Stručnjaci na polju temeljne fizike (a to je sada, po definiciji, teorija elementarnih čestica, relativistička astrofizika i kozmologija) često uspoređuju stanje svoje znanosti sa situacijom na kraju 19. stoljeća. Fizika tih dana, koja se temeljila na Newtonovoj mehanici, Maxwellian teoriji elektromagnetskog polja, termodinamiki i statističkoj mehanici Boltzmann-Gibbsa, uspješno je objasnila gotovo sve eksperimentalne rezultate. Istina, bilo je i nesporazuma - nulti rezultat Michelson-Morleyevog eksperimenta, odsutnost teoretskog objašnjenja spektra zračenja crnih tijela, nestabilnost materije koja se očituje u fenomenu radioaktivnosti. Međutim, bilo ih je malo i nisu uništili nadu u zajamčeni trijumf oblikovanih znanstvenih ideja - baremsa stajališta apsolutne većine uglednih znanstvenika. Gotovo nitko nije očekivao radikalno ograničenje primjenjivosti klasične paradigme i pojavu temeljno nove fizike. Pa ipak, rođena je - i to za samo tri desetljeća. Radi pravednosti, vrijedno je napomenuti da je klasična fizika od tada toliko proširila svoje mogućnosti da bi se njezina postignuća činila stranim tim titanima prošlih vremena kao što su Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin i Lorentz. Ali to je sasvim druga priča.da bi se njezina postignuća učinila stranim za titane starih vremena kao što su Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin i Lorenz. Ali to je sasvim druga priča.da bi se njezina postignuća učinila stranim za titane starih vremena kao što su Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin i Lorenz. Ali to je sasvim druga priča.
Detaljna rasprava o poteškoćama suvremene temeljne fizike oduzet će previše prostora i nadilazi moju namjeru. Stoga ću se ograničiti na nekoliko dobro poznatih slabosti najuspješnije i najuniverzalnije teorije mikrosvijeta - Standardnog modela elementarnih čestica. Opisuje dvije od tri temeljne interakcije - jaku i elektroslabu, ali ne utječe na gravitaciju. Ova uistinu sjajna teorija omogućila je razumijevanje mnogih pojava koristeći se principom mjerne invarijantnosti. Međutim, nije objasnila prisutnost mase u neutrinima i nije otkrila dinamiku spontanog kršenja simetrije elektroslabe interakcije koja je odgovorna za pojavu mase zbog Higgsovog mehanizma. Nije dopuštao predviđanje prirode i svojstava čestica koje se mogu smatrati kandidatima za ulogu nositelja tamne materije. Niti Standardni model nije uspio uspostaviti jednoznačne veze s inflatornim teorijama koje su u središtu moderne kozmologije. I, konačno, nije pojasnila put do izgradnje kvantne teorije gravitacije, unatoč uistinu titanskim naporima teoretičara.
Ne obvezujem se tvrditi da navedeni primjeri (a postoje i drugi) omogućuju prosudbu prijelaza temeljne fizike u nestabilno stanje, ispunjeno novom znanstvenom revolucijom. O tome postoje različita mišljenja. Zanima me pitanje koje nije toliko globalno, ali ni manje zanimljivo. Mnogo suvremenih publikacija dovodi u pitanje primjenjivost kriterija prirodnosti teorijskih koncepata, koji se već dugo smatra pouzdanim i učinkovitim vodičem u konstrukciji modela mikrokozmosa (vidi, na primjer, GF Giuduce, 2017. Zora doba post-prirodnosti). Je li istina, koja je prirodnost fizikalne teorije i što je može zamijeniti? Za početak sam o tome razgovarao sa Sergejem Troitskim, glavnim istraživačem na Institutu za nuklearna istraživanja Ruske akademije znanosti.
Sergey Vadimovich Troitsky, dopisni član Ruske akademije znanosti, vodeći istraživač na Institutu za nuklearna istraživanja Ruske akademije znanosti. Fotografija s prof-ras.ru
Sergej, prvo, dogovorimo se oko glavne stvari. Kako ocjenjujete trenutno stanje temeljne fizike? Prema dobro poznatoj terminologiji Thomasa Kuhna, je li to normalna znanost, znanost u pretkriznoj fazi ili samo u krizi?
