Speciālisti fundamentālās fizikas jomā (un tagad pēc definīcijas elementārdaļiņu teorija, relatīvistiskā astrofizika un kosmoloģija) bieži salīdzina savas zinātnes stāvokli ar situāciju 19. gadsimta beigās. Šo dienu fizika, kuras pamatā bija Ņūtona mehānika, Maksvelija Boltmana-Gibsa elektromagnētiskā lauka teorija, termodinamika un statistikas mehānika, veiksmīgi izskaidroja gandrīz visus eksperimentu rezultātus. Tiesa, bija arī pārpratumi - Miķelsona-Morlija eksperimenta nulles rezultāts, melnķermeņu radiācijas spektru teorētiska izskaidrojuma neesamība, matērijas nestabilitāte, kas izpaužas radioaktivitātes fenomenā. Tomēr tādu bija maz, un tie neiznīcināja cerību uz izveidoto zinātnisko ideju garantētu triumfu - vismazno cienījamu zinātnieku absolūtā vairākuma viedokļa. Gandrīz neviens negaidīja radikālu klasiskās paradigmas pielietojamības ierobežojumu un principiāli jaunas fizikas parādīšanos. Un tomēr viņa piedzima - un tikai trīs gadu desmitos. Taisnības labad ir vērts atzīmēt, ka klasiskā fizika kopš tā laika ir tik daudz paplašinājusi savas iespējas, ka tās sasniegumi būtu šķituši sveši tādiem seno laiku titāniem kā Faradejs, Klausiuss, Helmholcs, Reilijs, Kelvins un Lorencs. Bet tas ir pavisam cits stāsts.ka viņas sasniegumi būtu šķituši sveši tādiem seno laiku titāniem kā Faradejs, Klausiuss, Helmholcs, Reilijs, Kelvins un Lorencs. Bet tas ir pavisam cits stāsts.ka viņas sasniegumi būtu šķituši sveši tādiem seno laiku titāniem kā Faradejs, Klausiuss, Helmholcs, Reilijs, Kelvins un Lorencs. Bet tas ir pavisam cits stāsts.
Detalizēta mūsdienu fundamentālās fizikas grūtību apspriešana aizņems pārāk daudz vietas, un tas nav mans nolūks. Tāpēc es aprobežošos ar dažiem labi zināmiem mikropasaules veiksmīgākās un universālākās teorijas trūkumiem - elementārdaļiņu standarta modeli. Tajā aprakstītas divas no trim fundamentālajām mijiedarbībām - stipra un vāja, bet neietekmē gravitāciju. Šī patiesi lieliskā teorija ļāva izprast daudzas parādības, izmantojot mērierīces nemainības principu. Tomēr viņa nepaskaidroja masas klātbūtni neitrīnos un neatklāja elektropilās mijiedarbības spontānas simetrijas pārrāvuma dinamiku, kas ir atbildīga par masas parādīšanos Higsa mehānisma dēļ. Tas neļāva paredzēt to daļiņu raksturu un īpašības, kuras var uzskatīt par kandidātiem tumšās vielas nesēju lomai. Standarta modelis arī nav spējis noteikt nepārprotamas saiknes ar inflācijas teorijām, kas ir mūsdienu kosmoloģijas pamatā. Un, visbeidzot, viņa, neskatoties uz teorētiķu patiesi titāniskajiem centieniem, viņa nav noskaidrojusi ceļu uz gravitācijas kvantu teorijas konstruēšanu.
Es neuzņemos apgalvot, ka sniegtie piemēri (un ir arī citi) ļauj spriest par pamatfizikas pāreju uz nestabilu stāvokli, kas pilns ar jaunu zinātnisko revolūciju. Par to ir dažādi viedokļi. Mani interesē jautājums, kas nav tik globāls, bet ne mazāk interesants. Daudzās mūsdienu publikācijās tiek apšaubīta teorētisko koncepciju dabiskuma kritērija piemērojamība, kas jau sen tiek uzskatīta par drošu un efektīvu vadmotīvu mikrokosma modeļu konstruēšanā (skat., Piemēram, GF Giuduce, 2017. The Post of Naturalness Era rītausma). Vai tā ir taisnība, kāds ir fiziskās teorijas dabiskums un kas to var aizstāt? Iesākumā es par to runāju ar Krievijas Zinātņu akadēmijas Kodolpētījumu institūta galveno pētnieku Sergeju Troicki.
Sergejs Vadimovičs Troickis, Krievijas Zinātņu akadēmijas korespondents, Krievijas Zinātņu akadēmijas Kodolpētniecības institūta vadošais pētnieks. Foto no prof-ras.ru
Sergej, pirmkārt, vienosimies par galveno. Kā jūs vērtējat pašreizējo fundamentālās fizikas stāvokli? Vai saskaņā ar pazīstamo Tomasa Kūna terminoloģiju tā ir normāla zinātne, zinātne pirmskrīzes fāzē vai tikai krīzes apstākļos?
