Perusfysiikan (ja nyt määritelmän mukaan alkeishiukkasten, relativistisen astrofysiikan ja kosmologian teorian) asiantuntijat vertaavat usein tieteensa tilaa 1800-luvun lopun tilanteeseen. Noiden aikojen fysiikka, joka perustui Newtonin mekaniikkaan, Boltzmann-Gibbsin sähkömagneettisen kentän Maxwellin teoriaan, termodynamiikkaan ja tilastomekaniikkaan, selitti onnistuneesti melkein kaikki kokeelliset tulokset. Totta, oli myös väärinkäsityksiä - Michelson-Morley-kokeen nolla tulos, teoreettisen selityksen puuttuminen mustan rungon säteilyspektreistä, aineen epävakaus, joka ilmenee radioaktiivisuuden ilmiössä. Niitä oli kuitenkin vähän, ja ne eivät tuhonneet toivoa muodostuneiden tieteellisten ideoiden taatusta voitosta - ainakin,arvostettujen tutkijoiden ehdottoman enemmistön näkökulmasta. Lähes kukaan ei odottanut klassisen paradigman sovellettavuuden radikaalista rajoittamista ja periaatteessa uuden fysiikan syntymistä. Ja silti hän syntyi - ja vain kolmessa vuosikymmenessä. Oikeudenmukaisesti on syytä huomata, että klassinen fysiikka on sittemmin laajentanut kykyjään niin, että sen saavutukset näyttävät vierailta menneiden aikojen titaaneille, kuten Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin ja Lorentz. Mutta se on täysin erilainen tarina.että hänen saavutuksensa olisivat näyttäneet vierailta vanhojen aikojen titaaneille kuten Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin ja Lorenz. Mutta se on täysin erilainen tarina.että hänen saavutuksensa olisivat näyttäneet vierailta vanhojen aikojen titaaneille kuten Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin ja Lorenz. Mutta se on täysin erilainen tarina.
Yksityiskohtainen keskustelu nykyaikaisen perusfysiikan vaikeuksista vie liikaa tilaa ja ylittää aikomukseni. Siksi rajoitun itseni muutamaan tunnettuun heikkouteen mikromaailman menestyneimmässä ja yleismaailmallisimmassa teoriassa - alkeishiukkasten standardimallissa. Se kuvaa kahta kolmesta perustavanlaatuisesta vuorovaikutuksesta - vahvaa ja sähköheikkoa, mutta ei vaikuta painovoimaan. Tämä todella hieno teoria antoi mahdollisuuden ymmärtää monia ilmiöitä mittarin muuttumattomuuden periaatteen avulla. Hän ei kuitenkaan selittänyt massan läsnäoloa neutriinoissa eikä paljastanut sähköheikan vuorovaikutuksen spontaanin symmetrisen rikkoutumisen dynamiikkaa, joka on vastuussa massan ulkonäöstä Higgsin mekanismin vuoksi. Se ei salli ennustaa hiukkasten luonnetta ja ominaisuuksia, joita voidaan pitää ehdokkaina pimeän aineen kantajien roolissa. Standardimalli ei myöskään ole pystynyt luomaan yksiselitteisiä linkkejä inflaatioteorioihin, jotka ovat modernin kosmologian ytimessä. Ja lopuksi, hän ei selventänyt polkua kvanttiteorian rakentamiseksi gravitaatiosta huolimatta teoreetikkojen todella titaanisista ponnisteluista.
En sitoudu väittämään, että annetut esimerkit (ja on muitakin) mahdollistavat perusfysiikan siirtymisen epävakaaseen tilaan, joka on täynnä uutta tieteellistä vallankumousta. Tästä on erilaisia mielipiteitä. Olen kiinnostunut kysymyksestä, joka ei ole niin globaali, mutta yhtä mielenkiintoinen. Monet nykyaikaiset julkaisut kyseenalaistavat teoreettisten käsitteiden luonnollisuuskriteerin sovellettavuuden, jota on pitkään pidetty luotettavana ja tehokkaana ohjaavana periaatteena mikromaailman mallien rakentamisessa (ks. Esimerkiksi GF Giuduce, 2017. The Nature of the Naturalness Era). Onko näin, mikä on fyysisen teorian luonnollisuus ja mikä voi korvata sen? Aluksi puhuin tästä Venäjän tiedeakatemian ydintutkimusinstituutin johtajan Sergei Troitskin kanssa.
Sergei Vadimovich Troitsky, Venäjän tiedeakatemian kirjeenvaihtaja, johtava tutkija Venäjän tiedeakatemian ydintutkimusinstituutissa. Kuva prof-ras.ru
Sergei, ensin sovitaan pääasiasta. Kuinka arvioit perusfysiikan nykytilaa? Onko Thomas Kuhnin tunnetun terminologian mukaan normaali tiede, tiede kriisiä edeltävässä vaiheessa vai vain kriisissä?