ST: Kozmologiju klasificirate kao temeljnu fiziku. To je sasvim razumno, ali nisam stručnjak za to i stoga ću se suzdržati od procjena. Ali ako govorimo o fizici visokih energija i Standardnom modelu elementarnih čestica kao njenom teorijskom temelju, tada je u ovom području zapravo sve vrlo teško. Dugi niz godina Veliki hadronski sudarač (LHC) radi u CERN-u i daje rezultate. Zahvaljujući njemu, situacija u fizici čestica postala je, s jedne strane, vrlo dosadna, a s druge strane - izuzetno zanimljiva. Često se sjetim da je nedugo prije lansiranja LHC-a jedan vrlo cijenjeni teorijski fizičar predvidio da će se sada u našoj znanosti otvoriti široki put stupa, što će brzo dovesti do velikih otkrića. Vjerovao je da će doslovno u prvim satima rada sudara ili, najkasnije, u roku od godinu dana, biti identificirani partneri već poznatih čestica,dugo predviđa teorija supersimetrije. Unaprijed su ih smatrali dugo očekivanim česticama tamne materije koje se mogu proučavati dugi niz godina. To je velika perspektiva naše znanosti.
A što se dogodilo u praksi? Nije bilo super partnera, a nema ih, a šanse za njihovo otvaranje u budućnosti uvelike su se smanjile. Prije šest godina Higgsov bozon uhvaćen je na LHC-u i postao je svjetska senzacija. Ali kako to možete procijeniti? Rekao bih da je ovo, u određenom smislu, najstrašnije postignuće LHC-a, jer je Higgs bio predviđen davno. Sve bi bilo puno zanimljivije da ga nije moguće otvoriti. A sada se ispostavlja da mi nemamo ništa osim Standardnog modela, čak iako je to dobro potvrđeno u eksperimentima. Čuda se nisu dogodila, nisu otkrića koja su izvan opsega Standardnog modela. U tom je smislu situacija doista prijekrizna, jer sigurno znamo da Standardni model nije cjelovit. To ste već primijetili u uvodu našeg razgovora.
Kad se dva protona sudare (nije prikazano na slici), nastaju dva kvarka (Quark), koji pri spajanju tvore W-bozon (slabi vektorski bozon) - čestica koja nosi slabu interakciju. W bozon emitira Higgsov bozon, koji se raspada u dva b kvarka (donji kvark). Slika iz članka: B. Tuchming, 2018. Dugo traženi raspad viđenog Higgsovog bozona.
Promotivni video:
Idemo onda dalje. Koliko je princip prirodnosti važan u teoriji čestica i što je to? Nije to jednostavno poštivanje zdravog razuma, zar ne?
ST: Vidim to kao neku vrstu estetskog kriterija, ali ovdje su potrebna objašnjenja. Standardni model ima tri komponente. Prvo, to je popis čestica koje sadrži. Svi su oni već otkriveni, Higgsov bozon je bio posljednji. Drugo, postoji skupina interakcija koje ona opisuje. No postoji i treći dio - skup besplatnih parametara. To je devetnaest brojeva koje je moguće odrediti samo eksperimentalno, jer se ne izračunavaju u okviru samog modela (vidi S. V. Troitsky, 2012. Neriješeni problemi fizike elementarnih čestica).
I tu nastaju poteškoće. Prije svega, previše je tih parametara. Devetnaest je neki čudan broj koji kao da ne slijedi ni od kuda. Štoviše, njihova su značenja previše različita i stoga ih je teško objasniti. Recimo, broj slobodnih parametara uključuje mase leptona - čestica elektrona, miona i tau. Mion je otprilike dvjesto puta teži od elektrona, a tau je gotovo dvadeset puta masivniji od miona. Isto je s kvarkovima - njihove se mase razlikuju po redoslijedu veličine, a sve ostalo je isto.
Mase svih čestica Standardnog modela raspršene su u vrlo širokom rasponu. U Standardnom modelu ova hijerarhija mase nije na zadovoljavajući način objašnjena. Slika iz odjeljka Poteškoće standardnog modela projekta Velikog hadronskog sudarača Igora Ivanova.
Sljedeći je primjer vrijednost bezdimenzionalnog parametra, koji karakterizira kršenje CP invarijantnosti u jakim interakcijama. Njegova točna vrijednost nije poznata, ali eksperimenti pokazuju da je u svakom slučaju manja od 10-9. Opet, ovo je čudno. Općenito, besplatni parametri standardnog modela jako se razlikuju po veličini i izgledaju gotovo slučajno.
Jedna od metoda eksperimentalne registracije aksiona. Brojka u plavoj boji prikazuje procijenjeni tok aksiona koje emitira Sunce, a koji se zatim u magnetskom polju Zemlje (crvena) pretvaraju u X-zrake (narančasta). Te bi zrake mogao otkriti XMM-Newton svemirski rendgenski teleskop. Još uvijek je nepoznato gdje tražiti aksione: oni mogu biti čestice tamne tvari ili se očitovati u evoluciji zvijezda.