ST: Jūs uzskatāt, ka kosmoloģija ir fundamentāla fizika. Tas ir diezgan saprātīgi, bet es neesmu tā eksperts, un tāpēc atturēšos no vērtējumiem. Bet, ja mēs runājam par augstas enerģijas fiziku un elementārdaļiņu standarta modeli kā tā teorētisko pamatu, tad šajā jomā faktiski viss ir ļoti grūti. Daudzus gadus lielais hadronu paātrinātājs (LHC) ir strādājis CERN un sniedzis rezultātus. Pateicoties viņam, situācija daļiņu fizikā ir kļuvusi, no vienas puses, ļoti garlaicīga, no otras puses - ārkārtīgi interesanta. Es bieži atceros, ka neilgi pirms LHC darbības uzsākšanas viens ļoti cienīts teorētiskais fiziķis paredzēja, ka tagad mūsu zinātnē pavērsies plašs pīlāru ceļš, kas ātri novedīs pie lieliem atklājumiem. Viņš uzskatīja, ka burtiski pirmajās sadursmes darba stundās vai, vēlākais, gada laikā tiks identificēti jau zināmo daļiņu partneri,ilgi prognozēja supersimetrijas teorija. Tās jau iepriekš tika uzskatītas par ilgi gaidītām tumšās vielas daļiņām, kuras varēja pētīt daudzus gadus. Tāda ir mūsu zinātnes lieliskā perspektīva.
Un kas notika praksē? Nebija super partneru, un tādu nav, un izredzes tos atvērt nākotnē ir ļoti mazinājušas. Pirms sešiem gadiem Higsa bozons tika noķerts LHC, un tas kļuva par pasaules sensāciju. Bet kā jūs to varat novērtēt? Es teiktu, ka tas savā ziņā ir visbriesmīgākais LHC sasniegums, jo Higgs tika prognozēts jau sen. Viss būtu daudz interesantāk, ja nebūtu iespējams to atvērt. Un tagad izrādās, ka mums nav nekā cita, izņemot standarta modeli, pat ja tas ir labi apstiprināts eksperimentos. Brīnumi nav notikuši, atklājumi, kas ietilpst standarta modeļa darbības jomā, nav veikti. Šajā ziņā situācija patiešām ir pirmskrīzes apstākļos, jo mēs noteikti zinām, ka standarta modelis nav pilnīgs. Jūs to jau esat atzīmējis mūsu sarunas ievadā.
Divu protonu sadursmē (kas nav parādīts attēlā), tiek izveidoti divi kvarki (Quark), kas, saplūstot, veido W-bozonu (Vāja vektora bozons) - daļiņa, kurai ir vāja mijiedarbība. W bozons izstaro Higsa bozonu, kas sadalās divos b kvarkos (Bottom quark). Attēls no raksta: B. Tuchming, 2018. Higsa bozona redzētais ilgi meklētais sabrukums.
Reklāmas video:
Tad ejam tālāk. Cik svarīgs daļiņu teorijā ir dabiskuma princips, un kas tas ir? Tā nav vienkārša veselā saprāta ievērošana, vai ne?
ST: Es to uzskatu par sava veida estētisku kritēriju, bet šeit ir nepieciešami paskaidrojumi. Standarta modelim ir trīs sastāvdaļas. Pirmkārt, tas ir tajā esošo daļiņu saraksts. Visi no tiem jau ir atklāti, Higsa bozons bija pēdējais. Otrkārt, ir mijiedarbības grupa, kuru viņa apraksta. Bet ir arī trešā daļa - bezmaksas parametru kopums. Tie ir deviņpadsmit skaitļi, kurus var noteikt tikai eksperimentāli, jo tie netiek aprēķināti paša modeļa ietvaros (sk. S. V. Troitsky, 2012. Neatrisinātas elementārdaļiņu fizikas problēmas).
Un šeit rodas grūtības. Pirmkārt, šo parametru ir pārāk daudz. Deviņpadsmit ir kaut kāds dīvains skaitlis, kas, šķiet, neseko no jebkuras vietas. Turklāt to nozīme ir pārāk atšķirīga, un tāpēc to ir grūti izskaidrot. Pieņemsim, ka brīvo parametru skaitā ir leptonu masas - elektrons, muons un tau daļiņa. Mūons ir aptuveni divsimt reižu smagāks par elektronu, un tau ir gandrīz divdesmit reizes masīvāks nekā mons. Līdzīgi ir ar kvarkiem - to masas atšķiras pēc lieluma pakāpēm, un viss pārējais ir vienāds.
Visu standarta modeļa daļiņu masas ir izkaisītas ļoti plašā diapazonā. Standarta modelī šī masu hierarhija nav pietiekami izskaidrota. Attēls no sadaļas “Grūtības” Igora Ivanova projekta “Lielais hadronu paātrinātājs” standarta modeļa.
Cits piemērs ir bezdimensijas parametra vērtība, kas raksturo CP nemainības pārkāpumu spēcīgā mijiedarbībā. Tās precīza vērtība nav zināma, taču eksperimenti rāda, ka jebkurā gadījumā tā ir mazāka par 10–9. Atkal tas ir dīvaini. Parasti standarta modeļa brīvie parametri ir ļoti atšķirīgi un izskatās gandrīz nejauši.