ST: Luokitat kosmologian perusfysiikkaan. Tämä on melko kohtuullista, mutta en ole sen asiantuntija, joten pidättäydyn arvioinneista. Mutta jos puhumme korkean energian fysiikasta ja alkeishiukkasten standardimallista sen teoreettisena perustana, niin tällä alalla kaikki on todella vaikeaa. Useiden vuosien ajan Large Hadron Collider (LHC) on työskennellyt CERNissä ja tuottanut tuloksia. Hänen ansiostaan hiukkasfysiikan tilanteesta on tullut toisaalta erittäin tylsä ja toisaalta - erittäin mielenkiintoinen. Muistan usein, että kauan ennen LHC: n käynnistämistä eräs arvostettu teoreettinen fyysikko ennusti, että nyt tieteellemme avautuu laaja pilaritie, mikä johtaisi nopeasti suuriin löytöihin. Hän uskoi, että kirjaimellisesti törmäyksen ensimmäisen tunnin aikana tai viimeistään vuoden kuluessa tunnistetaan jo tunnettujen hiukkasten kumppanit,pitkään ennustaa supersymmetrian teoria. Niitä pidettiin etukäteen kauan odotettuina pimeän aineen hiukkasina, joita voitiin tutkia monien vuosien ajan. Tällainen on suuri mahdollisuus tieteellemme.
Ja mitä tapahtui käytännössä? Ei ollut superkumppaneita, eikä ole, ja mahdollisuudet avata heidät tulevaisuudessa ovat hämärtyneet. Kuusi vuotta sitten Higgsin bosoni kiinniotettiin LHC: llä, ja siitä tuli maailmanlaajuinen sensation. Mutta miten voit arvioida sitä? Sanoisin, että tämä on tavallaan LHC: n kauhein saavutus, koska Higgit ennustettiin kauan sitten. Kaikki olisi paljon mielenkiintoisempaa, jos sitä ei olisi mahdollista avata. Ja nyt käy ilmi, että meillä ei ole muuta kuin vakiomalli, vaikka se onkin vahvistettu kokeilla. Ihmeitä ei ole tapahtunut, löytöjä, jotka eivät kuulu vakiomallin piiriin, ei ole tehty. Tässä mielessä tilanne on todellakin ennen kriisiä, koska tiedämme varmasti, että vakiomalli ei ole täydellinen. Olet jo huomannut tämän keskustelumme johdannossa.
Kun kaksi protonia törmää (ei esitetty kuvassa), muodostuu kaksi kvarkkia (Quark), jotka sulautuessaan muodostavat W-bosonin (heikko vektoribosoni) - hiukkanen, jolla on heikko vuorovaikutus. W-bosoni lähettää Higgsin bosonin, joka hajoaa kahteen b-kvarkkiin (Bottom quark). Kuva artikkelista: B. Tuchming, 2018. Higgsin bosonin kauan odotettu hajoaminen nähty.
Mainosvideo:
Mennään sitten pidemmälle. Kuinka tärkeä luonnollisuusperiaate on hiukkasteteoriassa ja mikä se on? Se ei ole yksinkertainen kunnioitus tervettä järkeä, vai mitä?
ST: Pidän sitä eräänlaisena esteettisenä kriteerinä, mutta tässä tarvitaan selityksiä. Vakiomallissa on kolme komponenttia. Ensinnäkin se on luettelo hiukkasista, joita se sisältää. Ne kaikki on jo löydetty, Higgsin bosoni oli viimeinen. Toiseksi on joukko vuorovaikutuksia, joita hän kuvaa. Mutta on myös kolmas osa - joukko ilmaisia parametreja. Nämä ovat yhdeksäntoista lukua, jotka voidaan määrittää vain kokeellisesti, koska niitä ei lasketa itse mallin puitteissa (ks. S. V. Troitsky, 2012. Alkeishiukkasten fysiikan ratkaisemattomat ongelmat).
Ja tässä syntyy vaikeuksia. Ensinnäkin näitä parametreja on liian paljon. Yhdeksäntoista on outo numero, jota ei tunnu seuraavan mistä tahansa. Lisäksi niiden merkitykset ovat liian erilaisia, joten niitä on vaikea selittää. Sanotaan, että vapaiden parametrien lukumäärä sisältää leptonien - elektronin, muonin ja tau-partikkelin - massat. Muoni on noin kaksisataa kertaa raskaampi kuin elektroni, ja tau on lähes kaksikymmentä kertaa massiivisempi kuin muoni. Sama on kvarkkien kanssa - niiden massat eroavat suuruusluokittain, ja kaikki muu on sama.
Kaikkien vakiomallin hiukkasten massat ovat hajallaan hyvin laajalla alueella. Vakiomallissa tätä massahierarkiaa ei ole selitetty tyydyttävästi. Kuva Igor Ivanovin Hadron Collider -projektin vakiomallin Vaikeudet-osiosta.
Toinen esimerkki on ulottumattomuuden parametrin arvo, joka luonnehtii CP-invariansiorikkomusta vahvassa vuorovaikutuksessa. Sen tarkkaa arvoa ei tunneta, mutta kokeet osoittavat, että se on joka tapauksessa alle 10-9. Jälleen, tämä on outoa. Yleensä standardimallin ilmaiset parametrit vaihtelevat suuresti ja näyttävät melkein satunnaisilta.
Yksi aksion kokeellisen rekisteröinnin menetelmistä. Sinisellä kuvassa on arvioitu auringon säteilemien akssioiden virtaus, jotka sitten muunnetaan maapallon magneettikentässä (punainen) röntgensäteiksi (oranssi). Nämä säteet voidaan havaita XMM-Newton-avaruusröntgenteleskoopilla. Vielä ei tiedetä, mistä etsiä aksioneita: ne voivat olla tumman aineen hiukkasia tai ilmetä tähtien evoluutiossa.
