Špecialisti v oblasti základnej fyziky (a teraz, podľa definície, teórie elementárnych častíc, relativistickej astrofyziky a kozmológie) často porovnávajú stav svojej vedy so situáciou na konci 19. storočia. Fyzika tých čias, ktorá bola založená na newtonovskej mechanike, maxwellovskej teórii elektromagnetického poľa, termodynamike a štatistickej mechanike Boltzmann-Gibbsovej, úspešne vysvetlila takmer všetky experimentálne výsledky. Pravda, došlo aj k nedorozumeniam - nulový výsledok experimentu Michelson-Morley, absencia teoretického vysvetlenia spektier žiarenia čierneho tela, nestabilita hmoty, prejavujúca sa vo fenoméne rádioaktivity. Bolo ich však málo a nezničili nádej na zaručený triumf formovaných vedeckých myšlienok - minimálnez pohľadu absolútnej väčšiny renomovaných vedcov. Takmer nikto neočakával radikálne obmedzenie použiteľnosti klasickej paradigmy a vznik zásadne novej fyziky. A napriek tomu sa narodila - a len za tri desaťročia. Pre spravodlivosť stojí za zmienku, že klasická fyzika odvtedy rozšírila svoje schopnosti natoľko, že by sa jej výsledky zdali cudzie takým titánom zašlých čias, ako sú Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorentz. Ale to je úplne iný príbeh.že jej úspechy by sa zdali cudzie takým titánom starých čias ako Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorenz. Ale to je úplne iný príbeh.že jej úspechy by sa zdali cudzie takým titánom starých čias ako Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorenz. Ale to je úplne iný príbeh.
Podrobná diskusia o ťažkostiach modernej základnej fyziky zaberie príliš veľa priestoru a je nad môj úmysel. Preto sa obmedzím na niekoľko známych slabostí najúspešnejšej a najuniverzálnejšej teórie mikrosveta - Štandardný model elementárnych častíc. Opisuje dve z troch základných interakcií - silnú a slabú, ale neovplyvňuje gravitáciu. Táto skutočne skvelá teória umožnila porozumieť mnohým javom pomocou princípu invariance meradla. Nevysvetlila však prítomnosť hmoty v neutrinách a neodhalila dynamiku spontánneho narušenia symetrie interakcie elektroslabých, ktorá je zodpovedná za vznik hmoty v dôsledku Higgsovho mechanizmu. Neumožňovala predvídať povahu a vlastnosti častíc, ktoré možno považovať za kandidátov na úlohu nosičov tmavej hmoty. Ani štandardný model nebol schopný vytvoriť jednoznačné väzby na inflačné teórie, ktoré sú jadrom modernej kozmológie. A nakoniec neobjasnila cestu k zostrojeniu kvantovej gravitačnej teórie, a to napriek skutočne titanickému úsiliu teoretikov.
Nepredpokladám, že citované príklady (a sú tu ďalšie) umožňujú posúdiť prechod základnej fyziky do nestabilného stavu, ktorý je plný novej vedeckej revolúcie. Existujú na to rôzne názory. Zaujíma ma otázka, ktorá nie je taká globálna, ale nemenej zaujímavá. Mnoho súčasných publikácií spochybňuje použiteľnosť kritéria prirodzenosti teoretických konceptov, ktoré sa už dlho považuje za spoľahlivý a efektívny vodiaci princíp pri konštrukcii modelov mikrokozmu (pozri napríklad GF Giuduce, 2017. Dawn of the Post-Naturalness Era). Je pravda, aká je prirodzenosť fyzikálnej teórie a čo ju môže nahradiť? Na úvod som o tom hovoril s Sergejom Troitským, hlavným vedeckým pracovníkom Ústavu pre jadrový výskum, Ruská akadémia vied.
Sergey Vadimovich Troitsky, korešpondent Ruskej akadémie vied, vedúci vedecký pracovník Ústavu pre jadrový výskum Ruskej akadémie vied. Foto z prof-ras.ru
Sergej, najskôr sa dohodnime na hlavnej veci. Ako hodnotíte súčasný stav základnej fyziky? Podľa známej terminológie Thomasa Kuhna je to normálna veda, veda v predkrízovej fáze alebo len v kríze?