Dakle, previše je slobodnih parametara standardnog modela, njihove vrijednosti izgledaju nemotivirano i pretjerano raspršeno. Ali kakve veze prirodnost ima s tim?
S. T.: A mi smo joj samo prišli. U fizici elementarnih čestica načelo prirodnosti teorijskih modela ima vrlo specifično značenje. Zahtijeva da svi bezdimenzionalni slobodni parametri budu jednaki nuli ili se ne razlikuju previše od jednog po redoslijedu veličine - recimo, u rasponu od jedne tisućinke do tisuće. Parametri standardnog modela očito ne udovoljavaju ovom kriteriju. Ali postoji i dodatni uvjet, koji je 1980. formulirao izvanredni nizozemski teoretski fizičar Gerard 't Hooft, jedan od tvoraca Standardnog modela. Pretpostavio je da se vrlo mala vrijednost bilo kojeg slobodnog parametra može prirodno objasniti samo ako njegovo strogo nuliranje dovede do pojave dodatne simetrije, kojoj se jednadžbe teorije pokoravaju. Prema 't Hooftu,"Blizina" takve simetrije služi kao vrsta štita koji štiti oskudnost ovog parametra od velikih korekcija zbog kvantnih procesa koji uključuju virtualne čestice. Kad sam bio student i apsolvent, sva naša znanost doslovno je cvjetala tim postulatom. Ali ovo je još uvijek slabljenje principa prirodnosti, o kojem raspravljamo.
Gerard 't Hooft, nizozemski teorijski fizičar, jedan od osnivača Standardnog modela. Fotografija s web mjesta sureshemre.wordpress.com
Što će se dogoditi ako prijeđete standardni model?
ST: I ovdje se javlja problem prirodnosti, premda druge vrste. Najvažniji dimenzijski parametar Standardnog modela je vakuumska sredina Higgsovog polja. Određuje energetsku ljestvicu elektroslabe interakcije, a mase čestica ovise o njoj. Izvan Standardnog modela postoji jedan podjednako temeljni parametar iste dimenzije. To je, naravno, Planckova masa koja određuje energetsku skalu za kvantne učinke povezane s gravitacijom. Higgsovo polje je oko 250 GeV, što je dvostruko više od mase Higgsovog bozona. Planckova masa je približno 1019 GeV. Dakle, njihov je omjer ili vrlo mali broj ili gigantski broj, ovisno o tome što staviti u brojnik, a što u nazivnik. Zapravo se raspravlja o drugim zanimljivim ljestvicama izvan Standardnog modela,ali su i nemjerljivo veći od Higgsovog polja. Dakle, i ovdje imamo posla s očitom neobičnošću, drugim riječima, nedostatkom prirodnosti.
Dakle, možda je bolje to načelo smatrati prirodnim relikvijom znanosti dvadesetog stoljeća i uopće ga napustiti? Neki znanstvenici ne govore bez razloga o početku postnaturalne ere
ST: Pa, čak i potpuno odbijanje neće riješiti sve naše probleme. Kao što sam rekao, princip prirodnosti je nešto iz područja estetike. Ali postoje i eksperimentalni problemi koji neće nikamo otići. Recimo da je sada sigurno poznato da neutrino ima masu, dok simetrije standardnog modela zahtijevaju da bude strogo nula. Isto je i s tamnom materijom - ona nije u Standardnom modelu, ali u životu, očito je da jest. Moguće je da, ako se eksperimentalne poteškoće mogu razumno riješiti, tada se neće morati napustiti ništa. Ali, ponavljam, cijeli je ovaj kompleks problema sasvim stvaran i ukazuje na krizu trenutne situacije u temeljnoj fizici. Moguće je da će izlaz iz ove krize biti znanstvena revolucija i promjena postojeće paradigme.
Sergej, što za vas osobno znači princip prirodnosti? Možda čak i emocionalno?
ST: Za mene je ovo, u određenom smislu, načelo izračunljivosti. Možemo li ne samo uzeti iz eksperimenta, već izračunati svih ovih 19 parametara? Ili ih barem svesti na jedan zaista besplatan parametar? To bi za mene bilo u redu. Ali zasad ta mogućnost nije vidljiva. Inače, jedno vrijeme mnogi su se nadali da bi se glavne poteškoće Standardnog modela mogle riješiti na temelju koncepta supersimetrije. Međutim, čak i minimalne supersimetrične generalizacije Standardnog modela sadrže čak 105 slobodnih parametara. Ovo je već stvarno loše.