Viena no asu eksperimentālās reģistrācijas metodēm. Zilā krāsā parādīts Saules izstaroto aplēsto plūsmu plūsma, kas pēc tam Zemes magnētiskajā laukā (sarkanā) tiek pārveidota par rentgena stariem (oranža). Šos starus varēja noteikt ar XMM-Newton kosmosa rentgena teleskopu. Joprojām nav zināms, kur meklēt aksijas: tās var būt tumšās matērijas daļiņas vai izpausties zvaigžņu evolūcijā.
Tātad standarta modeļa brīvo parametru ir pārāk daudz, to vērtības izskatās nemotivētas un pārmērīgi izkaisītas. Bet kāds ar to ir dabiskums?
S. T.: Un mēs vienkārši piegājām pie viņas. Elementārdaļiņu fizikā teorētisko modeļu dabiskuma principam ir ļoti specifiska nozīme. Tas prasa, lai visi bez dimensiju brīvie parametri vai nu būtu vienādi ar nulli, vai arī lieluma secība nav pārāk atšķirīga no viena - teiksim, diapazonā no vienas tūkstošdaļas līdz tūkstošam. Standarta modeļa parametri acīmredzami neatbilst šim kritērijam. Bet ir arī papildu nosacījums, kuru 1980. gadā formulēja ievērojamais holandiešu teorētiskais fiziķis Džerards 't Hoofts, viens no standarta modeļa veidotājiem. Viņš postulēja, ka jebkura maza parametra ļoti maza vērtība dabiski izskaidro tikai tad, ja tā stingrā nulles noteikšana noved pie papildu simetrijas parādīšanās, kurai teorijas vienādojumi pakļaujas. Saskaņā ar 't Hooft,Šādas simetrijas “tuvums” kalpo kā sava veida vairogs, kas aizsargā šī parametra nepietiekamību no lielām korekcijām kvantu procesu dēļ, kuros iesaistītas virtuālās daļiņas. Kad es biju students un aspirants, visa mūsu zinātne burtiski uzziedēja ar šo postulātu. Bet tas joprojām ir dabiskuma principa vājināšanās, kuru mēs apspriežam.
Džerards 't Hoofts, holandiešu teorētiskais fiziķis, viens no standarta modeļa dibinātājiem. Foto no vietnes sureshemre.wordpress.com
Kas notiek, ja jūs pārsniedzat standarta modeli?
ST: Arī šeit rodas dabiskuma problēma, kaut arī cita veida. Svarīgākais standarta modeļa izmēru parametrs ir Higsa lauka vidējais vakuuma rādītājs. Tas nosaka elektroenerģijas vājuma mijiedarbības enerģijas skalu, un daļiņu masas ir atkarīgas no tā. Ārpus standarta modeļa ir tikai viens vienlīdz fundamentāls vienas dimensijas parametrs. Tā, protams, ir Plankas masa, kas nosaka ar gravitāciju saistīto kvantu efektu enerģijas skalu. Higsa lauks ir aptuveni 250 GeV, kas ir divreiz lielāks par Higsa bozona masu. Plankas masa ir aptuveni 1019 GeV. Tātad viņu attiecība ir vai nu ļoti mazs skaitlis, vai gigantisks skaitlis, atkarībā no tā, ko likt skaitītājā un ko saucējā. Patiesībā tiek apspriesti citi interesanti mērogi ārpus standarta modeļa,taču tie ir arī neizmērojami lielāki par Higsa lauku. Tātad arī šeit mums ir darīšana ar acīmredzamām dīvainībām, citiem vārdiem sakot, dabiskuma trūkumu.
Tātad, varbūt labāk ir uzskatīt šo principu par dabisku divdesmitā gadsimta zinātnes reliktu un vispār no tā atteikties? Ne velti daži zinātnieki runā par postnaturālās ēras sākumu
ST: Nu, pat pilnīgs atteikums neatrisinās visas mūsu problēmas. Kā jau teicu, dabiskuma princips ir kaut kas no estētikas jomas. Bet ir arī eksperimentālas problēmas, kas nekur nepazudīs. Pieņemsim, ka tagad ir droši zināms, ka neitrīno ir masa, savukārt standarta modeļa simetrijas prasa, lai tā būtu stingri nulle. Tas pats ir ar tumšo matēriju - standarta modelī tā nav, bet dzīvē, acīmredzot, tā ir. Iespējams, ka, ja eksperimentālās grūtības var saprātīgi atrisināt, tad nekas nebūs jāatsakās. Bet, es atkārtoju, viss šis problēmu komplekss ir diezgan reāls un norāda uz pašreizējās situācijas krīzes raksturu fundamentālajā fizikā. Iespējams, ka izeja no šīs krīzes būs zinātniska revolūcija un izmaiņas esošajā paradigmā.
Sergej, ko dabiskuma princips nozīmē tev personīgi? Varbūt pat emocionāli?
ST: Man tas savā ziņā ir aprēķināmības princips. Vai mēs varam ne tikai ņemt no eksperimenta, bet arī aprēķināt visus šos 19 parametrus? Vai vismaz samazināt tos līdz vienīgajam patiesi bezmaksas parametram? Tas man būtu labi. Bet līdz šim šī iespēja nav redzama. Starp citu, savulaik daudzi cerēja, ka standarta modeļa galvenās grūtības var sakārtot, pamatojoties uz supersimetrijas jēdzienu. Tomēr pat minimālajos standarta modeļa supersimetriskajos vispārinājumos ir pat 105 brīvie parametri. Tas jau ir patiešām slikti.
