Strokovnjaki s področja temeljne fizike (in po definiciji teorije osnovnih delcev, relativistične astrofizike in kozmologije) pogosto primerjajo stanje svoje znanosti s stanjem ob koncu 19. stoletja. Tedanja fizika, ki je temeljila na Newtonovi mehaniki, Maxwellovi teoriji elektromagnetnega polja, termodinamiki in statistični mehaniki Boltzmanna-Gibbsa, je uspešno razložila skoraj vse eksperimentalne rezultate. Res je, prišlo je tudi do nesporazumov - ničelni rezultat eksperimenta Michelson-Morley, odsotnost teoretične razlage spektrov sevanja črnih teles, nestabilnost snovi, ki se kaže v pojavu radioaktivnosti. Vendar jih je bilo malo in niso uničili upanja za zagotovljen triumf oblikovanih znanstvenih idej - vsajz vidika absolutne večine uglednih znanstvenikov. Skoraj nihče ni pričakoval radikalne omejitve uporabnosti klasične paradigme in pojava povsem nove fizike. Pa vendar se je rodila - in to v samo treh desetletjih. Po pravici povedano velja omeniti, da je klasična fizika od takrat toliko razširila svoje zmožnosti, da bi se njenim dosežkom zdeli tuji titani preteklih časov, kot so Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin in Lorentz. A to je povsem druga zgodba.da bi se njeni dosežki zdeli tuji titanom iz starih časov, kot so Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin in Lorenz. A to je povsem druga zgodba.da bi se njeni dosežki zdeli tuji titanom iz starih časov, kot so Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin in Lorenz. Ampak to je povsem druga zgodba.
Podrobna razprava o težavah sodobne temeljne fizike bo vzela preveč prostora in presega moj namen. Zato se bom omejil na nekaj dobro znanih slabosti najuspešnejše in najbolj univerzalne teorije mikrosveta - Standardnega modela osnovnih delcev. Opisuje dve od treh temeljnih interakcij - močno in elektrošibko, vendar ne vpliva na gravitacijo. Ta resnično odlična teorija je omogočila razumevanje številnih pojavov z uporabo načela invariantnosti merilnika. Vendar ni pojasnila prisotnosti mase v nevtrinih in ni razkrila dinamike spontanega kršenja simetrije elektrošibke interakcije, ki je odgovorna za pojav mase zaradi Higgsovega mehanizma. Ni omogočala napovedovanja narave in lastnosti delcev, ki jih lahko štejemo za kandidate za vlogo nosilcev temne snovi. Standardnemu modelu tudi ni uspelo vzpostaviti nedvoumnih povezav z inflacijskimi teorijami, ki so v središču sodobne kozmologije. In končno, kljub resnično titanskim prizadevanjem teoretikov ni pojasnila poti do gradnje kvantne teorije gravitacije.
Ne domnevam, da navedeni primeri (in obstajajo tudi drugi) omogočajo presojo prehoda temeljne fizike v nestabilno stanje, ki je preobremenjeno z novo znanstveno revolucijo. Glede tega obstajajo različna mnenja. Zanima me vprašanje, ki ni tako globalno, a nič manj zanimivo. Številne sodobne publikacije dvomijo o uporabnosti merila naravnosti teoretičnih konceptov, ki že dolgo velja za zanesljivo in učinkovito vodilno načelo za izdelavo modelov mikrosveta (glej na primer GF Giuduce, 2017. Dawn of the Post-Naturalness Era). Ali je temu tako, kakšna je naravnost fizikalne teorije in kaj jo lahko nadomesti? Za začetek sem se o tem pogovarjal s Sergejem Troitskim, glavnim raziskovalcem na Inštitutu za jedrske raziskave Ruske akademije znanosti.
Sergej Vadimovič Troicki, dopisni član Ruske akademije znanosti, vodilni raziskovalec na Inštitutu za jedrske raziskave Ruske akademije znanosti. Fotografija s prof-ras.ru
Sergej, najprej se dogovorimo o glavni stvari. Kako ocenjujete trenutno stanje temeljne fizike? Ali je po znani terminologiji Thomasa Kuhna običajna znanost, znanost v predkrizni fazi ali samo v krizi?