Joten standardimallissa on liian paljon vapaita parametreja, niiden arvot näyttävät motivoimatta ja liian hajallaan. Mutta mitä luonnollisuudella on tekemistä sen kanssa?
S. T.: Ja me vain lähestyimme häntä. Alkeishiukkasten fysiikassa teoreettisten mallien luonnollisuuden periaatteella on hyvin erityinen merkitys. Se vaatii, että kaikkien ulottumattomien vapaiden parametrien on joko oltava yhtä suuria kuin nolla, tai suuruusluokka ei ole liian erilainen kuin yksi - esimerkiksi välillä tuhannesosa tuhanteen. Standardimallin parametrit eivät selvästikään täytä tätä kriteeriä. Mutta on myös lisäehto, jonka muotoili vuonna 1980 merkittävä hollantilainen teoreettinen fyysikko Gerard 't Hooft, yksi standardimallin luojista. Hän oletti, että minkä tahansa vapaan parametrin hyvin pieni arvo saa luonnollisen selityksen vain, jos sen tiukka nollaaminen johtaa ylimääräisen symmetrian ilmaantumiseen, jota teorian yhtälöt noudattavat. 'T Hooftin mukaanTällaisen symmetrian "läheisyys" toimii eräänlaisena suojana, joka suojaa tämän parametrin vähäisyyttä suurilta korjauksilta, jotka johtuvat kvanttiprosesseista, joihin liittyy virtuaalisia hiukkasia. Kun olin opiskelija ja jatko-opiskelija, koko tiede kirjaimellisesti kukkii tällä postulaatilla. Mutta tämä on silti heikkenemämme luonnollisuusperiaate, josta keskustelemme.
Gerard 't Hooft, hollantilainen teoreettinen fyysikko, yksi vakiomallin perustajista. Kuva sivustolta sureshemre.wordpress.com
Mitä tapahtuu, jos ylität vakiomallin?
ST: Myös tässä syntyy luonnollisuuden ongelma, vaikkakin erilainen. Vakiomallin tärkein mittaparametri on Higgs-kentän tyhjiökeskiarvo. Se määrittää sähköheikan vuorovaikutuksen energia-asteikon, ja partikkelimassat riippuvat siitä. Vakiomallin ulkopuolella on yksi yhtä perusparametri, jolla on sama ulottuvuus. Tämä on tietysti Planckin massa, joka määrittää painovoimaan liittyvien kvanttivaikutusten energiaskaalan. Higgsin kenttä on noin 250 GeV, joka on kaksi kertaa Higgsin bosonin massa. Planckin massa on noin 1019 GeV. Joten niiden suhde on joko hyvin pieni luku tai jättimäinen luku, riippuen siitä, mitä laitetaan osoittajaan ja mikä nimittäjään. Itse asiassa keskustellaan muista mielenkiintoisista mittakaavoista standardimallin ulkopuolella,mutta ne ovat myös mittaamattomasti suurempia kuin Higgsin kenttä. Joten tässäkin on kyse ilmeisestä oudosta eli toisin sanoen luonnollisuuden puutteesta.
Joten, ehkä on parempi pitää tätä periaatetta 1900-luvun tieteen luonnollisena jäänteenä ja hylätä se kokonaan? Ei ole mitään, että jotkut tutkijat puhuvat postnatural-aikakauden alkamisesta
ST: No, jopa täydellinen kieltäytyminen ei ratkaise kaikkia ongelmia. Kuten sanoin, luonnollisuuden periaate on jotain estetiikan alalta. Mutta on myös kokeellisia ongelmia, jotka eivät mene mihinkään. Sanotaan, että nyt tiedetään varmasti, että neutriinolla on massa, kun taas vakiomallin symmetriat edellyttävät sen olevan ehdottomasti nolla. Sama pätee pimeään aineeseen - se ei ole vakiomallissa, mutta ilmeisesti elämässä on. On mahdollista, että jos kokeelliset vaikeudet voidaan kohtuudella ratkaista, mitään ei tarvitse hylätä. Toistan kuitenkin, että tämä koko ongelmakokonaisuus on varsin todellinen ja osoittaa perustilanteen fysiikan nykytilanteen kriisiluonteen. On mahdollista, että tie kriisistä on tieteellinen vallankumous ja muutos nykyisessä paradigmassa.
Sergey, mitä luonnollisuuden periaate merkitsee sinulle henkilökohtaisesti? Ehkä jopa emotionaalisesti?
ST: Minulle se on tietyssä mielessä laskettavuuden periaate. Emmekö voi vain ottaa kokeesta, mutta laskea kaikki nämä 19 parametria? Tai ainakin pienentää ne yhdeksi todella vapaaksi parametriksi? Se olisi hieno minulle. Mutta toistaiseksi tämä mahdollisuus ei ole näkyvissä. Muuten, kerralla monet toivoivat, että vakiomallin tärkeimmät vaikeudet voitaisiin ratkaista supersymmetrian käsitteen perusteella. Jopa standardimallin supersymmetriset minimaaliset yleistykset sisältävät kuitenkin jopa 105 vapaata parametria. Tämä on jo todella huono.
