bet manau, kad jis vargu ar būtų pernelyg nustebęs. Apskritai, remiantis natūralumo kriterijumi, buvo pateikta labai konkreti prognozė, kuri iš pradžių buvo pagrįsta pažodžiui, o vėliau, jei norite, su susidomėjimu. Ar šiandien fundamentalioje fizikoje kažkas panašaus įmanoma?
S. T.: Tai neatmetama. Jei natūralumo kriterijų taikysime paaiškindami fermioninių masių hierarchiją, tai beveik neabejotinai atsiras tam tikra nauja simetrija. Apskritai iki šiol šiam vaidmeniui buvo pasiūlyta įvairių kandidatų, tačiau visi jie kažkaip netenkina mūsų. Jei galima rasti tokią simetriją, tai gali mus nuvesti iki dar nežinomų dalelių. Tiesa, tiesiogiai prognozuoti jų, kaip ir „Kepler“, neveiks, bet sužinosime ką nors naudingo. Tačiau gali būti, kad ir šiuo atveju naudingos instrukcijos bus gana miglotos, pateikiant milžinišką pasirinkimų rinkinį. Pavyzdžiui, ašis numatoma remiantis tik nauja simetrija, kurią pasiūlė Peccei ir Quinnas. Tačiau šis mechanizmas suteikia labai didelę laisvę renkantis parametrus, todėl neturime nuorodų, kur ieškoti ašies. Tai gali būti tamsiosios materijos dalelėarba tai gali pasireikšti žvaigždžių evoliucija ar kitur - mes tiesiog nežinome.
Na, laikas parodys. Ir labai ačiū už pokalbį
Aš taip pat kalbėjausi su Gia Dvali, Niujorko ir Miuncheno universitetų fizikos profesore, Maxo Plancko fizikos instituto direktore (beje, šis garsus mokslo centras buvo įkurtas 1914 m. Kaip Kaizerio Wilhelmo fizikos institutas, o pirmasis jo direktorius buvo Albertas Einšteinas). Natūralu, kad kalbėjomės ta pačia tema.
Georgiy Dvali, fizikos profesorius Niujorko universiteto kosmologijos ir dalelių fizikos centre ir Miuncheno Ludwigo-Maximiliano universitete, Maxo Plancko fizikos instituto Miunchene direktorius. Nuotrauka iš svetainės astronet.ge
Guia, kaip interpretuojate standartinio modelio natūralumo problemą?
GD: Apskritai galiu pakartoti tai, ką sakė Sergejus. Standartinio modelio lygtys apima laisvų parametrų rinkinį, kurio jis negali numatyti. Šių parametrų skaitinės vertės labai skiriasi viena nuo kitos, ir net jei kalbėtume apie iš pažiūros panašius objektus. Paimkime, tarkime, neutriną, elektroną ir t kvarką. Visi jie yra fermionai, tačiau neutrino masė greičiausiai yra ne didesnė kaip elektronvoltos dalis, elektrono masė yra maždaug lygi penkiems šimtams tūkstančių elektronvoltų, o t-kvarko masė yra 175 GeV - 175 milijardai elektronvoltų. Tokie skirtumai iš tiesų gali pasirodyti kažkaip nenatūralūs.
Bet tai tik išorinė pusė. Norint geriau suprasti viską, būtina atsižvelgti į šių parametrų jautrumą ultravioletiniams spinduliams. Mes kalbame apie jų priklausomybę nuo energijos skalės padidėjimo - arba, kas yra tas pats, nuo erdvinio masto sumažėjimo. Tarkime, pirmiausia laboratorijoje išmatuojame elektrono masę, o tada pažiūrime, kas jam nutinka Plancko atstumais. Taikant šį metodą, parametrai yra suskirstyti į kelias grupes. Didžiausią ultravioletinių spindulių jautrumą rodo fizinio vakuumo energijos tankis. Plancko srityje tai yra proporcinga ketvirtajam masto pokyčio laipsniui. Jei Plancko masė padvigubėja, vakuuminės energijos vertė padidės 16 kartų. Higgso bozono masei ši priklausomybė nėra tokia didelė: ne ketvirtas, o tik antras laipsnis. Fermiono masės keičiasi labai silpnai - tik pagal logaritminį dėsnį. Galiausiai parametras θ praktiškai nepastebi Plancko skalės pokyčių. Nors jo jautrumas nėra lygus nuliui, jis yra toks mažas, kad jo galima nepaisyti.