Ali za takvu računicu trebate se osloniti na nešto. Kao što se kaže, ništa ne pretpostavljate - nećete ništa dobiti
S. T.: To je samo poanta. Idealno bi bilo da imam sveobuhvatnu objedinjenu teoriju koja će, barem u principu, omogućiti izvođenje svih potrebnih izračuna. Ali gdje ga nabaviti? Dugo godina se teorija struna predlaže kao kandidat za takav univerzalni temelj. Stvaran je gotovo 50 godina, sasvim ugledne dobi. Možda je ovo prekrasna teorijska konstrukcija, ali još se nije dogodila kao jedinstvena teorija. Naravno, nikome nije zabranjeno nadati se da će se to dogoditi. Međutim, u povijesti fizike rijetko se događalo da se pola stoljeća razvija teorija o obećanjima budućih uspjeha, a onda odjednom i zapravo sve objasni. Ionako sumnjam.
Istina, ovdje postoji određena suptilnost iz teorije struna, koja podrazumijeva postojanje oko 10500 vakua s različitim fizičkim zakonima. Slikovito rečeno, svaki vakuum mora imati svoj Standardni model sa vlastitim skupom slobodnih parametara. Brojni sljedbenici antropskog principa tvrde da naš vlastiti skup ne zahtijeva objašnjenje, jer u svjetovima s različitom fizikom ne može biti života i, prema tome, znanosti. Sa stajališta čiste logike, takva je interpretacija prihvatljiva, s tim da se oskudnost parametra θ ne može izvesti iz antropičkog principa. Ovaj bi parametar mogao biti i više - s toga šanse za pojavu inteligentnog života na našem planetu ne bi se smanjile. Ali antropički princip samo najavljuje moguće postojanje gotovo beskonačnog skupa svjetova i zapravo je ograničen na ovo. Ne može se opovrgnuti - ili, ako se služimo terminologijom, krivotvoriti. Ovo više nije znanost, barem po mom razumijevanju. Napuštati načelo krivotvorenosti znanstvenih spoznaja zbog teorije koja zapravo ne može ništa objasniti, čini mi se netočnim.
Ne mogu se ne složiti. Ali idemo dalje. Kako možete izaći iz krize - ili, ako želite, iz predkrize temeljne fizike? Tko sada ima loptu - teoretičari ili eksperimentatori?
S. T.: Logično, lopta bi trebala biti na strani teoretičara. Postoje pouzdani eksperimentalni podaci o masi neutrina, a postoje i astronomska zapažanja koja potvrđuju postojanje tamne tvari. Čini se da je zadatak očit - doći do temelja novog teorijskog pristupa i izgraditi specifične modele koji omogućuju eksperimentalnu provjeru. Ali do sada takvi pokušaji nisu urodili plodom.
Opet, nije jasno što očekivati od Velikog hadronskog sudarača nakon njegove planirane modernizacije. Naravno, na ovaj će se stroj primiti puno podataka, a čak su i sada obrađeni daleko od svih podataka prikupljenih njegovim detektorima. Na primjer, postoje dokazi da elektroni i mioni nisu u potpunosti identični u svojim interakcijama. Ovo bi bilo vrlo ozbiljno otkriće, koje bi moglo objasniti razliku u njihovim masama. Ali ti su dokazi još uvijek slabi, možete im vjerovati ili im ne možete vjerovati. Ovo će se pitanje najvjerojatnije riješiti u sljedećim eksperimentima na LHC-u. Međutim, vrijedi podsjetiti da su timovi eksperimentalnih fizičara koji rade na njemu više puta izvijestili o nagovještajima velikih otkrića izvan Standardnog modela, a kasnije su te najave opovrgnute.
Sto je ostalo? Može se nadati super akceleratorima, koji će se jednog dana izgraditi, ali s njima je još uvijek sve nejasno - barem za 10-20-godišnju perspektivu. Dakle, lopta je zaista na strani astrofizičara. Od ove se znanosti može očekivati doista radikalan proboj.
Zašto?
ST: Poanta je u tome što nije moguće pronaći nove čestice uključene u jake interakcije. Stoga moramo tražiti čestice koje slabo djeluju, a koje nisu u Standardnom modelu. Ako slabo komuniciraju, tada rijetko komuniciraju i manifestacije takvih interakcija trebaju dugo čekati. Ne možemo dugo čekati eksperimente na akceleratorima. Ali Svemir je čekao gotovo 14 milijardi godina, a učinci čak i vrlo rijetkih interakcija mogu se akumulirati cijelo to vrijeme. Moguće je da astrofizičari mogu pronaći takve učinke. I primjeri za to već postoje - uostalom, prisutnost oscilacija neutrina, što pokazuje ne-nulu masu ove čestice, otkrivena je u proučavanju solarnih neutrina. Te su nade utoliko opravdanije,da se osmatračka baza astronomije i astrofizike neprestano proširuje zahvaljujući novim zemaljskim i svemirskim teleskopima i drugoj opremi. Primjerice, godinu dana nakon prve izravne registracije gravitacijskih valova, dokazano je da se oni šire istom brzinom kao i elektromagnetsko zračenje. Ovo je vrlo važan rezultat koji dovoljno govori za teoretičare.