Mutta tällaisessa laskelmassa on luotettava johonkin. Kuten sanonta kuuluu, et oleta mitään - et saa mitään
S. T.: Se on vain asia. Ihannetapauksessa haluaisin saada kattavan yhtenäisen teorian, joka ainakin periaatteessa sallii kaikkien tarvittavien laskelmien suorittamisen. Mutta mistä sen saa? Monien vuosien ajan jousiteoriaa on ehdotettu ehdokkaaksi tällaiselle universaalille säätiölle. Se on luotu melkein 50 vuotta, melko kunnioitettava ikä. Ehkä tämä on hieno teoreettinen rakenne, mutta sitä ei ole vielä toteutettu yhtenäisenä teoriana. Kukaan ei tietenkään ole kiellettyä toivoa, että näin tapahtuu. Fysiikan historiassa sattui kuitenkin harvoin, että teoria kehitettiin puolen vuosisadan ajan tulevaisuuden onnistumisten lupauksista, ja sitten yhtäkkiä ja itse asiassa selitti kaiken. Epäilen sitä joka tapauksessa.
Totta, tässä on tietty hienoisuus jousiteoriassa, mikä merkitsee noin 10500 vacuan olemassaoloa erilaisilla fyysisillä laeilla. Kuvaannollisesti jokaisella tyhjiöllä on oltava oma vakiomalli ja oma joukko vapaita parametreja. Lukuisat antropisen periaatteen kannattajat väittävät, että oma joukko ei vaadi selitystä, koska eri fysiikan maailmoissa ei voi olla elämää ja siten tiedettä. Puhtaan logiikan näkökulmasta tällainen tulkinta on hyväksyttävä, paitsi että parametrin the vähäisyyttä ei voida johtaa antropiaperiaatteesta. Tämä parametri olisi voinut olla enemmän - tästä syystä mahdollisuudet älykkään elämän syntymiseen planeetallamme eivät olisi vähentyneet. Mutta antropinen periaate vain ilmoittaa melkein loputtoman joukon maailmoja mahdollisesta olemassaolosta ja rajoittuu itse asiassa tähän. Sitä ei voida kumota - tai terminologian mukaan väärentää. Tämä ei ole enää tiedettä, ainakaan ymmärrykseni mukaan. Luulen, että tieteellisen tiedon väärentämisen periaatteesta luopuminen sellaisen teorian vuoksi, joka itse asiassa ei pysty selittämään mitään, on väärin.
En voi olla samaa mieltä. Mutta mennään pidemmälle. Kuinka pääset kriisistä - tai, jos haluat, ennen fysiikan kriisiä edeltäneestä? Kenellä on pallo nyt - teoreetikoilla vai kokeilijoilla?
S. T.: Loogisesti pallon tulisi olla teoreetikkojen puolella. Neutriinojen massasta on luotettavaa kokeellista tietoa ja tähtitieteilijöiden havainnot vahvistavat pimeän aineen olemassaolon. Vaikuttaa siltä, että tehtävä on ilmeinen - keksiä uuden teoreettisen lähestymistavan perusteet ja rakentaa erityisiä malleja, jotka mahdollistavat kokeellisen todentamisen. Mutta toistaiseksi tällaiset yritykset eivät ole johtaneet mihinkään.
Jälleen kerran ei ole selvää, mitä odottaa suurelta hadronitörmäiseltä suunnitellun modernisointinsa jälkeen. Tietysti tälle koneelle vastaanotetaan paljon tietoa, ja vielä kaukana kaikesta sen ilmaisimien keräämästä tiedosta on käsitelty. Esimerkiksi on todisteita siitä, että elektronit ja müonit eivät ole täysin identtisiä vuorovaikutuksessa. Tämä olisi erittäin vakava löytö, joka selittäisi mahdollisesti heidän massojensa eron. Mutta tämä todiste on edelleen heikko, voit luottaa heihin tai et voi luottaa heihin. Tämä kysymys ratkaistaan todennäköisesti myöhemmissä kokeissa LHC: llä. On kuitenkin syytä muistaa, että sen parissa työskentelevät koefyysikkoryhmät ovat useaan otteeseen ilmoittaneet vihjeitä vakiomallin ulkopuolisista merkittävistä löytöistä, ja myöhemmin nämä ilmoitukset kumottiin.
Mitä on jäljellä? Voidaan toivoa superkiihdyttimistä, jotka rakennetaan jonain päivänä, mutta heidän kanssaan kaikki on edelleen epäselvää - ainakin 10-20 vuoden perspektiivissä. Joten pallo on todella astrofyysikoiden puolella. Tästä tiedeestä voidaan odottaa todella radikaalia läpimurtoa.
Miksi?