Bet šādam aprēķinam jums ir jāpaļaujas uz kaut ko. Kā saka, jūs neko neuzņematies - jūs neko nedabūsiet
S. T.: Tas ir tikai punkts. Ideālā gadījumā es vēlētos, lai būtu visaptveroša vienota teorija, kas vismaz principā ļaus veikt visus nepieciešamos aprēķinus. Bet kur to iegūt? Daudzus gadus stīgu teorija tiek piedāvāta kā kandidāts šādam universālam pamatam. Tas ir izveidots gandrīz 50 gadus, diezgan cienījamā vecumā. Varbūt šī ir brīnišķīga teorētiskā konstrukcija, taču tā vēl nav notikusi kā vienota teorija. Protams, nevienam nav aizliegts cerēt, ka tas notiks. Tomēr fizikas vēsturē reti gadījās, ka pusgadsimtu izstrādāta teorija par solījumiem par nākotnes panākumiem un pēc tam pēkšņi un faktiski visu izskaidroja. Es vienalga šaubos.
Tiesa, šeit ir zināms smalkums no stīgu teorijas, kas nozīmē, ka pastāv aptuveni 10500 vakuuma ar dažādiem fiziskiem likumiem. Tēlaini izsakoties, katram vakuumam jābūt savam standarta modelim ar savu brīvo parametru kopumu. Daudzi antropiskā principa piekritēji apgalvo, ka mūsu pašu kopumam nav vajadzīgs skaidrojums, jo pasaulēs ar atšķirīgu fiziku nevar būt dzīvības un līdz ar to arī zinātnes. No tīras loģikas viedokļa šāda interpretācija ir pieņemama, izņemot to, ka parametra θ nepietiekamību nevar atvasināt no antropiskā principa. Šis parametrs varēja būt vairāk - no tā izredzes uz inteliģentu dzīvi parādīties uz mūsu planētas nekādā veidā nemazināsies. Bet antropiskais princips tikai paziņo par gandrīz bezgalīga pasaules kopuma iespējamo esamību un faktiski ar to aprobežojas. To nevar atspēkot - vai, lietojot terminoloģiju, viltot. Tā vairs nav zinātne, vismaz manā izpratnē. Man šķiet nepareizi atteikties no zinātnisko zināšanu viltošanas principa teorijas dēļ, kas faktiski neko nevar izskaidrot.
Es nevaru nepiekrist. Bet ejam tālāk. Kā jūs varat izkļūt no krīzes - vai, ja vēlaties, no fundamentālās fizikas pirmskrīzes? Kam tagad ir bumba - teorētiķiem vai eksperimentētājiem?
S. T.: Loģiski, ka bumbai jābūt teorētiķu pusē. Ir ticami eksperimentāli dati par neitrīno masu, un ir astronomu novērojumi, kas apstiprina tumšās vielas esamību. Šķiet, ka uzdevums ir acīmredzams - nākt klajā ar jaunas teorētiskas pieejas pamatiem un izveidot īpašus modeļus, kas ļauj veikt eksperimentālu pārbaudi. Bet līdz šim šādi mēģinājumi nav sasnieguši neko.
Atkal nav skaidrs, ko sagaidīt no Lielā hadrona paātrinātāja pēc tā plānotās modernizācijas. Protams, par šo mašīnu tiks saņemts daudz datu, un pat tagad tālu no visas tās detektoru savāktās informācijas ir apstrādāta. Piemēram, ir pierādījumi, ka elektronu un mūonu mijiedarbība nav pilnīgi identiska. Tas būtu ļoti nopietns atklājums, iespējams, izskaidrojot atšķirību viņu masās. Bet šie pierādījumi joprojām ir vāji, jūs varat viņiem uzticēties vai arī neuzticēties. Šis jautājums, visticamāk, tiks atrisināts turpmākajos eksperimentos LHC. Tomēr ir vērts atgādināt, ka eksperimentālo fiziķu komandas, kas strādā pie tā, vairāk nekā vienu reizi ir ziņojušas par galvenajiem atklājumiem ārpus standarta modeļa, un vēlāk šie paziņojumi tika atspēkoti.
Kas paliek? Var cerēt uz kādreiz uzbūvētiem superpaātrinātājiem, taču ar tiem viss joprojām ir neskaidrs - vismaz 10-20 gadu perspektīvā. Tātad bumba patiešām ir astrofiziķu pusē. No šīs zinātnes var sagaidīt patiesi radikālu izrāvienu.
Kāpēc?