Predavanje Sergeja Troickog "Svemir kao laboratorij fizike čestica", održano 8. listopada 2017. na Moskovskom državnom sveučilištu. M. V. Lomonosov na Festivalu znanosti:
Sergej, budući da si spomenuo svemir, sjetimo se Johannesa Keplera. 1596. primijetio je da su prosječni polumjeri planetarnih putanja od Merkura do Saturna izračunati po Koperniku 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Udaljenost između Marsa i Jupitera činila se Kepleru prevelikom, a time i neprirodnom. Pretpostavio je da postoji još nepoznat planet i na kraju je bio u pravu. Na Silvestrovo 1801. godine Giuseppe Piazzi otkrio je Ceres u ovoj zoni, koja je danas prepoznata kao patuljasti planet. Naravno, sada znamo da ne postoji jedan planet, već čitav pojas asteroida. Kepler o njemu nije imao pojma, ali mislim da bi ga teško mogao previše iznenaditi. Općenito, na temelju kriterija prirodnosti, napravljeno je vrlo specifično predviđanje, koje je isprva bilo opravdano doslovno, a kasnije, ako želite, sa zanimanjem. Je li danas moguće nešto slično u temeljnoj fizici?
S. T.: Ovo nije isključeno. Ako primijenimo kriterij prirodnosti da bismo objasnili hijerarhiju fermionskih masa, tada će se gotovo sigurno pojaviti neka nova simetrija. Općenito, do danas su predloženi razni kandidati za ovu ulogu, ali svi nas nekako ne zadovoljavaju. Ako se takva simetrija može pronaći, mogla bi nas dovesti do još nepoznatih čestica. Istina, izravno ih predvidjeti, poput Keplerovog, neće uspjeti, ali naučit ćemo nešto korisno. Međutim, moguće je da će i u ovom slučaju korisne upute biti prilično nejasne, s ogromnim nizom opcija. Na primjer, aksion se predviđa samo na temelju nove simetrije koju su predložili Peccei i Quinn. Međutim, ovaj mehanizam omogućuje vrlo veliku slobodu u odabiru parametara, pa stoga nemamo naznake gdje tražiti aksion. To može biti čestica tamne materijeili se može očitovati u evoluciji zvijezda ili negdje drugdje - mi jednostavno ne znamo.
Pa, vrijeme će pokazati. I puno vam hvala na razgovoru
Razgovarao sam i s Giaom Dvalijem, profesorom fizike na sveučilištima u New Yorku i Münchenu i ko-direktorom Instituta Max Planck za fiziku (usput rečeno, ovaj poznati istraživački centar stvoren je 1914. godine kao Fizički institut Kaiser Wilhelm, a njegov je prvi direktor bio Albert Einstein). Naravno, razgovarali smo o istoj temi.
Georgiy Dvali, profesor fizike na Centru za kozmologiju i fiziku čestica na Sveučilištu New York i Sveučilištu Ludwig-Maximilian u Münchenu, direktor Instituta Max Planck za fiziku u Münchenu. Fotografija sa stranice astronet.ge
Guia, kako tumačiš problem prirodnosti Standardnog modela?
GD: Općenito, mogu ponoviti ono što je Sergej rekao. Jednadžbe Standardnog modela uključuju skup slobodnih parametara koje ne može predvidjeti. Numeričke vrijednosti ovih parametara međusobno se uvelike razlikuju, čak i ako govorimo o naizgled sličnim objektima. Uzmimo, recimo, neutrino, elektron i t kvark. Svi su oni fermioni, ali masa neutrina, najvjerojatnije, ne prelazi djelić elektron-volta, masa elektrona približno je jednaka petsto tisuća elektron-volta, a masa t-kvarka je 175 GeV - 175 milijardi elektron-volti. Takve razlike mogu se doista činiti nekako neprirodno.