ST: Asia on, että ei ole mahdollista löytää uusia hiukkasia, jotka osallistuvat vahvaan vuorovaikutukseen. Siksi meidän on etsittävä heikosti vuorovaikutuksessa olevia hiukkasia, jotka eivät kuulu vakiomalliin. Jos he ovat vuorovaikutuksessa heikosti, he ovat harvoin vuorovaikutuksessa, ja tällaisten vuorovaikutusten ilmenemismuotojen on odotettava kauan. Emme voi odottaa kauan kokeita kiihdyttimillä. Mutta maailmankaikkeus on odottanut lähes 14 miljardia vuotta, ja jopa hyvin harvinaisen vuorovaikutuksen vaikutukset voivat kertyä koko tämän ajan. On mahdollista, että astrofyysikot voivat löytää tällaisia vaikutuksia. Ja tästä on jo olemassa esimerkkejä - loppujen lopuksi neutriinovärähtelyjen läsnäolo, joka osoittaa tämän hiukkasen ei-nollamassan, havaittiin aurinko-neutriinojen tutkimuksessa. Nämä toiveet ovat sitäkin perustellumpia,että tähtitieteen ja astrofysiikan havainnointikanta laajenee jatkuvasti uusien maanpäällisten ja avaruusteleskooppien ja muiden laitteiden ansiosta. Oletetaan, että vuosi gravitaatioaaltojen ensimmäisen suoran rekisteröinnin jälkeen osoitettiin, että ne etenevät samalla nopeudella kuin sähkömagneettinen säteily. Tämä on erittäin tärkeä tulos, joka puhuu paljon teoreetikoille.
Sergei Troitskin luento "Universe as a Particle Physics Laboratory", pidetty 8. lokakuuta 2017 Moskovan valtionyliopistossa. M. V. Lomonosov tiedefestivaaleilla:
Sergei, koska mainitsit avaruuden, muistetaan Johannes Kepler. Vuonna 1596 hän huomasi, että Copernicuksen laskemat planeetan kiertoradat Merkuruksesta Saturnukseen olivat keskimäärin 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Marsin ja Jupiterin välinen etäisyys tuntui Kepleriltä liian suurelta ja siksi luonnottomalta. Hän oletti, että planeetta on vielä tuntematon, ja lopulta hän oli oikeassa. Uudenvuodenaattona 1801 Giuseppe Piazzi löysi Ceresin tältä alueelta, joka on nyt tunnustettu kääpiö planeetaksi. Tietenkin nyt tiedämme, että ei ole yhtä planeettaa, vaan koko asteroidien vyö. Keplerillä ei ollut aavistustakaan hänestä, mutta luulen, että hän tuskin olisi ollut liian yllättynyt. Yleensä luonnollisuuden kriteerin perusteella tehtiin hyvin spesifinen ennuste, joka aluksi perusteltiin kirjaimellisesti ja myöhemmin, jos haluat, kiinnostuksella. Onko jotain vastaavaa mahdollista perusfysiikassa nykyään?
S. T.: Tätä ei ole suljettu pois. Jos sovellamme luonnollisuuskriteeriä fermionisten massojen hierarkian selittämiseksi, niin uusi symmetria tulee melkein varmasti esiin. Yleensä tähän tehtävään on ehdotettu useita ehdokkaita, mutta ne kaikki jotenkin eivät tyydytä meitä. Jos tällainen symmetria löytyy, se voi johtaa meidät tuntemattomiin hiukkasiin. Totta, niiden ennustaminen suoraan, kuten Keplerin, ei toimi, mutta opimme jotain hyödyllistä. On kuitenkin mahdollista, että myös tässä tapauksessa hyödylliset ohjeet ovat melko epämääräisiä, ja niiden joukossa on valtava valikoima vaihtoehtoja. Esimerkiksi aksio ennustetaan pelkästään Peccein ja Quinnin ehdottaman uuden symmetrian perusteella. Tämä mekanismi antaa kuitenkin erittäin suuren vapauden parametrien valinnassa, ja siksi meillä ei ole mitään viitteitä siitä, mistä aksiaalia kannattaa etsiä. Se voi olla hiukkasia pimeästä aineestatai se voi ilmetä tähtien evoluutiossa tai muualla - emme vain tiedä.
No, aika näyttää. Ja kiitos paljon keskustelusta
Puhuin myös New Yorkin ja Münchenin yliopistojen fysiikan professorin ja Max Planckin fysiikan instituutin johtajan Gia Dvalin kanssa (tämä kuuluisa tutkimuskeskus perustettiin muuten Kaiser Wilhelmin fysiikan instituutiksi vuonna 1914, ja sen ensimmäinen johtaja oli Albert Einstein). Luonnollisesti puhuimme samasta aiheesta.
Georgiy Dvali, fysiikan professori New Yorkin yliopiston kosmologian ja hiukkasfysiikan keskuksessa ja Münchenin Ludwig-Maximilianin yliopistossa, Max Planckin fysiikan instituutin johtaja Münchenissä. Kuva sivustolta astronet.ge
Guia, miten tulkitset vakiomallin luonnollisuuden ongelman?
GD: Yleensä voin toistaa sen, mitä Sergei sanoi. Vakiomallin yhtälöt sisältävät joukon vapaita parametreja, joita se ei voi ennustaa. Näiden parametrien numeeriset arvot eroavat suuresti toisistaan, vaikka puhumme näennäisesti samanlaisista kohteista. Otetaan esimerkiksi neutrino, elektroni ja t-kvarkki. Kaikki ne ovat fermioneja, mutta neutriinon massa ei todennäköisesti ylitä murtoelektronijännitettä, elektronin massa on suunnilleen yhtä suuri kuin viisisataa tuhatta elektronivolttia ja t-kvarkin massa on 175 GeV - 175 miljardia elektronivolttia. Tällaiset erot voivat todellakin tuntua jotenkin luonnottomilta.