ST: Kozmológiu klasifikujete ako základnú fyziku. Je to celkom rozumné, ale nie som na to odborník, a preto sa zdržím hodnotení. Ak ale hovoríme o fyzike vysokých energií a Štandardnom modeli elementárnych častíc ako o jeho teoretickom základe, potom je v tejto oblasti v skutočnosti všetko veľmi ťažké. Veľký hadrónový urýchľovač (LHC) už mnoho rokov pracuje v CERN-e a prináša výsledky. Vďaka nemu sa situácia v časticovej fyzike stala na jednej strane veľmi nudnou a na druhej strane mimoriadne zaujímavou. Často si spomínam, že krátko pred spustením LHC jeden vysoko uznávaný teoretický fyzik predpovedal, že sa teraz v našej vede otvorí cesta so širokým pilierom, ktorá rýchlo povedie k veľkým objavom. Veril, že doslova v prvých hodinách prevádzky urýchľovača, alebo najneskôr do roka, budú identifikovaní partneri už známych častíc,dlho predpovedané teóriou supersymetrie. Boli vopred považované za dlho očakávané častice tmavej hmoty, ktoré bolo možné študovať mnoho rokov. To je veľká perspektíva pre našu vedu.
A čo sa stalo v praxi? Neboli žiadni super partneri, ani nie sú, a šanca na ich otvorenie v budúcnosti sa veľmi znížila. Pred šiestimi rokmi bol Higgsov bozón chytený na LHC a stal sa senzáciou na celom svete. Ako to však môžete zhodnotiť? Povedal by som, že je to v istom zmysle najstrašnejší úspech LHC, pretože Higgs bol predpovedaný už dávno. Všetko by bolo oveľa zaujímavejšie, keby to nebolo možné otvoriť. A teraz sa ukazuje, že nemáme nič iné ako štandardný model, aj keď je to dobre potvrdené v experimentoch. Zázraky sa nestali, objavy, ktoré nespadajú do rozsahu štandardného modelu, sa neuskutočnili. V tomto zmysle je situácia skutočne pred krízou, pretože sme si istí, že štandardný model nie je dokončený. Toto ste si už všimli v úvode nášho rozhovoru.
Keď sa zrazia dva protóny (na obrázku to nie je znázornené), vzniknú dva kvarky (Quark), ktoré keď sa spoja, vytvoria W-bozón (Slabý vektorový bozón) - častica nesúca slabú interakciu. W bozón emituje Higgsov bozón, ktorý sa rozpadá na dva b kvarky (dolný kvark). Obrázok z článku: B. Tuchming, 2018. Dlho hľadaný rozpad Higgsovho bozónu videný.
Propagačné video:
Tak poďme ďalej. Aký dôležitý je princíp prirodzenosti v teórii častíc a čo to je? Nie je to jednoduché rešpektovanie zdravého rozumu, však?
ST: Vnímam to ako akési estetické kritérium, tu je však potrebné vysvetlenie. Štandardný model má tri komponenty. Najprv je to zoznam častíc, ktoré obsahuje. Všetky už boli objavené, Higgsov bozón bol posledný. Po druhé, existuje skupina interakcií, ktoré popisuje. Existuje ale aj tretia časť - sada bezplatných parametrov. Ide o devätnásť čísel, ktoré je možné určiť iba experimentálne, pretože sa nepočítajú v rámci samotného modelu (pozri S. V. Troitsky, 2012. Nevyriešené problémy fyziky elementárnych častíc).
A tu nastávajú ťažkosti. Najskôr je týchto parametrov príliš veľa. Devätnásť je nejaké podivné číslo, ktoré akoby nikam nesledovalo. Okrem toho sú ich významy príliš odlišné, a preto je ťažké ich vysvetliť. Povedzme, že medzi počet voľných parametrov patria masy leptónov - elektrónová, miónová a tau častica. Míón je asi dvestokrát ťažší ako elektrón a tau je takmer dvadsaťkrát hmotnejší ako mión. Rovnako je to aj s kvarkami - ich hmotnosti sa líšia rádovo a všetko ostatné je rovnaké.
Hmotnosti všetkých častíc štandardného modelu sú rozptýlené vo veľmi širokom rozmedzí. V štandardnom modeli nie je táto hromadná hierarchia uspokojivo vysvetlená. Obrázok zo sekcie Ťažkosti štandardného modelu projektu Igora Ivanova Veľkého hadrónového urýchľovača.
Ďalším príkladom je hodnota bezrozmerného parametra, ktorý charakterizuje porušenie invariance CP v silných interakciách. Jeho presná hodnota nie je známa, experimenty však ukazujú, že v každom prípade je nižšia ako 10-9. Opäť je to zvláštne. Všeobecne sa bezplatné parametre štandardného modelu veľmi líšia a vyzerajú takmer náhodne.
Jedna z metód experimentálnej registrácie náprav. Obrázok v modrej farbe ukazuje odhadovaný tok osí emitovaných Slnkom, ktoré sa potom prevedú v magnetickom poli Zeme (červené) na röntgenové lúče (oranžové). Tieto lúče bolo možné detegovať pomocou vesmírneho röntgenového ďalekohľadu XMM-Newton. Stále nie je známe, kde hľadať axióny: môžu to byť častice tmavej hmoty alebo sa prejaviť vývojom hviezd.