ST: Lieta ir tāda, ka nav iespējams atrast jaunas daļiņas, kas iesaistītas spēcīgā mijiedarbībā. Tas nozīmē, ka mums jāmeklē vāji mijiedarbojošās daļiņas, kuras nav standarta modelī. Ja viņi mijiedarbojas vāji, tad viņi mijiedarbojas reti, un šādas mijiedarbības izpausmēm jāgaida ilgi. Mēs nevaram ilgi gaidīt eksperimentus ar akseleratoriem. Bet Visums ir gaidījis gandrīz 14 miljardus gadu, un visu šo laiku var uzkrāties pat ļoti retu mijiedarbību sekas. Iespējams, ka šādus efektus var atrast astrofiziķi. Un tam jau ir piemēri - galu galā neitrīno svārstību klātbūtne, kas demonstrē šīs daļiņas nulles masu, tika atklāta, pētot saules neitrīnus. Šīs cerības ir vēl jo vairāk pamatotas,ka astronomijas un astrofizikas novērojumu bāze pastāvīgi paplašinās jaunu zemes un kosmosa teleskopu un cita aprīkojuma dēļ. Teiksim, gadu pēc pirmās gravitācijas viļņu tiešās reģistrācijas tika pierādīts, ka tie izplatās ar tādu pašu ātrumu kā elektromagnētiskais starojums. Tas ir ļoti svarīgs rezultāts, kas runā par teorētiķiem.
Sergeja Troicka lekcija "Visums kā daļiņu fizikas laboratorija", kas nolasīta 2017. gada 8. oktobrī Maskavas Valsts universitātē. M. V. Lomonosovs Zinātnes festivālā:
Sergej, tā kā jūs pieminējāt kosmosu, atcerēsimies Johannesu Kepleru. 1596. gadā viņš pamanīja, ka Kopernika aprēķinātie planētu orbītu vidējie rādiusi no Merkura līdz Saturnam bija 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Attālums starp Marsu un Jupiteru Kepleram šķita pārāk liels un tāpēc nedabisks. Viņš pieņēma, ka pastāv vēl nezināma planēta, un viņam galu galā bija taisnība. 1801. gada Jaungada vakarā Džuzepe Piazzi šajā zonā atklāja Kereru, kas tagad ir atzīta par pundurplanētu. Protams, tagad mēs zinām, ka ir nevis viena planēta, bet vesela asteroīdu josta. Kepleram nebija ne jausmas par viņu, bet es domāju, ka diez vai viņš būtu pārāk pārsteigts. Kopumā, pamatojoties uz dabiskuma kritēriju, tika izteikta ļoti specifiska prognoze, kas sākumā tika pamatota burtiski, bet vēlāk, ja vēlaties, ar interesi. Vai šodien fundamentālajā fizikā ir iespējams kaut kas līdzīgs?
S. T.: Tas nav izslēgts. Ja mēs izmantojam dabiskuma kritēriju, lai izskaidrotu fermionisko masu hierarhiju, tad gandrīz noteikti parādīsies kāda jauna simetrija. Patiesībā līdz šim šai lomai ir piedāvāti dažādi kandidāti, taču viņi visi kaut kā mūs neapmierina. Ja var atrast šādu simetriju, tas var mūs novest pie vēl nezināmām daļiņām. Tiesa, tieši prognozēt tos, tāpat kā Keplera, neizdosies, bet mēs uzzināsim kaut ko noderīgu. Tomēr ir iespējams, ka arī šajā gadījumā noderīgas instrukcijas būs diezgan neskaidras un ar milzīgu iespēju klāstu. Piemēram, asis tiek prognozēts, tikai pamatojoties uz jauno simetriju, ko piedāvā Pečē un Kvins. Tomēr šis mehānisms ļauj ļoti brīvi izvēlēties parametrus, un tāpēc mums nav norāžu, kur meklēt asi. Tā var būt tumšās vielas daļiņavai arī tas var izpausties zvaigžņu evolūcijā vai citur - mēs vienkārši nezinām.
Nu, laiks rādīs. Un liels paldies par sarunu
Es runāju arī ar Džiju Dvali, Ņujorkas un Minhenes universitāšu fizikas profesori un Maksa Planka fizikas institūta līdzdirektoru (starp citu, šis slavenais zinātniskais centrs tika izveidots 1914. gadā kā Kaizera Vilhelma Fizikas institūts, un tā pirmais direktors bija Alberts Einšteins). Protams, mēs runājām par to pašu tēmu.
Georgijs Dvali, Ņujorkas Universitātes Kosmoloģijas un daļiņu fizikas centra fizikas profesors un Minhenes Ludviga-Maksimiliana Universitātes direktors, Minhenes Maksa Planka fizikas institūta direktors. Foto no vietnes astronet.ge
Gija, kā jūs interpretējat standarta modeļa dabiskuma problēmu?
GD: Kopumā es varu atkārtot to, ko teica Sergejs. Standarta modeļa vienādojumi ietver tādu bezmaksas parametru kopumu, kurus tas nevar paredzēt. Šo parametru skaitliskās vērtības ļoti atšķiras viena no otras un pat tad, ja mēs runājam par šķietami līdzīgiem objektiem. Veikt, teiksim, neitrīno, elektronu un t kvarku. Tie visi ir fermioni, bet neitrīno masa, visticamāk, nepārsniedz elektronvoltas daļu, elektrona masa ir aptuveni vienāda ar pieci simti tūkstoši elektronvoltu, bet t-kvarka masa ir 175 GeV - 175 miljardi elektronvoltu. Šādas atšķirības patiešām var šķist kaut kā nedabiskas.