Mutta tämä on vain ulompi puoli. Kaiken ymmärtämiseksi paremmin on tarpeen ottaa huomioon näiden parametrien ultraviolettiherkkyys. Puhumme heidän riippuvuudestaan energiamittojen kasvusta - tai mikä on sama, avaruusasteen pienenemisestä. Oletetaan, että mitataan ensin elektronin massa laboratoriossa ja tarkastellaan sitten, mitä sille tapahtuu Planckin etäisyydellä. Tällä lähestymistavalla parametrit jaetaan useisiin ryhmiin. Suurin ultraviolettiherkkyys osoitetaan fyysisen tyhjiön energiatiheydellä. Planckin alueella se on verrannollinen mittakaavan neljänteen asteeseen. Jos Planckin massa kaksinkertaistuu, tyhjiöenergian arvo kasvaa 16 kertaa. Higgsin bosonin massalle tämä riippuvuus ei ole niin suuri: ei neljäs, vaan vain toinen aste. Fermionimassat muuttuvat hyvin heikosti - vain logaritmisen lain mukaan. Lopuksi parametri θ ei käytännössä huomaa muutoksia Planck-asteikossa. Vaikka sen herkkyys ei ole nolla, se on niin pieni, että se voidaan jättää huomioimatta.
Mitä tämä vakiomallin vapaiden parametrien herkkyysasteessa tarkoittaa? Eri vaihtoehdot ovat mahdollisia täällä. Esimerkiksi voidaan olettaa, että Higgsin bosonin massa ei ansaitse lainkaan perusmäärän tilaa. Tämä oletus ulottuu automaattisesti hiukkasten massaan, jotka riippuvat Higgsin massasta. Sitten niiden arvojen leviäminen ei näytä olevan kummallisemmalta kuin esimerkiksi molekyylien ja galaksien koon ero. Kumpikaan eikä toinen ei millään tavoin teeskennele olevansa perustavanlaatuisia, ja siksi ei ole järkevää arvioida niiden kokoa luonnollisuuden perusteella.
Jos tämä analogia vaikuttaa liian haetulta, tässä on toinen esimerkki. Tiedämme hyvin vahvan vuorovaikutuksen ominaisenergian, sen järjestys on 1 GeV. Ja tiedämme myös, että vahvojen vuorovaikutusten asteikko ei ole perustavanlaatuinen, joten sen pieni arvo Planckin massaan nähden ei yllättä ketään. Yleisesti ottaen, jos hyväksytään, että luonnollisuuden tai luonnottomuuden kannalta on järkevää verrata yksinomaan perusmääriä, standardimallin parametreille tämä ongelma käytännössä häviää.
Mielenkiintoista on, että sama logiikka toimii antropian periaatteen kannattajille. He uskovat, että on olemassa paljon erilaisia tyhjiöitä, joilla on erilaiset fyysiset lait, jota yleensä kutsutaan multiversumiksi. Oma universumimme syntyi yhdestä näistä tyhjiöistä. Jos katsomme tämän näkökulman, niin standardimallin parametrien luonnollisuudessa ei yleensä ole ongelmaa. Mutta en pidä tästä lähestymistavasta, vaikka myönnän, että sillä on omat kannattajansa.
Niinpä oletuksen hylkääminen, että vakiomallin parametrit ovat perustavanlaatuisia, poistaa luonnollisuuden ongelman. Onko tämä keskustelun loppu vai voimmeko mennä pidemmälle?
GD: Tietenkin se on mahdollista - ja välttämätöntä. Mielestäni on paljon tärkeämpää ja mielenkiintoisempaa puhua mallin luonnollisuudesta, mutta itsekeskeisyydestä. Esimerkiksi, me kaikki työskentelemme kvanttikenttäteorian puitteissa. Muuten tämä pätee paitsi vakiomalliin myös merkkijonoteoriaan. Kaikkien tämän teorian fyysisesti merkityksellisten toteutusten tulisi perustua erityiseen suhteellisuusteoriaan, joten niiden yhtälöiden tulisi näyttää samanlaisilta kaikissa inertiaalisissa viitekehyksissä. Tätä ominaisuutta kutsutaan teorian relativistiseksi muuttumattomuudeksi tai Lorentzin muuttumattomuudeksi. On olemassa lause, jonka mukaan kaikkien Lorentz-invarianttien kvanttikenttäteorioiden on oltava CPT-invariantit. Tämä tarkoittaa, että niiden perusyhtälöt eivät saisi muuttua, kun hiukkaset vaihdetaan samanaikaisesti antihiukkasilla, avaruuskoordinaatit käännetään ja aika kääntyy. Jos tätä muuttumattomuutta loukataan, teoria ei ole itsestään johdonmukainen, eikä mikään luonnollinen ominaisuus auta rakentamaan sitä. Toisin sanoen, itsensä yhtenäinen kvanttikenttäteoria pakotetaan olemaan CPT-invariantti. Siksi, kun keskustellaan luonnosta, on varottava, ettei sitä sekoiteta itsekeskeisyyteen. Tämä strategia avaa monia mielenkiintoisia mahdollisuuksia, mutta niistä keskusteleminen vie meidät liian pitkälle.
Wilhelm de Sitter, hollantilainen tähtitieteilijä, joka loi yhden ensimmäisistä relativistisista kosmologisista malleista (de Sitterin malli). Lähde: Valokuvausarkisto University of Chicago
Gia, onko mahdollista ainakin yksi esimerkki?