Štandardného modelu je teda príliš veľa voľných parametrov, ich hodnoty vyzerajú nemotivované a nadmerne rozptýlené. Čo s tým ale má spoločné prirodzenosť?
S. T.: A práve sme ju oslovili. Vo fyzike elementárnych častíc má princíp prirodzenosti teoretických modelov veľmi špecifický význam. Vyžaduje to, aby sa všetky bezrozmerné voľné parametre rovnali nule, alebo aby sa rádovo príliš nelíšil od jedného - povedzme v rozmedzí od tisíciny do tisíc. Parametre štandardného modelu zjavne nespĺňajú toto kritérium. Existuje však aj ďalšia podmienka, ktorú sformuloval v roku 1980 pozoruhodný holandský teoretický fyzik Gerard 't Hooft, jeden z tvorcov štandardného modelu. Postuloval, že veľmi malá hodnota ľubovoľného voľného parametra dostane prirodzené vysvetlenie, iba ak jeho prísne vynulovanie vedie k vzniku dodatočnej symetrie, ktorej sa rovnice teórie podriaďujú. Podľa „t Hooft“„Blízkosť“takejto symetrie slúži ako druh štítu chrániaceho mierku tohto parametra pred veľkými korekciami spôsobenými kvantovými procesmi zahŕňajúcimi virtuálne častice. Keď som bol študentom a doktorandom, celá naša veda doslova kvitla týmto postulátom. Ale toto je stále oslabenie princípu prirodzenosti, o ktorom diskutujeme.
Gerard 't Hooft, holandský teoretický fyzik, jeden zo zakladateľov štandardného modelu. Foto zo stránky sureshemre.wordpress.com
Čo sa stane, ak prekročíte štandardný model?
ST: Aj tu nastáva problém prirodzenosti, aj keď iného druhu. Najdôležitejším rozmerovým parametrom štandardného modelu je vákuový priemer Higgsovho poľa. Určuje energetickú škálu elektroslabej interakcie a od nej závisia hmotnosti častíc. Mimo štandardného modelu existuje jeden rovnako zásadný parameter rovnakej dimenzie. Toto je samozrejme Planckova hmotnosť, ktorá určuje energetickú škálu kvantových efektov spojených s gravitáciou. Higgsovo pole je asi 250 GeV, čo je dvojnásobok hmotnosti Higgsovho bozónu. Planckova hmotnosť je približne 1019 GeV. Ich pomer je teda buď veľmi malé číslo, alebo gigantické číslo, podľa toho, čo vložiť do čitateľa a čo do menovateľa. V skutočnosti sa diskutuje o ďalších zaujímavých škálach mimo štandardného modelu,ale sú tiež nezmerateľne väčšie ako Higgsovo pole. Aj tu teda máme dočinenia so zjavnou podivnosťou, inými slovami s nedostatkom prirodzenosti.
Takže je možno lepšie považovať tento princíp za prirodzený pozostatok vedy dvadsiateho storočia a úplne ho opustiť? Nie nadarmo niektorí vedci hovoria o nástupe postnatálnej éry
ST: No, ani úplné odmietnutie nevyrieši všetky naše problémy. Ako som už povedal, princíp prirodzenosti je niečo z oblasti estetiky. Existujú však aj experimentálne problémy, ktoré nikam nepôjdu. Povedzme, že je dnes už isté, že neutríno má hmotnosť, zatiaľ čo symetrie štandardného modelu vyžadujú, aby bola striktne nulová. To isté je s temnou hmotou - nie je to v štandardnom modeli, ale v živote to zjavne je. Je možné, že ak sa dajú experimentálne ťažkosti rozumne vyriešiť, potom už nebude treba nič opustiť. Ale opakujem, celý tento problémový komplex je celkom skutočný a naznačuje krízový charakter súčasnej situácie v základnej fyzike. Je možné, že východiskom z tejto krízy bude vedecká revolúcia a zmena existujúcej paradigmy.
Sergey, čo pre teba osobne znamená zásada prirodzenosti? Možno aj emočne?
ST: Pre mňa je to v istom zmysle princíp vypočítateľnosti. Nemôžeme nielen vziať z experimentu, ale vypočítať všetkých týchto 19 parametrov? Alebo ich aspoň zredukovať na jediný skutočne bezplatný parameter? To by bolo pre mňa v poriadku. Ale zatiaľ táto možnosť nie je viditeľná. Mimochodom, istý čas mnohí dúfali, že hlavné ťažkosti štandardného modelu bude možné vyriešiť na základe konceptu supersymetrie. Avšak aj minimálne supersymetrické zovšeobecnenie štandardného modelu obsahuje až 105 voľných parametrov. To je už naozaj zlé.