Bet tā ir tikai ārējā puse. Lai labāk saprastu visu, ir jāņem vērā šo parametru ultravioletā jutība. Mēs runājam par viņu atkarību no enerģijas skalas pieauguma - vai, kas ir tas pats, no telpiskās skalas samazināšanās. Pieņemsim, ka vispirms laboratorijā izmērām elektrona masu un pēc tam aplūkojam, kas ar to notiek Plankas attālumos. Izmantojot šo pieeju, parametri tiek sadalīti vairākās grupās. Maksimālo ultravioleto staru jutību parāda fiziskā vakuuma enerģijas blīvums. Plankas reģionā tas ir proporcionāls skalas izmaiņu ceturtajai pakāpei. Ja Plancka masa tiek dubultota, tad vakuuma enerģijas vērtība palielināsies 16 reizes. Higsa bozona masai šī atkarība nav tik liela: nevis ceturtā pakāpe, bet tikai otrā. Fermiona masas mainās ļoti vāji - tikai saskaņā ar logaritmisko likumu. Visbeidzot, parametrs θ praktiski nemana izmaiņas Planka skalā. Lai gan tā jutīgums nav nulle, tas ir tik mazs, ka to var neņemt vērā.
Ko nozīmē šī standarta modeļa brīvo parametru jutīguma pakāpes izplatība? Šeit ir iespējamas dažādas iespējas. Piemēram, mēs varam pieņemt, ka Higsa bozona masa nemaz nav pelnījusi fundamentāla daudzuma statusu. Šis pieņēmums automātiski attiecas arī uz daļiņu masām, kas ir atkarīgas no Higsa masas. Tad to vērtību izplatība neizskatīsies dīvaināka nekā, piemēram, molekulu un galaktiku izmēru atšķirība. Ne viens, ne otrs nekādā ziņā neizliekas par fundamentālu, un tāpēc nav jēgas to lielumu vērtēt pēc dabiskuma.
Ja šī līdzība šķiet pārāk tālu, šeit ir vēl viens piemērs. Mēs labi zinām spēcīgas mijiedarbības raksturīgo enerģiju, tās secība ir 1 GeV. Un mēs arī zinām, ka spēcīgas mijiedarbības mērogs nav būtisks, tāpēc tā mazā vērtība attiecībā pret Plankas masu nevienu nepārsteidz. Kopumā, ja pieņemam, ka dabiskuma vai nedabiskuma ziņā ir pamatoti salīdzināt tikai fundamentālos lielumus, tad standarta modeļa parametriem šī problēma praktiski izzudīs.
Interesanti, ka šī pati loģika darbojas arī antropiskā principa atbalstītājiem. Viņi uzskata, ka ir ļoti daudz dažādu vakuumu ar dažādiem fiziskiem likumiem, ko parasti sauc par multiversu. No viena no šiem vakuumiem radās mūsu pašu Visums. Ja ņemam šo viedokli, tad standarta modeļa parametru dabiskuma problēmu parasti nav. Bet man nepatīk šī pieeja, lai gan es atzīstu, ka tai ir savi atbalstītāji.
Tātad, atsakoties no pieņēmuma, ka Standarta modeļa parametri ir fundamentāli, tiek novērsta dabiskuma problēma. Vai tas ir diskusijas beigas, vai mēs varam iet tālāk?
GD: Protams, tas ir iespējams - un nepieciešams. Manuprāt, daudz svarīgāk un interesantāk ir runāt nevis par modeļa dabiskumu, bet gan par tā konsekvenci sevī. Piemēram, mēs visi strādājam kvantu lauka teorijas ietvaros. Starp citu, tas attiecas ne tikai uz standarta modeli, bet arī uz stīgu teoriju. Visām šīs teorijas fiziski nozīmīgajām ieviešanām jābūt balstītām uz īpašo relativitātes teoriju, tāpēc to vienādojumiem visos inerciālajos atskaites rāmjos vajadzētu izskatīties vienādi. Šo īpašību sauc par teorijas relatīvistisko nemainību jeb Lorenca nemainību. Pastāv teorēma, saskaņā ar kuru visām Lorenca nemainīgajām kvantu lauku teorijām jābūt nemainīgām CPT. Tas nozīmē, ka to pamata vienādojumiem nevajadzētu mainīties, vienlaicīgi nomainot daļiņas ar pretdaļiņām, apgriežot telpiskās koordinātas un mainot laiku. Ja šī nemainība tiek pārkāpta, teorija nebūs konsekventa un neviens dabiskums nepalīdzēs to veidot. Citiem vārdiem sakot, konsekventai kvantu lauka teorijai ir jābūt nemainīgai CPT. Tāpēc, apspriežot dabiskumu, jāraugās, lai to nejauktu ar pašsaskaņotību. Šī stratēģija paver daudzas interesantas iespējas, taču to apspriešana mūs aizvedīs pārāk tālu.
Vilhelms de Siters, holandiešu astronoms, kurš izveidoja vienu no pirmajiem relatīvistiskajiem kosmoloģiskajiem modeļiem (de Sitera modelis). Avots: Čikāgas Fotoarhīvu universitāte
Džija, vai ir iespējams vismaz viens piemērs?