GD: - Tietysti. Kuten tiedätte, maailmankaikkeutemme tila laajenee yhä nopeammin - kuten kosmologit sanovat, elämme de Sitterin maailmassa. Tämä kiihtyvyys johtuu yleensä positiivisen tyhjiöenergian läsnäolosta, jota kutsutaan myös pimeäksi energiaksi. Sen mitattu tiheys on erittäin pieni, noin 10-29 g / cm3. Jos oletetaan, että painovoimaa voidaan kuvata kvanttikenttäteorian puitteissa, on luonnollista olettaa, että tyhjiöenergian arvo on useita kymmeniä suuruusluokkia suurempi kuin tämä arvo. Koska näin ei ole, luonnollisuuskriteeri ei selvästikään toimi. Nyt meillä on kuitenkin yhä enemmän perusteita ajatella, että tyhjiöenergian pieni arvo voidaan perustella itsekestävyyskriteerillä.
Mutta se ei ole vielä ohi. Uuden lähestymistavan puitteissa johtopäätös viittaa itseensä, että tyhjiöenergia muuttuu ajan myötä. Jos et esitä muita oletuksia, tällaisten muutosten asteikko on käsittämättömän suuri - 10132 vuotta. Jos kuitenkin yhdistämme nämä muutokset tietyn skalaarikentän läsnäoloon, tämä asteikko on verrattavissa Hubble-aikaan, joka on hieman yli kymmenen miljardia vuotta. Laskelmista seuraa, että se voi ylittää Hubble-ajan vain usealla suuruusluokalla eikä monilla suuruusluokilla. Ollakseni rehellinen, tämä johtopäätös ei ole minusta täysin vaikuttunut, mutta se on varsin looginen. On muitakin vaihtoehtoja, mutta ne ovat täysin eksoottisia.
Tehdään yhteenveto. Kuinka näet perusfysiikan mallien luonnollisuuden ongelman ja mitkä ratkaisut ovat mielestäsi optimaalisia?
GD: Alexey, anna minun aloittaa historiallisesta näkökulmasta, se ei vahingoita. Viime vuosikymmeninä yhteisömme, perusfysiikkaa harjoittavien yhteisöjen näkemykset ovat voimakkaasti heilahtelleet. Vaikka antropiaperiaatteesta keskusteltiin 1990-luvulla, kukaan ei ollut erityisen kiinnostunut siitä. Sitten vallitsi mielipide, että maailmankaikkeuden rakenteen perustukset olivat jo jousiteorian henkilöitä. Toivoimme, että juuri hän antoi ainoan oikean ratkaisun, joka kuvaa maailmankaikkeutemme.
Viime vuosikymmenen lopussa tämä usko muuttui. Erittäin vakavat tutkijat, esimerkiksi Alex Vilenkin ja Andrey Linde, alkoivat aktiivisesti ja vakuuttavasti puolustaa antropista periaatetta. Jossakin vaiheessa yhteisön tietoisuudessa oli käännekohta, jotain vaihesiirtymän kaltaista. Monet teoreetikot näkivät antropoperiaatteessa ainoan ulospääsyn luonnollisuuteen liittyviin ongelmiin. Tietysti heillä oli myös vastustajia, ja yhteisömme oli jakautunut tässä asiassa. Totta, Linde kuitenkin myönsi, että kaikki standardimallin parametrit eivät löydä luonnollista tulkintaa antropian periaatteen yhteydessä. Sergei on jo todennut tämän seikan parametrin connection yhteydessä.
Andrey Linde (vasemmalla) ja Alexander Vilenkin. Kuva sivustolta vielewelten.de
Viime vuosina kollektiivinen mielipide on muuttunut jälleen. Nyt näemme, että melkein ääretön joukko universumeja, joilla on erilaiset fyysiset lait, ei voi olla ollenkaan olemassa. Syy on yksinkertainen: tällaiset maailmankaikkeudet eivät voi olla vakaita. Kaikkien eksoottisten de Sitter -maailmojen tulisi muuttua tyhjiksi avaruus-aika-jatkoiksi tasaisella Minkowski-geometrialla. Alipaine on ainoa vakaa vain tällä geometrialla. Voidaan osoittaa, että tyhjiön energiatiheyden on oltava vähäinen Planckin asteikoon verrattuna. Näin tapahtuu maailmankaikkeudessamme. Maailmamme ei ole vielä saavuttanut Minkowskin maailmaa, joten tyhjiöenergia on nolla. Se muuttuu, ja periaatteessa nämä muutokset voidaan havaita kokeellisesti ja astrofysikaalisten havaintojen avulla. Joten tyhjiöenergian pienyydessä ei ole mitään luonnotonta,ja sen havaittu arvo on teoreettisten odotusten mukainen.
Muita hyvin spesifisiä ennusteita tehdään uuden lähestymistavan perusteella. Joten siitä seuraa, että aksion on varmasti oltava. Tämä johtopäätös liittyy myös luonnollisuuden ongelmaan. Haluan muistuttaa teitä siitä, että teoreetikot keksivät kerran tämän hiukkasen selittääkseen parametrin at luonnottomasti pienen arvon. Nyt sanomme, että aksion todellisuuden sanelee vaatimus yhtälöidemme itsekestävyydestä. Toisin sanoen, jos aksionia ei ole olemassa, teoria ei ole itsestään johdonmukainen. Tämä on täysin erilainen teoreettisen ennusteen logiikka. Joten lopuksi voin toistaa sen, mitä olen jo sanonut: luonnollisuuden periaate on korvattu paljon vahvemmalla itsekeskeisyyden periaatteella, ja sen soveltamisala laajenee jatkuvasti, eikä sen rajoja vielä tunneta. On mahdollista, että sen perusteella on mahdollista selittää alkeishiukkasten massojen hierarkia,edustavat niin vaikeaa ongelmaa luonnollisuuden periaatteelle. Onko näin, emme tiedä. Yleensä sinun täytyy työskennellä.