Ale pre takýto výpočet sa treba na niečo spoľahnúť. Ako sa hovorí, nič nepredpokladáte - nič nezískate
S. T.: O to ide. V ideálnom prípade by som chcel mať komplexnú jednotnú teóriu, ktorá aspoň v zásade umožní vykonať všetky potrebné výpočty. Ale kde to zohnať? Po mnoho rokov sa teória strún navrhovala ako kandidát na taký univerzálny základ. Vzniká takmer 50 rokov, vcelku úctyhodný vek. Možno je to úžasná teoretická konštrukcia, ale zatiaľ sa neuskutočnila ako jednotná teória. Samozrejme, nikto nemá zakázané dúfať, že sa tak stane. V dejinách fyziky sa však zriedka stalo, že by sa pol storočia vyvíjala teória na základe prísľubov budúcich úspechov, ktorá potom všetko náhle a v skutočnosti vysvetlila. V každom prípade o tom pochybujem.
Je pravda, že z teórie strún existuje určitá jemnosť, čo naznačuje existenciu asi 10 500 vákua s rôznymi fyzikálnymi zákonmi. Obrazne povedané, každé vákuum musí mať svoj vlastný štandardný model s vlastnou sadou voľných parametrov. Mnoho prívržencov antropického princípu tvrdí, že naša vlastná množina nevyžaduje vysvetlenie, pretože vo svetoch s odlišnou fyzikou nemôže existovať život, a teda ani veda. Z hľadiska čistej logiky je takáto interpretácia prijateľná, až na to, že miernosť parametra θ nemožno odvodiť z antropického princípu. Tento parameter mohol byť pokojne viac - z toho by sa šanca na vznik inteligentného života na našej planéte neznížila. Ale antropický princíp iba ohlasuje možnú existenciu takmer nekonečného súboru svetov a je v skutočnosti obmedzený na toto. Nedá sa vyvrátiť - alebo, terminológiou povedané, sfalšovať. Toto už nie je veda, aspoň v mojom chápaní. Opustiť princíp falšovateľnosti vedeckých poznatkov kvôli teórii, ktorá v skutočnosti nedokáže nič vysvetliť, sa mi javí ako nesprávne.
Nemôžem nesúhlasiť. Poďme však ďalej. Ako sa môžete dostať z krízy - alebo, ak chcete, z predkrízovej situácie zo základnej fyziky? Kto má loptu teraz - teoretici alebo experimentátori?
S. T.: Logicky by lopta mala byť na strane teoretikov. Existujú spoľahlivé experimentálne údaje o hmotnosti neutrín a existujú aj pozorovania astronómov potvrdzujúce existenciu temnej hmoty. Zdá sa, že úloha je zrejmá - prísť so základmi nového teoretického prístupu a vytvoriť konkrétne modely, ktoré umožnia experimentálne overenie. Ale zatiaľ také pokusy nikam neviedli.
Opäť nie je jasné, čo od Veľkého hadrónového urýchľovača očakávať po jeho plánovanej modernizácii. Na tomto stroji bude samozrejme prijatých veľa údajov a ani teraz nie sú spracované zďaleka všetky informácie zhromaždené jeho detektormi. Existujú napríklad dôkazy, že elektróny a mióny nie sú vo svojich interakciách úplne identické. Bol by to veľmi vážny objav, ktorý by možno vysvetlil rozdiel v ich masách. Ale tieto dôkazy sú stále slabé, môžete im dôverovať alebo im nemôžete dôverovať. Táto otázka bude s najväčšou pravdepodobnosťou vyriešená v nasledujúcich experimentoch na LHC. Je však potrebné pripomenúť, že tímy experimentálnych fyzikov, ktoré na ňom pracujú, už neraz hlásili náznaky veľkých objavov mimo štandardného modelu a neskôr boli tieto oznámenia vyvrátené.
Čo zostalo? Možno dúfať v super akcelerátory, ktoré sa niekedy budú vyrábať, ale s nimi je stále všetko nejasné - aspoň z hľadiska 10-20 rokov. Lopta je teda skutočne na strane astrofyzikov. Od tejto vedy možno očakávať skutočne radikálny prielom.
Prečo?
ST: Ide o to, že nie je možné nájsť nové častice zapojené do silných interakcií. Preto musíme hľadať slabo interagujúce častice, ktoré nie sú v štandardnom modeli. Ak interagujú slabo, potom interagujú zriedka a na prejavy takýchto interakcií je potrebné dlho čakať. Nemôžeme dlho čakať na experimenty s akcelerátormi. Vesmír však čakal takmer 14 miliárd rokov a účinky dokonca aj veľmi zriedkavých interakcií sa môžu hromadiť po celú túto dobu. Je možné, že takéto účinky nájdu astrofyzici. A už existujú príklady - koniec koncov, prítomnosť neutrínových oscilácií, demonštrujúcich nenulovú hmotnosť tejto častice, bola objavená pri štúdiu slnečných neutrín. Tieto nádeje sú o to oprávnenejšie,že pozorovacia základňa astronómie a astrofyziky sa neustále rozširuje vďaka novým pozemským a vesmírnym teleskopom a ďalšiemu vybaveniu. Napríklad rok po prvej priamej registrácii gravitačných vĺn sa dokázalo, že sa šíria rovnakou rýchlosťou ako elektromagnetické žiarenie. Toto je veľmi dôležitý výsledok, ktorý hovorí za teoretikov.