Ką tai reiškia standartinio modelio laisvųjų parametrų jautrumo laipsnio sklaida? Čia galimi įvairūs variantai. Pavyzdžiui, galima manyti, kad Higso bozono masė visiškai nenusipelno pagrindinio kiekio statuso. Ši prielaida automatiškai taikoma dalelių masėms, kurios priklauso nuo Higgso masės. Tada jų reikšmių paplitimas atrodys ne keisčiau, nei, pavyzdžiui, molekulių ir galaktikų dydžių skirtumas. Nei vienas, nei kitas niekaip nepretenduoja į esminius dalykus, todėl nėra prasmės jų dydį vertinti pagal natūralumą.
Jei ši analogija atrodo per toli, pateikiame kitą pavyzdį. Mes gerai žinome būdingą stiprios sąveikos energiją, jos eiliškumas yra 1 GeV. Taip pat žinome, kad stiprios sąveikos skalė nėra pagrindinė, todėl jos maža vertė, palyginti su Plancko mase, nieko nestebina. Apskritai, jei sutiksime, kad natūralumo ar nenatūralumo prasme yra tikslinga palyginti tik pagrindinius dydžius, tai standartinio modelio parametrams ši problema iš tikrųjų išnyks.
Įdomu tai, kad ta pati logika veikia ir antropinio principo šalininkams. Jie tiki, kad yra labai įvairūs vakuumai su skirtingais fiziniais dėsniais, kurie paprastai vadinami multiverse. Mūsų pačių visata atsirado iš vieno iš šių vakuumų. Jei pažiūrėtume į šį požiūrį, tada paprastai nėra standartinio modelio parametrų natūralumo problemos. Bet man toks požiūris nepatinka, nors pripažįstu, kad jis turi savo šalininkų.
Taigi, atmetus prielaidą, kad Standartinio modelio parametrai yra esminiai, pašalinama natūralumo problema. Ar tai diskusijos pabaiga, ar galime eiti toliau?
GD: Žinoma, tai įmanoma - ir būtina. Mano nuomone, daug svarbiau ir įdomiau kalbėti ne apie modelio natūralumą, o apie jo nuoseklumą. Pavyzdžiui, mes visi dirbame pagal kvantinio lauko teoriją. Beje, tai taikoma ne tik standartiniam modeliui, bet ir stygų teorijai. Visi fiziškai prasmingi šios teorijos suvokimai turėtų būti pagrįsti specialia reliatyvumo teorija, todėl jų lygtys turėtų atrodyti vienodai visuose inerciniuose atskaitos rėmuose. Ši savybė vadinama reliatyvistine teorijos invarsija arba Lorentzo invarsija. Yra teorema, pagal kurią visos Lorentzo nekeičiančios kvantinio lauko teorijos turi būti nekintamos CPT. Tai reiškia, kad jų pagrindinės lygtys neturėtų keistis tuo pačiu metu pakeitus daleles antidalelėmis, apvertus erdvines koordinates ir pakeitus laiką. Jei ši nekintamybė bus pažeista, teorija nebus nuosekli ir joks natūralumas nepadės jos sukurti. Kitaip tariant, nuosekli kvantinio lauko teorija turi būti nekintama CPT. Todėl aptariant natūralumą reikia stengtis nepainioti jo su nuoseklumu. Ši strategija atveria daug įdomių galimybių, tačiau jų aptarimas per daug nuveš.
Wilhelmas de Sitteras, olandų astronomas, sukūręs vieną pirmųjų reliatyvistinių kosmologinių modelių (de Sitterio modelis). Šaltinis: Čikagos fotografijos archyvo universitetas
Gia, ar įmanoma bent vienas pavyzdys?
GD: - Žinoma. Kaip žinote, mūsų Visatos erdvė plečiasi vis sparčiau - kaip sako kosmologai, mes gyvename de Sitterio pasaulyje. Šis pagreitis paprastai priskiriamas teigiamos vakuuminės energijos, dar vadinamos tamsiąja energija, buvimui. Išmatuotas jo tankis yra labai mažas, maždaug 10–29 g / cm3. Jei manysime, kad gravitaciją galima apibūdinti kvantinio lauko teorijos rėmuose, tai natūralu tikėtis, kad vakuuminės energijos vertė yra daugybė dešimčių dydžių didesnė už šią vertę. Kadangi taip nėra, natūralumo kriterijus akivaizdžiai neveikia. Tačiau dabar turime vis daugiau pagrindo manyti, kad mažą vakuuminės energijos vertę galima pateisinti remiantis nuoseklumo kriterijumi.