Joten tässä on kahden loistavan teoreettisen fyysikon mielipiteet, jotka omien mielestään ovat miettineet paljon perusfysiikan teoreettisten mallien luonnollisuuden ongelmaa. Joillakin tavoin ne ovat samankaltaisia, toisinaan erilaisia. Sergei Troitsky ja Gia Dvali eivät kuitenkaan sulje pois sitä, että nyt luonnollisuuden periaate, ellei jopa täysin vanhentunut, on joka tapauksessa menettänyt entisen uskottavuutensa. Jos näin on, niin perusfysiikka on todellakin siirtymässä postnaturalismin aikakauteen. Katsotaanpa, mihin tämä johtaa.
Lopuksi keskustelun ansaitsemiseksi pyysin yhtä jousiteorian perustajista, Princetonin perustutkimusinstituutin professoria Edward Wittenia puhumaan mahdollisimman lyhyesti luonnontieteelliseen ongelmaan perusfysiikassa. Tässä hän kirjoitti:
Edward Witten, Princetonin perustutkimusinstituutin professori, jousiteorian perustaja. Kuva sivustolta wikipedia.org
”Jos fyysikko tai kosmologi tulee siihen tulokseen, että jollakin havaittavalla arvolla on äärimmäinen arvo, hän etsii järkevää tulkintaa. Esimerkiksi elektronin massa on 1800 kertaa pienempi kuin protonin. Tällainen vakava ero herättää varmasti huomiota ja tarvitsee selityksen.
Tässä tapauksessa järkevä - toisin sanoen luonnollinen - selitys on, että kun elektronimassa nollataan, standardimallin yhtälöt muuttuvat symmetrisemmiksi. Yleensä pidämme sitten tarkkaa tai likimääräistä symmetriaa luonnollisena, kun on syytä toivoa, että jos emme tänään tiedä miksi se on luonnossa, niin odotamme löytävän selityksen syvemmälle fyysisen todellisuuden ymmärtämisen tasolle. Tämän logiikan mukaan elektronin pieni massa ei aiheuta epämiellyttäviä ongelmia luonnollisuuden periaatteelle.
Siirrytään nyt kosmologiaan. Tiedämme, että maailmankaikkeuden koko on noin 1030 kertaa tyypillisen mikroaaltotaustasäteilyn fotonin aallonpituus. Tämä suhde ei muutu maailmankaikkeuden kehittyessä, eikä sitä siksi voida yksinkertaisesti liittää sen ikään. Se tarvitsee toisenlaisen selityksen, joka voidaan saada inflaatio-kosmologisten mallien perusteella.
Harkitse erilaista esimerkkiä. Tiedetään, että pimeän energian arvo on vähintään 1060 kertaa pienempi kuin teoreettisesti laskettu arvo, joka perustuu muiden perusvakioiden tietoon. Tietysti tämä tosiasia edellyttää myös selitystä. Sille ei kuitenkaan ole vieläkään kohtuullista tulkintaa - lukuun ottamatta ehkä sitä, joka seuraa multiversumin ja antropian periaatteen hypoteesista. Olen yksi niistä, jotka haluaisivat toisenlaisen selityksen, mutta sitä ei ole vielä löydetty. Näin asiat ovat nyt."
Lopuksi totean, että en voi kieltää itselleni iloa siteerata professori Wittenin äskettäistä artikkelia (E. Witten, 2018. Symmetry and Emergence), joka on mielestäni erinomainen lopputulos keskustelulle perusfysiikan teorioiden luonnosta:
”Yleisesti ottaen mittarin symmetria ei ole muuta kuin ominaisuus kuvailla fyysistä järjestelmää. Mittasymmetrioiden merkitys nykyaikaisessa fysiikassa on, että fyysisiä prosesseja ohjaavat erittäin hienovaraiset (hienovaraiset) lait, jotka ovat luonnostaan "geometrisia". Tämän käsitteen tiukka määrittely on hyvin vaikeaa, mutta käytännössä se tarkoittaa, että luonnon lait lait vastustavat kaikkia kiistattomia yrityksiä löytää niille selkeä ilmaisu. Vaikeus ilmaista nämä lait luonnollisessa ja tarpeettomassa muodossa on syy ulottuman symmetrian käyttöönottoon."
Arkady ja Boris Strugatsky.
Joten kolme ihmistä - kolme mielipidettä. Yhteenvetona - lainaus Strugatskin veljien "Ugly Swans" (1967) tarinasta:
"Luonnollinen on aina primitiivistä", Bol-Kunats jatkoi muun muassa, "ja ihminen on monimutkainen olento, luonnollisuus ei sovi hänelle."
Sopiiko se perusfysiikan teorioihin? Se on se kysymys.
Alexey Levin, filosofian tohtori