Prednáška Sergeja Troického „Vesmír ako laboratórium časticovej fyziky“prednesená 8. októbra 2017 na Moskovskej štátnej univerzite. M. V. Lomonosov na festivale vedy:
Sergei, keďže si spomenul vesmír, spomeňme si na Johannesa Keplera. V roku 1596 si všimol, že priemerné polomery planetárnych dráh od Merkúra po Saturn vypočítané Koperníkom boli 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Vzdialenosť medzi Marsom a Jupiterom sa zdala Keplerovi príliš veľká, a preto neprirodzená. Predpokladal, že existuje zatiaľ neznáma planéta, a nakoniec mal pravdu. Na Nový rok 1801 objavil Giuseppe Piazzi v tejto zóne, ktorá je dnes považovaná za trpasličiu planétu, Ceres. Samozrejme, teraz vieme, že neexistuje jedna planéta, ale celý pás asteroidov. Kepler o ňom netušil, ale myslím si, že by ho asi príliš neprekvapilo. Všeobecne sa na základe kritéria prirodzenosti urobila veľmi konkrétna predpoveď, ktorá bola najskôr odôvodnená doslovne a neskôr, ak chcete, záujmom. Je dnes niečo podobné možné v základnej fyzike?
S. T.: Toto nie je vylúčené. Ak použijeme kritérium prirodzenosti na vysvetlenie hierarchie fermionických hmôt, takmer určite sa objaví nejaká nová symetria. Spravidla sú do dnešného dňa navrhovaní rôzni kandidáti na túto pozíciu, ale všetci nás akosi neuspokojujú. Ak sa dá taká symetria nájsť, mohlo by nás to priviesť k zatiaľ neznámym časticiam. Je pravda, že ich priame predpovedanie, podobne ako Keplera, nebude fungovať, ale naučíme sa niečo užitočné. Je však možné, že aj v tomto prípade budú užitočné pokyny dosť neurčité a budú mať obrovskú škálu možností. Napríklad os sa predpovedá len na základe novej symetrie navrhnutej Pecceiom a Quinnom. Tento mechanizmus však umožňuje veľmi veľkú voľnosť pri výbere parametrov, a preto nemáme nijaké informácie o tom, kde hľadať axión. Môže to byť častica tmavej hmotyalebo sa to môže prejaviť vývojom hviezd alebo inde - len o tom nevieme.
No, čas ukáže. A veľmi pekne ďakujem za rozhovor
Hovoril som tiež s Giou Dvali, profesorom fyziky na newyorských a mníchovských univerzitách a spoluautorom Fyzikálneho ústavu Maxa Plancka (mimochodom, toto renomované vedecké centrum vzniklo v roku 1914 ako Fyzikálny ústav Kaisera Wilhelma a jeho prvým riaditeľom bol Albert Einstein). Prirodzene, hovorili sme o rovnakej téme.
George Dvali, profesor fyziky v Centre pre kozmológiu a časticovú fyziku na Newyorskej univerzite a Univerzita Ludwiga-Maximiliána v Mníchove, riaditeľ Fyzikálneho ústavu Maxa Plancka v Mníchove. Foto zo stránky astronet.ge
Guia, ako interpretuješ problém prirodzenosti štandardného modelu?
GD: Všeobecne môžem zopakovať, čo povedal Sergej. Rovnice štandardného modelu zahŕňajú množinu voľných parametrov, ktoré nedokáže predvídať. Číselné hodnoty týchto parametrov sa navzájom veľmi líšia, aj keď hovoríme o zdanlivo podobných objektoch. Vezmime si povedzme neutríno, elektrón a t kvark. Všetko sú to fermióny, ale hmotnosť neutrína s najväčšou pravdepodobnosťou nepresahuje zlomok elektrónvoltu, hmotnosť elektrónu je približne päťstotisíc elektrónvoltov a hmotnosť t-kvarku je 175 GeV - 175 miliárd elektrónvoltov. Takéto rozdiely sa môžu skutočne javiť akosi neprirodzené.