GD: - Protams. Kā jūs zināt, mūsu Visuma telpa paplašinās arvien straujāk - kā saka kosmologi, mēs dzīvojam de Sitera pasaulē. Šis paātrinājums parasti tiek attiecināts uz pozitīvas vakuuma enerģijas klātbūtni, ko sauc arī par tumšo enerģiju. Tās izmērītais blīvums ir ārkārtīgi mazs, aptuveni 10–29 g / cm3. Ja pieņemam, ka gravitāciju var aprakstīt kvantu lauka teorijas ietvaros, tad ir dabiski sagaidīt, ka vakuuma enerģijas vērtība ir daudzu desmitu lielumu lielāka par šo vērtību. Tā kā tas tā nav, dabiskuma kritērijs acīmredzami nedarbojas. Tomēr tagad mums ir arvien vairāk pamatu domāt, ka vakuuma enerģijas mazo vērtību var attaisnot, pamatojoties uz pašsaskaņotības kritēriju.
Bet tas vēl nav beidzies. Jaunās pieejas ietvaros secinājums liek domāt, ka vakuuma enerģija mainās ar laiku. Ja neieviesat papildu pieņēmumus, tad šādu izmaiņu laika skala ir neiedomājami liela - 10132 gadi. Tomēr, ja mēs šīs izmaiņas saistīsim ar noteikta skalārā lauka klātbūtni, tad šī skala būs salīdzināma ar Habla laiku, kas ir nedaudz vairāk nekā desmit miljardi gadu. No aprēķiniem izriet, ka tas var pārsniegt Habla laiku tikai par vairākām pakāpēm, nevis par daudzām. Ja godīgi, šis secinājums mani pilnībā neiespaido, bet tas ir diezgan loģiski. Ir arī citas iespējas, taču tās ir pilnīgi eksotiskas.
Apkoposim. Kā jūs redzat fundamentālās fizikas modeļu dabiskuma problēmu un kādi risinājumi, jūsuprāt, ir optimāli?
GD: Aleksejs, ļaujiet man sākt ar vēsturisko perspektīvu, tas nesāpēs. Pēdējās desmitgadēs mūsu kopienas, to cilvēku kopienas viedoklis, kuri nodarbojas ar pamatfiziku, ir stipri svārstījušies. Deviņdesmitajos gados, lai arī tika apspriests antropiskais princips, kopumā neviens to īpaši neinteresēja. Tad valdīja viedoklis, ka Visuma uzbūves pamati jau bija zināmi stīgu teorijas personā. Mēs cerējām, ka tieši viņa sniegs vienīgo pareizo risinājumu, kas raksturo mūsu Visumu.
Pagājušās desmitgades beigās šī pārliecība mainījās. Ļoti nopietni zinātnieki, piemēram, Alekss Vilenkins un Andrejs Linde, sāka aktīvi un pārliecinoši aizstāvēt antropisko principu. Kādā brīdī sabiedrības apziņā notika pagrieziena punkts, kaut kas līdzīgs fāzes pārejai. Daudzi teorētiķi antropiskajā principā redzēja vienīgo izeju no grūtībām, kas saistītas ar dabiskuma problēmu. Protams, viņiem bija arī pretinieki, un mūsu kopiena šajā jautājumā bija sašķelta. Tiesa, Linde tomēr atzina, ka ne visi standarta modeļa parametri atrod dabisku interpretāciju antropiskā principa kontekstā. Sergejs jau ir atzīmējis šo apstākli saistībā ar parametru θ.
Andrejs Linde (pa kreisi) un Aleksandrs Viļenkins. Foto no vietnes vielewelten.de
Pēdējos gados kolektīvais viedoklis atkal ir mainījies. Tagad mēs redzam, ka gandrīz bezgalīgs Visumu kopums ar dažādiem fiziskiem likumiem nemaz nevar pastāvēt. Iemesls ir vienkāršs: šādi Visumi nevar būt stabili. Visām eksotiskajām de Sitera pasaulēm vajadzētu pārvērsties par tukšu telpas-laika kontinentu ar plakanu Minkovska ģeometriju. Vakuums ir vienīgais stabils tikai ar šo ģeometriju. Var pierādīt, ka vakuuma enerģijas blīvumam jābūt nenozīmīgam, salīdzinot ar Plankas skalu. Tas tieši notiek mūsu Visumā. Mūsu pasaule vēl nav sasniegusi Minkovska pasauli, tāpēc vakuuma enerģija ir nulle. Tas mainās, un principā šīs izmaiņas var atklāt eksperimentāli un ar astrofiziskiem novērojumiem. Tātad vakuuma enerģijas mazumā nav nekā nedabiska,un tā novērotā vērtība atbilst teorētiskajām cerībām.
Citas ļoti specifiskas prognozes tiek veiktas, pamatojoties uz jauno pieeju. Tātad no tā izriet, ka noteikti jābūt asij. Šis secinājums ir saistīts arī ar dabiskuma problēmu. Atgādināšu, ka teorētiķi savulaik izgudroja šo daļiņu, lai izskaidrotu parametra θ nedabiski mazo vērtību. Tagad mēs sakām, ka ass realitāti nosaka prasība pēc mūsu vienādojumu pašsaskaņotības. Citiem vārdiem sakot, ja ass nepastāv, teorija nav konsekventa. Šī ir pilnīgi atšķirīga teorētiskās prognozēšanas loģika. Tātad nobeigumā es varu atkārtot to, ko jau teicu: dabiskuma princips ir aizstāts ar daudz spēcīgāku pašsaskaņotības principu, un tā piemērošanas joma pastāvīgi paplašinās, un tā robežas vēl nav zināmas. Iespējams, ka, pamatojoties uz to, būs iespējams izskaidrot elementāru daļiņu masu hierarhiju,kas rada tik sarežģītu dabiskuma principa problēmu. Vai tas tā ir, mēs nezinām. Vispār ir jāstrādā.