Ali ovo je samo vanjska strana. Da bismo sve bolje razumjeli, potrebno je uzeti u obzir ultraljubičastu osjetljivost ovih parametara. Govorimo o njihovoj ovisnosti o povećanju razmjera energija - ili, što je isto, o smanjenju prostornog mjerila. Recimo da najprije izmjerimo masu elektrona u laboratoriju, a zatim pogledamo što mu se događa na Planckovim udaljenostima. Ovim pristupom parametri su podijeljeni u nekoliko skupina. Maksimalna ultraljubičasta osjetljivost pokazuje se gustoćom energije fizičkog vakuuma. U regiji Planck proporcionalna je četvrtom stupnju promjene ljestvice. Ako se Planckova masa udvostruči, tada će se vrijednost energije vakuuma povećati 16 puta. Za masu Higgsovog bozona ta ovisnost nije tako velika: ne četvrta, već samo druga. Fermionske mase vrlo se slabo mijenjaju - samo prema logaritamskom zakonu. Napokon, parametar θ praktički ne primjećuje promjene u Planckovoj skali. Iako njegova osjetljivost nije nula, toliko je mala da se može zanemariti.
Što znači ovo širenje u stupnju osjetljivosti slobodnih parametara standardnog modela? Ovdje su moguće razne mogućnosti. Na primjer, možemo pretpostaviti da masa Higgsovog bozona uopće ne zaslužuje status temeljne veličine. Ova se pretpostavka automatski proširuje na mase čestica, koje ovise o Higgsovoj masi. Tada širenje njihovih vrijednosti neće izgledati čudnije od, na primjer, razlike u veličini molekula i galaksija. Ni jedno ni drugo ni na koji se način ne pretvaraju da su temeljni, pa stoga nema smisla procjenjivati njihovu veličinu u smislu prirodnosti.
Ako se ova analogija čini pretjeranom, evo još jednog primjera. Dobro znamo karakterističnu energiju jake interakcije, njen je red 1 GeV. A također znamo da razmjere jakih interakcija nisu temeljne, pa njegova mala vrijednost u odnosu na Planckovu masu nikoga ne iznenađuje. Općenito, ako prihvatimo da je u smislu prirodnosti ili neprirodnosti razumno uspoređivati isključivo temeljne veličine, tada će za parametre Standardnog modela ovaj problem praktički nestati.
Zanimljivo je da ista logika djeluje i za pristaše antropičnog principa. Oni vjeruju da postoji velika raznolikost vakuuma s različitim fizikalnim zakonima, što se obično naziva multiverzumom. Naš vlastiti svemir nastao je iz jednog od tih vakuuma. Ako zauzmemo ovo gledište, onda općenito ne postoji problem prirodnosti parametara Standardnog modela. Ali ne sviđa mi se ovaj pristup, iako priznajem da on ima svoje pristaše.
Dakle, odbacivanje pretpostavke da su parametri Standardnog modela temeljni uklanja problem prirodnosti. Je li ovo kraj rasprave ili možemo ići dalje?
GD: Naravno, moguće je i potrebno. Po mom mišljenju, puno je važnije i zanimljivije govoriti ne o prirodnosti modela, već o njegovoj samokonsistentnosti. Na primjer, svi radimo u okviru kvantne teorije polja. Inače, ovo se odnosi ne samo na standardni model, već i na teoriju struna. Sve fizički smislene provedbe ove teorije trebale bi se temeljiti na posebnoj teoriji relativnosti, pa bi njihove jednadžbe trebale izgledati jednako u svim inercijalnim referentnim okvirima. To se svojstvo naziva relativistička invarijantnost teorije ili Lorentzova invarijantnost. Postoji teorem prema kojem sve Lorentz-invarijantne kvantne teorije polja moraju biti CPT-invarijantne. To znači da se njihove osnovne jednadžbe ne bi smjele mijenjati istodobnom zamjenom čestica antičesticama, inverzijom prostornih koordinata i obratom vremena. Ako se ova nepromjenjivost krši, teorija neće biti samoskladna i nijedna količina prirodnosti neće pomoći u njenoj izgradnji. Drugim riječima, samokonzistentna kvantna teorija polja prisiljena je biti CPT-invarijantna. Stoga, raspravljajući o prirodnosti, mora se paziti da je ne pobrkate sa samokonsistentnošću. Ova strategija otvara mnoge zanimljive mogućnosti, ali rasprava o njima odvest će nas predaleko.
Wilhelm de Sitter, nizozemski astronom koji je stvorio jedan od prvih relativističkih kozmoloških modela (de Sitter-ov model). Izvor: Photographic Archive University of Chicago
Gia, je li moguć barem jedan primjer?