ST: Kozmologijo uvrščate med temeljne fizike. To je povsem razumno, vendar v tem nisem strokovnjak in se zato vzdržujem ocen. Če pa govorimo o fiziki visokih energij in Standardnem modelu osnovnih delcev kot njeni teoretični podlagi, je na tem področju pravzaprav vse zelo težko. Veliki hadronski trkalnik (LHC) že vrsto let deluje v CERN-u in daje rezultate. Po njegovi zaslugi so razmere v fiziki delcev postale po eni strani zelo dolgočasne, po drugi strani pa izjemno zanimive. Pogosto se spominjam, da je kmalu pred izstrelitvijo LHC zelo spoštovani teoretični fizik napovedal, da se bo zdaj v naši znanosti odprla široka stebrna cesta, ki bo hitro pripeljala do večjih odkritij. Verjel je, da bodo dobesedno v prvih urah delovanja trkalnika ali najpozneje v enem letu prepoznani partnerji že znanih delcev,dolgo napovedovala teorija supersimetrije. Vnaprej so jih imeli za težko pričakovane delce temne snovi, ki jih je bilo mogoče preučevati več let. To je velika perspektiva za našo znanost.
In kaj se je zgodilo v praksi? Super partnerjev ni bilo in tudi ne, možnosti za njihovo odprtje v prihodnosti pa so se zelo zmanjšale. Pred šestimi leti so na LHC ujeli Higgsov bozon, ki je postal svetovna senzacija. Kako pa ga lahko ocenite? Rekel bi, da je to v nekem smislu najstrašnejši dosežek LHC, ker je bil Higgs napovedan že zdavnaj. Vse bi bilo veliko bolj zanimivo, če je ne bi bilo mogoče odpreti. In zdaj se izkaže, da nimamo nič drugega kot standardni model, četudi je to dobro potrjeno v poskusih. Čudeži se niso zgodili, do odkritij, ki ne spadajo v področje uporabe standardnega modela, ni bilo. V tem smislu so razmere res predkrizne, saj zagotovo vemo, da standardni model ni popoln. To ste že opazili v uvodu našega pogovora.
Ko trčita dva protona (na sliki ni prikazan), nastaneta dva kvarka (Quark), ki ob združitvi tvorita W-bozon (šibki vektorski bozon) - delec, ki ima šibko interakcijo. W bozon oddaja Higgsov bozon, ki se razpade na dva b kvarka (spodnji kvark). Slika iz članka: B. Tuchming, 2018. Dolgo iskani razpad Higgsovega bozona.
Promocijski video:
Potem gremo naprej. Kako pomembno je načelo naravnosti v teoriji delcev in kaj je to? Ni preprosto spoštovanje zdrave pameti, kajne?
ST: Menim, da gre za neke vrste estetsko merilo, vendar so tu potrebna pojasnila. Standardni model ima tri komponente. Najprej je seznam delcev, ki jih vsebuje. Vsi so že bili odkriti, Higgsov bozon je bil zadnji. Drugič, obstaja skupina interakcij, ki jih opisuje. Obstaja pa tudi tretji del - nabor prostih parametrov. To je devetnajst številk, ki jih je mogoče določiti le eksperimentalno, saj niso izračunane v okviru samega modela (glej S. V. Troitsky, 2012. Nerešeni problemi fizike osnovnih delcev).
In tu se pojavijo težave. Najprej je teh parametrov preveč. Devetnajst je nekaj čudnega števila, ki se zdi, da mu ne sledi od nikoder. Poleg tega so njihovi pomeni preveč različni in jih je zato težko razložiti. Recimo, da število prostih parametrov vključuje mase leptonov - elektrona, muona in delca tau. Muon je približno dvestokrat težji od elektrona, tau pa skoraj dvajsetkrat močnejši od muona. Enako je s kvarki - njihove mase se razlikujejo po velikostih, vse ostalo pa je enako.