Tātad, šeit ir divu izcilu teorētisko fiziķu viedokļi, kuri, pēc viņu pašu atzinuma, ir daudz domājuši par fundamentālās fizikas teorētisko modeļu dabiskuma problēmu. Dažos veidos tie ir līdzīgi, dažos veidos atšķirīgi. Tomēr Sergejs Troickis un Džija Dvali neizslēdz, ka tagad dabiskuma princips, ja ne pilnīgi novecojis, tad jebkurā gadījumā ir zaudējis savu iepriekšējo ticamību. Ja tā, tad fundamentālā fizika patiešām ienāk postnaturalisma laikmetā. Apskatīsim, kur tas noved.
Lai cienīgi noslēgtu diskusiju, es aicināju vienu no stīgu teorijas pamatlicējiem, Prinstonas Fundamentālo pētījumu institūta profesoru Edvardu Vitenu pēc iespējas īsāk runāt par dabiskuma problēmu fundamentālajā fizikā. Lūk, ko viņš uzrakstīja:
Edvards Vitens, Prinstonas Fundamentālo pētījumu institūta profesors, stīgu teorijas līdzdibinātājs. Foto no vietnes wikipedia.org
“Ja fiziķis vai kosmologs nonāk pie secinājuma, ka kādai novērojamai vērtībai ir ārkārtēja vērtība, viņš meklē saprātīgu interpretāciju. Piemēram, elektrona masa ir 1800 reizes mazāka nekā protona masa. Šāda nopietna atšķirība noteikti piesaista uzmanību un ir nepieciešama paskaidrojums.
Šajā gadījumā saprātīgs - vai, citiem vārdiem sakot, dabisks - skaidrojums ir tāds, ka tad, kad elektronu masa tiek nulle, standarta modeļa vienādojumi kļūst simetriskāki. Tad mēs precīzu vai aptuvenu simetriju uzskatām par dabisku, ja ir pamats cerēt, ka, ja šodien mēs nezinām, kāpēc tā pastāv dabā, tad mēs ceram atrast skaidrojumu dziļākā fiziskās realitātes izpratnes līmenī. Saskaņā ar šo loģiku mazā elektrona masa dabiskuma principam nerada nepatīkamas problēmas.
Tagad pāriesim pie kosmoloģijas. Mēs zinām, ka Visuma lielums ir aptuveni 1030 reizes lielāks par tipiskā mikroviļņu fona starojuma fotona viļņa garumu. Šīs attiecības nemainās, attīstoties Visumam, un tāpēc tās nevar vienkārši attiecināt uz tās vecumu. Tam nepieciešams cits skaidrojums, ko var iegūt, pamatojoties uz inflācijas kosmoloģiskajiem modeļiem.
Apsveriet cita veida piemēru. Ir zināms, ka tumšās enerģijas vērtība ir vismaz 1060 reizes mazāka nekā teorētiski aprēķinātā vērtība, kuras pamatā ir zināšanas par citām pamatkonstantēm. Protams, šis fakts prasa arī paskaidrojumu. Tomēr tai joprojām nav saprātīgas interpretācijas - izņemot, iespējams, to, kas izriet no hipotēzes par multiversu un antropiskā principa. Es esmu viens no tiem, kas dotu priekšroku cita veida paskaidrojumiem, taču tas vēl nav atrasts. Tā lietas tagad stāv."
Noslēgumā es nevaru noliegt sev prieku, atsaucoties uz neseno profesora Vitena rakstu (E. Witten, 2018. Symmetry and Emergence), kas, manuprāt, būs lielisks nobeigums diskusijai par fundamentālās fizikas teoriju dabiskumu:
“Kopumā mērinstrumentu simetrija ir nekas cits kā īpašība aprakstīt fizisko sistēmu. Mērinstrumentu simetriju nozīme mūsdienu fizikā ir tāda, ka fiziskos procesus regulē ārkārtīgi smalki (smalki) likumi, kas pēc būtības ir "ģeometriski". Stingri definēt šo jēdzienu ir ļoti grūti, bet praksē tas nozīmē, ka Dabas likumi pretojas visiem neapstrīdamajiem mēģinājumiem atrast tiem skaidru izteicienu. Grūtības izteikt šos likumus dabiskā un nevajadzīgā formā ir iemesls, lai ieviestu gabarītu simetriju."
Arkādijs un Boriss Strugatski.
Tātad trīs cilvēki - trīs viedokļi. Noslēgumā - citāts no brāļu Strugatska stāsta "Neglītie gulbji" (1967):
"Dabiskais vienmēr ir primitīvs," cita starpā turpināja Bol-Kunats, "un cilvēks ir sarežģīta būtne, dabiskums viņam neder."
Vai tas atbilst fundamentālās fizikas teorijām? Tas ir jautājums.
Aleksejs Levins, filozofijas doktors