GD: - Naravno. Kao što znate, prostor našeg Svemira širi se sve većom brzinom - kako kažu kozmolozi, živimo u de Sitter-ovom svijetu. To se ubrzanje obično pripisuje prisutnosti pozitivne energije vakuuma, koja se naziva i tamnom energijom. Njegova izmjerena gustoća izuzetno je niska, približno 10-29 g / cm3. Ako pretpostavimo da se gravitacija može opisati u okviru kvantne teorije polja, tada je prirodno očekivati da je vrijednost energije vakuuma za nekoliko desetaka redova veličine veća od ove vrijednosti. Budući da to nije tako, kriterij prirodnosti očito ne djeluje. Međutim, sada imamo sve više osnova za mišljenje da se mala vrijednost energije vakuuma može opravdati na temelju kriterija samokonzistentnosti.
Ali još nije gotovo. U okviru novog pristupa, zaključak sam sugerira da se energija vakuuma mijenja s vremenom. Ako ne uvedete dodatne pretpostavke, tada je vremenska skala takvih promjena nezamislivo velika - 10132 godine. Međutim, ako ove promjene povežemo s prisutnošću određenog skalarnog polja, tada će ta ljestvica biti usporediva s Hubbleovim vremenom, koje je nešto više od deset milijardi godina. Iz proračuna proizlazi da može prekoračiti Hubbleovo vrijeme samo nekoliko puta, a ne puno reda veličine. Iskreno, nisam potpuno impresioniran ovim zaključkom, ali sasvim je logičan. Postoje i druge mogućnosti, ali one su potpuno egzotične.
Rezimirajmo. Općenito, kako vidite problem prirodnosti modela temeljne fizike i koja su rješenja po vašem mišljenju optimalna?
GD: Alexey, dopustite mi da započnem s povijesnom perspektivom, neće škoditi. Posljednjih desetljeća stavovi naše zajednice, zajednice onih koji se bave temeljnom fizikom, snažno su oscilirali. Devedesetih, iako se raspravljalo o antropičkom principu, općenito nitko nije bio posebno zainteresiran. Tada je prevladavalo mišljenje da su temelji osobe svemira već poznati u osobi teorije struna. Nadali smo se da će upravo ona dati jedino ispravno rješenje koje opisuje naš Svemir.
Krajem prošlog desetljeća to se uvjerenje promijenilo. Vrlo ozbiljni znanstvenici, na primjer, Alex Vilenkin i Andrey Linde, počeli su aktivno i uvjerljivo braniti antropički princip. U nekom je trenutku u svijesti zajednice došlo do prekretnice, nešto poput faznog prijelaza. Mnogi su teoretičari u antropičnom principu vidjeli jedini izlaz iz poteškoća povezanih s problemom prirodnosti. Naravno, imali su i protivnike, a naša je zajednica bila podijeljena po tom pitanju. Istina, Linde je unatoč tome priznao da nisu svi parametri Standardnog modela prirodno tumačenje u kontekstu antropičnog principa. Sergej je tu okolnost već primijetio u vezi s parametrom θ.
Andrey Linde (lijevo) i Alexander Vilenkin. Fotografija s web mjesta vielewelten.de
Posljednjih godina kolektivno se mišljenje ponovno promijenilo. Sada vidimo da gotovo beskonačan skup svemira s različitim fizičkim zakonima uopće ne može postojati. Razlog je jednostavan: takvi svemiri ne mogu biti stabilni. Svi egzotični de Sitter-ovi svjetovi trebali bi se pretvoriti u prazni prostorno-vremenski kontinuitet s ravnom geometrijom Minkowskog. Vakuum je jedini stabilni samo s ovom geometrijom. Može se pokazati da gustoća energije vakuuma mora biti zanemariva u usporedbi s Planckovom ljestvicom. Upravo se to događa u našem svemiru. Naš svijet još nije dosegao svijet Minkowskog, pa vakuumska energija nije nula. Mijenja se, a u principu se te promjene mogu otkriti eksperimentalno i uz astrofizička promatranja. Dakle, nema ništa neprirodno u malenosti vakuumske energije,a njegova promatrana vrijednost u skladu je s teorijskim očekivanjima.
Na temelju novog pristupa izrađuju se i druga vrlo specifična predviđanja. Dakle, iz toga proizlazi da sigurno mora postojati aksion. Ovaj se zaključak također odnosi na problem prirodnosti. Podsjećam vas da su teoretičari jednom izumili ovu česticu kako bi objasnili neprirodno malu vrijednost parametra θ. Sada kažemo da stvarnost aksiona diktira zahtjev za samokonsistentnošću naših jednadžbi. Drugim riječima, ako aksion ne postoji, teorija nije samokonzistentna. To je potpuno drugačija logika teorijskog predviđanja. Dakle, u zaključku mogu ponoviti ono što sam već rekao: načelo prirodnosti zamijenjeno je puno jačim načelom samoskladnosti, a opseg njegove primjenjivosti neprestano se širi, a njegove granice još nisu poznate. Moguće je da će na njegovoj osnovi biti moguće objasniti hijerarhiju masa elementarnih čestica,predstavljajući tako težak problem za načelo prirodnosti. Je li to tako, ne znamo. Općenito, morate raditi.