Ale toto je iba vonkajšia strana. Pre lepšie pochopenie všetkého je potrebné vziať do úvahy ultrafialovú citlivosť týchto parametrov. Hovoríme o ich závislosti na zvýšení rozsahu energií - alebo, čo je rovnaké, na znížení priestorového rozsahu. Povedzme, že najskôr zmeriame hmotnosť elektrónu v laboratóriu a potom sa pozrieme, čo sa s ním stane na Planckove vzdialenosti. Týmto prístupom sú parametre rozdelené do niekoľkých skupín. Maximálna ultrafialová citlivosť sa preukazuje hustotou energie fyzického vákua. V Planckovej oblasti je to úmerné štvrtému stupňu zmeny mierky. Ak sa Planckova hmotnosť zdvojnásobí, potom sa hodnota vákuovej energie zvýši 16-krát. Pre hmotnosť Higgsovho bozónu nie je táto závislosť taká veľká: nie štvrtý stupeň, ale iba druhý. Fermionové masy sa menia veľmi slabo - iba podľa logaritmického zákona. Napokon parameter θ prakticky nezaznamenáva zmeny v Planckovej škále. Aj keď jeho citlivosť nie je nulová, je taká malá, že sa na ňu nedá prihliadať.
Čo znamená toto rozšírenie v miere citlivosti voľných parametrov štandardného modelu? Tu sú možné rôzne možnosti. Napríklad sa dá predpokladať, že hmotnosť Higgsovho bozónu si vôbec nezaslúži štatút základnej veličiny. Tento predpoklad sa automaticky rozširuje na hmotnosti častíc, ktoré závisia od Higgsovej hmotnosti. Rozptyl v ich hodnotách potom nebude vyzerať o nič zvláštnejšie ako napríklad rozdiel vo veľkostiach molekúl a galaxií. Ani jeden, ani druhý sa nijakým spôsobom netvária ako zásadné, a preto nemá zmysel hodnotiť ich veľkosť z hľadiska prirodzenosti.
Ak sa vám táto analógia zdá príliš pritiahnutá, tu je ďalší príklad. Charakteristickú energiu silnej interakcie dobre poznáme, jej poradie je 1 GeV. A tiež vieme, že rozsah silných interakcií nie je zásadný, takže jeho malá hodnota vo vzťahu k Planckovej hmote nikoho neprekvapuje. Všeobecne platí, že ak pripustíme, že z hľadiska prirodzenosti alebo neprirodzenosti je rozumné porovnávať výlučne základné veličiny, potom pre parametre štandardného modelu tento problém prakticky zmizne.
Je zaujímavé, že rovnaká logika funguje aj pre priaznivcov antropického princípu. Veria, že existuje veľké množstvo vákuov s rôznymi fyzikálnymi zákonmi, ktoré sa zvyčajne nazývajú multivesmír. Náš vlastný vesmír sa vynoril z jedného z týchto vákuov. Ak vezmeme toto hľadisko, potom všeobecne neexistuje problém s prirodzenosťou parametrov štandardného modelu. Ale tento prístup sa mi nepáči, aj keď pripúšťam, že má svojich priaznivcov.
Opustenie predpokladu, že parametre štandardného modelu sú zásadné, teda odstraňuje problém prirodzenosti. Je to koniec diskusie alebo môžeme ísť ďalej?
GD: Samozrejme, je to možné - a nevyhnutné. Podľa môjho názoru je oveľa dôležitejšie a zaujímavejšie hovoriť nie o prirodzenosti modelu, ale o jeho dôslednosti v sebe samom. Napríklad všetci pracujeme v rámci teórie kvantového poľa. Mimochodom, to sa netýka iba štandardného modelu, ale aj teórie strún. Všetky fyzikálne zmysluplné realizácie tejto teórie by mali vychádzať zo špeciálnej teórie relativity, takže ich rovnice by mali vyzerať rovnako vo všetkých inerciálnych referenčných rámcoch. Táto vlastnosť sa nazýva relativistická invariantnosť teórie alebo Lorentzova invariantnosť. Existuje veta, podľa ktorej musia byť všetky teórie kvantového poľa invariantné s Lorentzom invariantné s CPT. To znamená, že ich základné rovnice by sa nemali meniť pri súčasnom nahradení častíc antičasticami, inverzii priestorových súradníc a obrátení času. Ak dôjde k porušeniu tejto invariantnosti, nebude teória samostatná a nijaká prirodzenosť ju nebude pomáhať budovať. Inými slovami, konzistentná kvantová teória poľa je vynútená ako invariantná s CPT. Preto pri diskusii o prirodzenosti treba dávať pozor, aby ste si ju nepomýlili so sebadôslednosťou. Táto stratégia otvára veľa zaujímavých možností, ale diskusia o nich nás dovedie príliš ďaleko.
Wilhelm de Sitter, holandský astronóm, ktorý vytvoril jeden z prvých relativistických kozmologických modelov (de Sitterov model). Zdroj: Fotografický archív University of Chicago
Gia, je možné uviesť aspoň jeden príklad?