Bet tai dar nesibaigė. Remiantis nauju požiūriu, išvadoje daroma išvada, kad vakuuminė energija keičiasi laikui bėgant. Jei nepateiksite papildomų prielaidų, tada tokių pokyčių laiko skalė yra neįsivaizduojamai didelė - 10132 metai. Tačiau jei šiuos pokyčius susiesime su tam tikro skaliarinio lauko buvimu, tai ši skalė bus panaši į Hablo laiką, kuris yra šiek tiek daugiau nei dešimt milijardų metų. Iš skaičiavimų daroma išvada, kad Hablo laiką jis gali viršyti tik kelis kartus, o ne daugeliu dydžių. Jei atvirai, ši išvada manęs ne visai sužavėjo, tačiau ji yra gana logiška. Yra ir kitų variantų, tačiau jie yra visiškai egzotiški.
Apibendrinkime. Apskritai, kaip jūs matote pamatinės fizikos modelių natūralumo problemą ir kokie, jūsų manymu, sprendimai yra optimalūs?
GD: Aleksejus, leisk man pradėti nuo istorinės perspektyvos, tai nepakenks. Pastaraisiais dešimtmečiais mūsų bendruomenės, tų, kurie užsiima pagrindine fizika, nuomonė stipriai svyruoja. Dešimtajame dešimtmetyje, nors kalbėta apie antropinį principą, apskritai niekas ypatingai nesudomino. Tada vyravo nuomonė, kad visatos struktūros pagrindai jau buvo žinomi stygų teorijos asmenyje. Tikėjomės, kad būtent ji pateiks vienintelį teisingą sprendimą, apibūdinantį mūsų Visatą.
Praėjusio dešimtmečio pabaigoje šis įsitikinimas pasikeitė. Labai rimti mokslininkai, pavyzdžiui, Aleksas Vilenkinas ir Andrejus Linde, pradėjo aktyviai ir įtikinamai ginti antropinį principą. Tam tikru momentu bendruomenės sąmonėje įvyko lūžis, panašus į fazinį perėjimą. Daugelis teoretikų antropiniu principu matė vienintelę išeitį iš sunkumų, susijusių su natūralumo problema. Žinoma, jie taip pat turėjo priešininkų, ir mūsų bendruomenė buvo susiskaldžiusi šiuo klausimu. Tiesa, Linde vis dėlto pripažino, kad ne visi standartinio modelio parametrai natūraliai interpretuojami antropinio principo kontekste. Sergejus jau pažymėjo šią aplinkybę ryšium su parametru θ.
Andrejus Linde (kairėje) ir Aleksandras Vilenkinas. Nuotrauka iš svetainės vielewelten.de
Pastaraisiais metais kolektyvinė nuomonė vėl pasikeitė. Dabar matome, kad beveik begalinis visatų rinkinys su skirtingais fiziniais dėsniais apskritai negali egzistuoti. Priežastis paprasta: tokios visatos negali būti stabilios. Visi egzotiški de Sitterio pasauliai turėtų virsti tuščiu erdvės-laiko tęstinumu su plokščia Minkowski geometrija. Vakuumas yra vienintelis stabilus, turintis tik tokią geometriją. Galima parodyti, kad vakuumo energijos tankis, palyginti su Plancko skale, turi būti nereikšmingas. Tai yra būtent tai, kas vyksta mūsų visatoje. Mūsų pasaulis dar nepasiekė Minkowskio pasaulio, todėl vakuuminė energija yra nulis. Jis keičiasi ir iš esmės šiuos pokyčius galima nustatyti eksperimentiškai ir atliekant astrofizinius stebėjimus. Taigi vakuuminės energijos mažume nėra nieko nenatūralaus,ir jo stebima vertė atitinka teorinius lūkesčius.
Remiantis nauju požiūriu, pateikiamos ir kitos labai konkrečios prognozės. Taigi, iš to išplaukia, kad tikrai turi būti ašis. Ši išvada taip pat susijusi su natūralumo problema. Priminsiu, kad teoretikai kadaise išrado šią dalelę, norėdami paaiškinti nenatūraliai mažą parametro value reikšmę. Dabar sakome, kad ašies realybę diktuoja reikalavimas, kad mūsų lygtys atitiktų save. Kitaip tariant, jei ašies nėra, teorija nėra nuosekli. Tai yra visiškai kitokia teorinio spėjimo logika. Taigi apibendrindamas galiu pakartoti tai, ką jau sakiau: natūralumo principą pakeitė daug stipresnis savęs nuoseklumo principas, jo taikymo sritis nuolat plečiasi, o jo ribos dar nėra žinomos. Gali būti, kad jo pagrindu bus galima paaiškinti elementariųjų dalelių masių hierarchiją,atstovaujantis tokiai sudėtingai natūralumo principo problemai. Ar taip yra, mes nežinome. Apskritai, jūs turite dirbti.