Mase vseh delcev standardnega modela so razpršene v zelo širokem območju. V standardnem modelu ta množična hierarhija ni zadovoljivo razložena. Slika iz razdelka Težavnosti Standardnega modela projekta Igorja Ivanova Velikega hadronskega trkalnika.
Drug primer je vrednost brezdimenzionalnega parametra, ki označuje kršitev nepromenljivosti CP v močnih interakcijah. Njegova natančna vrednost ni znana, vendar poskusi kažejo, da je v vsakem primeru manj kot 10-9. Še enkrat, to je čudno. Na splošno se prosti parametri standardnega modela zelo razlikujejo po velikosti in izgledajo skoraj naključno.
Ena izmed metod za eksperimentalno registracijo aksionov. Slika v modri barvi prikazuje ocenjeni tok aksionov, ki jih oddaja Sonce, ki se nato v magnetnem polju Zemlje (rdeča) pretvorijo v rentgenske žarke (oranžna). Te žarke bi lahko zaznal vesoljski rentgenski teleskop XMM-Newton. Še vedno ni znano, kje iskati aksione: lahko so delci temne snovi ali pa se kažejo v evoluciji zvezd.
Torej, prostih parametrov standardnega modela je preveč, njihove vrednosti so videti nemotivirane in pretirano razpršene. Kaj pa ima naravnost z njo?
S. T.: In pravkar smo se ji približali. V fiziki osnovnih delcev ima načelo naravnosti teoretičnih modelov zelo specifičen pomen. Zahteva, da morajo biti vsi brezdimenzionalni prosti parametri enaki nič ali pa se velikostni red ne razlikuje preveč od enega - recimo, v območju od tisočinke do tisoč. Parametri standardnega modela očitno ne izpolnjujejo tega merila. Obstaja pa tudi dodaten pogoj, ki ga je leta 1980 oblikoval izjemen nizozemski teoretični fizik Gerard 't Hooft, eden od ustvarjalcev Standardnega modela. Predvideval je, da zelo majhna vrednost katerega koli prostega parametra dobi naravno razlago le, če njegova stroga ničla povzroči pojav dodatne simetrije, ki jo enačbe teorije upoštevajo. Po navedbah 't Hooft,"Bližina" takšne simetrije služi kot nekakšen ščit, ki ščiti skromnost tega parametra pred velikimi popravki zaradi kvantnih procesov, ki vključujejo virtualne delce. Ko sem bil študent in podiplomski študent, je vsa naša znanost dobesedno cvetela s tem postulatom. Toda to še vedno slabi načelo naravnosti, o katerem razpravljamo.
Gerard 't Hooft, nizozemski teoretični fizik, eden od ustanoviteljev Standardnega modela. Fotografija s spletnega mesta sureshemre.wordpress.com
Kaj se zgodi, če presežete standardni model?
ST: Tudi tu se pojavlja problem naravnosti, čeprav drugačne vrste. Najpomembnejši dimenzijski parameter standardnega modela je vakuumsko povprečje Higgsovega polja. Določa energijsko lestvico elektrošibke interakcije in mase delcev so odvisne od nje. Zunaj standardnega modela obstaja en sam enako temeljni parameter iste dimenzije. To je seveda Planckova masa, ki določa energetsko lestvico kvantnih učinkov, povezanih z gravitacijo. Higgsovo polje je približno 250 GeV, kar je dvakrat večja masa od Higgsovega bozona. Planckova masa je približno 1019 GeV. Njihovo razmerje je torej zelo majhno ali velikansko število, odvisno od tega, kaj vstaviti v števec in kaj v imenovalec. Pravzaprav se razpravlja o drugih zanimivih lestvicah zunaj standardnega modela,so pa tudi neizmerno večje od Higgsovega polja. Torej tudi tu imamo opravka z očitno nenavadnostjo, z drugimi besedami, pomanjkanjem naravnosti.