GD: - Samozrejme. Ako viete, priestor nášho vesmíru sa rozširuje čoraz rýchlejšie - ako hovoria kozmológovia, žijeme v de Sitterovom svete. Toto zrýchlenie sa zvyčajne pripisuje prítomnosti pozitívnej vákuovej energie, ktorá sa tiež nazýva energia tmy. Jeho nameraná hustota je extrémne nízka, približne 10 - 29 g / cm3. Ak predpokladáme, že gravitáciu možno opísať v rámci teórie kvantového poľa, potom je prirodzené očakávať, že hodnota vákuovej energie je o mnoho desiatok rádov vyššia ako táto hodnota. Pretože to tak nie je, kritérium prirodzenosti zjavne nefunguje. Teraz však máme čoraz viac dôvodov myslieť si, že malú hodnotu vákuovej energie možno odôvodniť na základe kritéria sebadôvery.
Ale to ešte nie je koniec. V rámci nového prístupu záver naznačuje, že energia vákua sa časom mení. Ak nezavádzate ďalšie predpoklady, potom je časový rozsah týchto zmien nepredstaviteľne veľký - 10 132 rokov. Ak si však tieto zmeny spojíme s prítomnosťou určitého skalárneho poľa, potom bude táto škála porovnateľná s Hubblovým časom, čo je o niečo viac ako desať miliárd rokov. Z výpočtov vyplýva, že môže Hubblov čas prekročiť iba niekoľkonásobne, a nie o veľa rádov. Úprimne povedané, tento záver na mňa celkom neurobí dojem, ale je to celkom logické. Existujú aj iné možnosti, ale sú úplne exotické.
Zhrňme to. Ako vo všeobecnosti vidíte problém prirodzenosti modelov základnej fyziky a aké riešenia sú podľa vás optimálne?
GD: Alexey, dovoľte mi začať s historickým pohľadom, nebude to bolieť. V posledných desaťročiach silno oscilovali názory našej komunity, komunity tých, ktorí sa zaoberajú základnou fyzikou. V 90. rokoch sa síce diskutovalo o antropickom princípe, ale všeobecne to nikoho zvlášť nezaujímalo. Potom prevládal názor, že základy štruktúry vesmíru boli známe už v osobe teórie strún. Dúfali sme, že to bude ona, kto dá jediné správne riešenie popisujúce náš vesmír.
Na konci minulého desaťročia sa táto viera zmenila. Veľmi vážni vedci, napríklad Alex Vilenkin a Andrey Linde, začali aktívne a presvedčivo brániť antropický princíp. V určitom okamihu nastal vo vedomí komunity zlom, niečo ako fázový prechod. Mnoho teoretikov videlo v antropickom princípe jediné východisko z ťažkostí spojených s problémom prirodzenosti. Mali samozrejme aj odporcov a naša komunita sa v tejto otázke rozišla. Je pravda, že Linde napriek tomu pripustil, že nie všetky parametre štandardného modelu nachádzajú prirodzenú interpretáciu v kontexte antropického princípu. Sergej si túto okolnosť všimol už v súvislosti s parametrom θ.
Andrey Linde (vľavo) a Alexander Vilenkin. Foto zo stránky vielewelten.de
V posledných rokoch sa kolektívny názor opäť zmenil. Teraz vidíme, že takmer nekonečný súbor vesmírov s rôznymi fyzikálnymi zákonmi nemôže vôbec existovať. Dôvod je jednoduchý: také vesmíry nemôžu byť stabilné. Všetky exotické svety Sitter by sa mali zmeniť na prázdne časopriestorové kontinua s plochou Minkowského geometriou. Vákuum je jediné stabilné iba pri tejto geometrii. Je možné preukázať, že hustota energie vákua musí byť v porovnaní s Planckovou stupnicou zanedbateľná. Presne to sa deje v našom vesmíre. Náš svet ešte nedosiahol svet Minkowského, takže vákuová energia nie je nulová. Mení sa to a v zásade je možné tieto zmeny zistiť experimentálne a pomocou astrofyzikálnych pozorovaní. Takže na malosti vákuovej energie nie je nič neprirodzené,a jeho pozorovaná hodnota je v súlade s teoretickými očakávaniami.
Na základe nového prístupu sa tvoria ďalšie veľmi konkrétne predpovede. Z toho teda vyplýva, že určite musí existovať aj os. Tento záver súvisí aj s problémom prirodzenosti. Pripomeniem, že teoretici kedysi vynašli túto časticu, aby vysvetlili neprirodzene malú hodnotu parametra θ. Teraz hovoríme, že realita osi je diktovaná požiadavkou na konzistenciu našich rovníc. Inými slovami, ak os neexistuje, teória nie je konzistentná. Toto je úplne iná logika teoretickej predikcie. Takže na záver môžem zopakovať to, čo som už povedal: princíp prirodzenosti nahradil oveľa silnejší princíp sebadôslednosti a oblasť jeho použiteľnosti sa neustále rozširuje a jeho hranice ešte nie sú známe. Je možné, že na jeho základe bude možné vysvetliť hierarchiu hmotností elementárnych častíc,predstavuje pre oblasť prirodzenosti taký zložitý problém. Či je to tak, nevieme. Vo všeobecnosti musíte pracovať.