Taigi, čia pateikiamos dviejų genialių teorinių fizikų nuomonės, kurie, jų pačių pripažinimu, daug svarstė apie pagrindinės fizikos teorinių modelių natūralumo problemą. Tam tikru požiūriu jie yra panašūs, tam tikru požiūriu skirtingi. Tačiau Sergejus Troitskis ir Gia Dvali neatmeta galimybės, kad dabar natūralumo principas, jei ne iki galo pergyveno savo naudingumą, bet kokiu atveju prarado buvusį patikimumą. Jei taip, tai fundamentali fizika iš tiesų žengia į postnaturalizmo epochą. Pažiūrėkime, kur tai veda.
Norėdamas tinkamai užbaigti diskusiją, paprašiau vieno iš stygų teorijos pradininkų Edvardo Witteno, Princetono fundamentinių tyrimų instituto profesoriaus, kuo trumpiau kalbėti apie natūralumo problemą pagrindinėje fizikoje. Štai ką jis parašė:
Edwardas Wittenas, Prinstono pagrindinių tyrimų instituto profesorius, styginių teorijos įkūrėjas. Nuotrauka iš svetainės wikipedia.org
„Jei fizikas ar kosmologas daro išvadą, kad kokia nors stebima vertė turi kraštutinę vertę, jis ieško pagrįsto aiškinimo. Pavyzdžiui, elektrono masė yra 1800 kartų mažesnė nei protono. Toks rimtas skirtumas tikrai pritraukia dėmesį ir jį reikia paaiškinti.
Šiuo atveju pagrįstas - arba, kitaip tariant, natūralus - paaiškinimas yra tas, kad nuliui nustačius elektronų masę, standartinio modelio lygtys tampa simetriškesnės. Apskritai tada tikslią arba apytikslę simetriją laikome natūralia, kai yra pagrindo tikėtis, kad jei šiandien nežinome, kodėl ji egzistuoja gamtoje, tada tikimės rasti paaiškinimą gilesniame fizinės tikrovės supratimo lygyje. Pagal šią logiką maža elektrono masė nekelia nemalonių problemų natūralumo principui.
Dabar pereikime prie kosmologijos. Mes žinome, kad visatos dydis yra maždaug 1030 kartų didesnis už tipinio mikrobangų foninės spinduliuotės fotono bangos ilgį. Šis ryšys nesikeičia vystantis visatai, todėl jo negalima tiesiog priskirti jos amžiui. Tam reikia kitokio paaiškinimo, kurį galima gauti remiantis infliaciniais kosmologiniais modeliais.
Apsvarstykite kitokio pobūdžio pavyzdį. Yra žinoma, kad tamsiosios energijos vertė yra bent 1060 kartų mažesnė už teoriškai apskaičiuotą vertę, pagrįstą kitų pagrindinių konstantų žiniomis. Žinoma, šį faktą taip pat reikia paaiškinti. Tačiau vis dar nėra pagrįstos jo interpretacijos, išskyrus, galbūt, tą, kuri kyla iš hipotezės apie multiversatą ir antropinio principo. Esu iš tų, kurie norėtų kitokio pobūdžio paaiškinimų, tačiau jų dar nepavyko rasti. Taip viskas yra dabar “.
Apibendrindamas negaliu paneigti malonumo remdamasis neseniai paskelbtu profesoriaus Witteno straipsniu (E. Witten, 2018. Symmetry and Emergence), kuris, mano nuomone, bus puiki išvada diskusijai apie fundamentaliosios fizikos teorijų natūralumą:
„Apskritai, matuoklio simetrija yra ne kas kita, kaip savybė apibūdinti fizinę sistemą. Matavimo simetrijos prasmė šiuolaikinėje fizikoje yra ta, kad fizinius procesus valdo itin subtilūs dėsniai, kurie savaime yra „geometriniai“. Griežtai apibrėžti šią sąvoką yra labai sunku, tačiau praktiškai tai reiškia, kad gamtos dėsniai priešinasi bet kokiems neginčijamiems bandymams rasti aiškią jų išraišką. Sunkumas išreikšti šiuos dėsnius natūralia ir nereikalinga forma yra priežastis, dėl kurios įvedama gabaritų simetrija “.
Arkadijus ir Borisas Strugatskiai.
Taigi trys žmonės - trys nuomonės. Pabaigai - citata iš brolių Strugatskių pasakojimo „Bjauriosios gulbės“(1967):
„Natūralumas visada yra primityvus, - be kita ko tęsė Bol-Kunats, - o žmogus yra sudėtinga būtybė, natūralumas jam netinka“.
Ar tai tinka pagrindinės fizikos teorijoms? Tai yra klausimas.
Aleksejus Levinas, filosofijos daktaras