Dakle, ovdje su mišljenja dvojice briljantnih teorijskih fizičara koji su, prema vlastitom priznanju, puno razmišljali o problemu prirodnosti teorijskih modela temeljne fizike. Na neki su način slični, na neki način različiti. Međutim, Sergej Troicki i Gia Dvali ne isključuju da je sada načelo prirodnosti, ako ne i potpuno nadživjelo svoju korisnost, onda je, u svakom slučaju, izgubilo nekadašnju vjerodostojnost. Ako je tako, onda temeljna fizika zaista ulazi u eru postnaturalizma. Pogledajmo kamo ovo vodi.
Kako bih dostojno završio raspravu, zamolio sam jednog od utemeljitelja teorije struna, Edwarda Wittena, profesora na Princetonovom institutu za temeljna istraživanja, da što kraće govori o problemu prirodnosti u temeljnoj fizici. Evo što je napisao:
Edward Witten, profesor na Princeton Institute of Fundamental Research, suosnivač teorije struna. Fotografija s web mjesta wikipedia.org
„Ako fizičar ili kozmolog dođe do zaključka da neka uočljiva vrijednost ima krajnju vrijednost, on traži razumno tumačenje. Na primjer, masa elektrona je 1800 puta manja od mase protona. Takva ozbiljna razlika sigurno privlači pažnju i treba objašnjenje.
U ovom slučaju, razumno - ili, drugim riječima, prirodno - objašnjenje je da kada se masa elektrona poništi, jednadžbe Standardnog modela postaju simetričnije. Općenito, točnu ili približnu simetriju tada smatramo prirodnom, kad se ima razloga nadati da ako danas ne znamo zašto ona postoji u prirodi, onda očekujemo da ćemo naći objašnjenje na dubljoj razini razumijevanja fizičke stvarnosti. Prema ovoj logici, mala masa elektrona ne stvara neugodne probleme principu prirodnosti.
Krenimo sada na kozmologiju. Znamo da je veličina svemira otprilike 1030 puta veća od valne duljine tipičnog fotona mikrovalnog pozadinskog zračenja. Taj se odnos ne mijenja kako se svemir razvija, pa ga se stoga ne može jednostavno pripisati njegovoj dobi. Potrebno je drugačije objašnjenje koje se može dobiti na temelju inflatornih kozmoloških modela.
Razmotrimo primjer druge vrste. Poznato je da je vrijednost tamne energije najmanje 1060 puta manja od teoretski izračunate vrijednosti temeljene na poznavanju drugih temeljnih konstanti. Naravno, i ta činjenica traži objašnjenje. Međutim, još uvijek nema razumnog tumačenja za to - osim onog koje slijedi iz hipoteze multiverzuma i antropičnog principa. Ja sam od onih koji bi voljeli drugu vrstu objašnjenja, ali ono još nije pronađeno. Tako stvari sada stoje.
U zaključku ne mogu sebi uskratiti zadovoljstvo citirajući nedavni članak profesora Wittena (2018. Simetrija i pojava), koji će, mislim, biti izvrstan zaključak rasprave o prirodnosti teorija temeljne fizike:
„Općenito govoreći, simetrija mjerila nije ništa drugo nego svojstvo opisivanja fizičkog sustava. Značenje simetrija mjerača u modernoj fizici je u tome što se fizikalnim procesima upravlja krajnje suptilnim (suptilnim) zakonima, koji su u biti "geometrijski". Vrlo je teško dati strogu definiciju ovog pojma, ali u praksi to znači da se zakoni Prirode opiru svim nespornim pokušajima da se za njih pronađe izričit izraz. Poteškoća u izražavanju ovih zakona u prirodnom i ne-suvišnom obliku razlog je za uvođenje simetrije mjerača."
Arkadije i Boris Strugatski.
Dakle, troje ljudi - tri mišljenja. U zaključku - citat iz priče braće Strugatsky "Ružni labudovi" (1967.):
"Prirodno je uvijek primitivno", nastavio je između ostalog Bol-Kunats, "a čovjek je složeno biće, prirodnost mu ne odgovara."
Odgovara li teorijama temeljne fizike? To je pitanje.
Alexey Levin, doktor filozofije