Takže, tu sú názory dvoch brilantných teoretických fyzikov, ktorí podľa vlastného priznania veľa uvažovali o probléme prirodzenosti teoretických modelov základnej fyziky. V niečom sú si podobné, v niečom sa líšia. Sergei Troitsky a Gia Dvali však nevylučujú, že princíp prirodzenosti, ak nie je úplne zastaraný, potom v každom prípade stratil svoju dovtedajšiu dôveryhodnosť. Ak je to tak, potom základná fyzika skutočne vstupuje do éry postnaturalizmu. Pozrime sa, kam to vedie.
Aby som diskusiu dôstojne uzavrel, požiadal som jedného zo zakladateľov teórie strún Edwarda Wittena, profesora Princetonského inštitútu pre základný výskum, aby čo najkratšie hovoril o probléme prirodzenosti základnej fyziky. Tu napísal:
Edward Witten, profesor na Princetonskom inštitúte pre základný výskum, spoluzakladateľ teórie strún. Foto zo stránky wikipedia.org
„Ak fyzik alebo kozmológ dospeje k záveru, že nejaká pozorovateľná hodnota má extrémnu hodnotu, hľadá rozumný výklad. Napríklad hmotnosť elektrónu je 1 800-krát menšia ako hmotnosť protónu. Takéto vážne rozlíšenie určite priťahuje pozornosť a vyžaduje vysvetlenie.
V tomto prípade je rozumné - alebo, inými slovami, prirodzené - vysvetlenie, že keď sa elektrónová hmotnosť vynuluje, rovnice štandardného modelu sa stanú symetrickejšími. Všeobecne potom považujeme presnú alebo približnú symetriu za prirodzenú, keď existuje dôvod dúfať, že ak dnes nebudeme vedieť, prečo existuje v prírode, potom očakávame, že nájdeme vysvetlenie na hlbšej úrovni porozumenia fyzickej reality. Podľa tejto logiky malá hmotnosť elektrónu nespôsobuje nepríjemné problémy pre princíp prirodzenosti.
Teraz prejdime ku kozmológii. Vieme, že veľkosť vesmíru je asi 1030-násobok vlnovej dĺžky typického fotónu žiarenia mikrovlnného pozadia. Tento vzťah sa nemení s vývojom vesmíru, a preto ho nemožno jednoducho pripísať jeho veku. Potrebuje iné vysvetlenie, ktoré možno získať na základe inflačných kozmologických modelov.
Zvážte príklad iného druhu. Je známe, že hodnota tmavej energie je najmenej 1060-krát nižšia ako teoreticky vypočítaná hodnota na základe znalostí ďalších základných konštánt. Táto skutočnosť si samozrejme vyžaduje aj vysvetlenie. Stále však pre ňu neexistuje rozumný výklad - okrem prípadu, ktorý pravdepodobne vyplýva z hypotézy o multivesmere a antropického princípu. Som jedným z tých, ktorí by uprednostnili iný druh vysvetlenia, ale zatiaľ sa nenašiel. Takto to teraz stojí. ““
Na záver si nemôžem odoprieť potešenie citovať nedávny článok profesora Wittena (E. Witten, 2018. Symetria and Emergence), ktorý bude podľa môjho názoru vynikajúcim záverom diskusie o prirodzenosti teórií základnej fyziky:
"Všeobecne povedané, symetria meradla nie je nič iné ako vlastnosť popisu fyzického systému." Význam symetrií meradla v modernej fyzike spočíva v tom, že fyzikálne procesy sa riadia mimoriadne jemnými (jemnými) zákonmi, ktoré sú vo svojej podstate „geometrické“. Je veľmi ťažké presne definovať tento pojem, ale v praxi to znamená, že prírodné zákony odolávajú akýmkoľvek nesporným pokusom nájsť pre ne výslovný výraz. Ťažkosti s vyjadrením týchto zákonov v prirodzenej a neprebytočnej podobe sú dôvodom zavedenia symetrie rozchodu. “
Arkady a Boris Strugatsky.
Takže traja ľudia - tri názory. Na záver - citát z príbehu bratov Strugatských „Škaredé labute“(1967):
"Prírodné je vždy primitívne," pokračoval Bol-Kunats okrem iného, "a človek je zložitá bytosť, prirodzenosť mu nevyhovuje."
Zodpovedá to teóriám základnej fyziky? To je otázka.
Alexey Levin, PhD z filozofie