Torej, morda je bolje načelo obravnavati kot naravni relikt znanosti dvajsetega stoletja in ga popolnoma opustiti? Nekateri znanstveniki ne govorijo ničesar o začetku postnaravne dobe
ST: No, tudi popolna zavrnitev ne bo rešila vseh naših težav. Kot sem že dejal, je načelo naravnosti nekaj s področja estetike. Obstajajo pa tudi eksperimentalni problemi, ki ne bodo šli nikamor. Recimo, da je zdaj zagotovo znano, da ima nevtrino maso, medtem ko simetrije standardnega modela zahtevajo, da je strogo nič. Enako je s temno snovjo - ni v standardnem modelu, v življenju pa očitno je. Možno je, da če bo mogoče eksperimentalne težave razumno rešiti, potem ne bo treba ničesar opustiti. Toda, ponavljam, celoten problematični kompleks je povsem realen in kaže na krizno naravo trenutnih razmer v temeljni fiziki. Možno je, da bo izhod iz te krize znanstvena revolucija in sprememba obstoječe paradigme.
Sergej, kaj za vas osebno pomeni načelo naravnosti? Morda celo čustveno?
ST: Zame je to v nekem smislu načelo izračunanosti. Ali ne moremo samo vzeti iz eksperimenta, ampak izračunati vseh teh 19 parametrov? Ali jih vsaj zmanjšati na edini resnično brezplačen parameter? To bi bilo zame v redu. Toda zaenkrat ta možnost ni vidna. Mimogrede, nekoč so mnogi upali, da bo mogoče glavne težave standardnega modela rešiti na podlagi koncepta supersimetrije. Vendar pa tudi minimalne supersimetrične posplošitve Standardnega modela vsebujejo kar 105 prostih parametrov. To je že res slabo.
Toda za takšen izračun se morate na nekaj zanesti. Kot rečeno, ničesar ne prevzamete - ničesar ne boste dobili
S. T.: To je samo bistvo. V idealnem primeru bi rad imel obsežno enotno teorijo, ki bi vsaj načeloma omogočala izvajanje vseh potrebnih izračunov. Kje pa ga dobiti? Že vrsto let je teorija strun predlagana kot kandidatka za tak univerzalni temelj. Ustvarja se že skoraj 50 let, kar ugledna starost. Morda je to čudovita teoretična konstrukcija, vendar še ni potekala kot enotna teorija. Seveda nikomur ni prepovedano upati, da se bo to zgodilo. Vendar se je v zgodovini fizike le redko zgodilo, da se je pol stoletja razvijala teorija o obljubah o prihodnjih uspehih, nato pa nenadoma in dejansko vse razložila. Vseeno dvomim.
Res je, da tu obstaja nekaj subtilnosti iz teorije strun, ki pomeni obstoj približno 10500 vakuum z različnimi fizikalnimi zakoni. Slikovito rečeno, vsak vakuum mora imeti svoj standardni model s svojim naborom prostih parametrov. Številni zagovorniki antropičnega načela trdijo, da naš lastni sklop ne zahteva razlage, saj v svetovih z različno fiziko ne more biti življenja in zato znanosti. Z vidika čiste logike je takšna razlaga sprejemljiva, z izjemo, da skoposti parametra θ ni mogoče izpeljati iz antropičnega načela. Ta parameter bi lahko bil tudi več - s tega možnosti za nastanek inteligentnega življenja na našem planetu ne bi bile manjše. Toda antropični princip samo naznanja možen obstoj skoraj neskončnega niza svetov in je dejansko omejen na to. Ni ga mogoče ovreči - ali, če uporabimo terminologijo, ponarediti. To vsaj po mojem razumevanju ni več znanost. Zdi se mi nepravilno, če bi se zaradi teorije, ki v resnici ne more ničesar razložiti, opustilo načelo potvorljivosti znanstvenih spoznanj.
Ne morem se strinjati. Pa pojdimo naprej. Kako se lahko rešite iz krize - ali, če želite, iz predkrize temeljne fizike? Kdo ima zdaj žogo - teoretiki ali eksperimentatorji?
S. T.: Logično je, da mora biti žoga na strani teoretikov. Obstajajo zanesljivi eksperimentalni podatki o masi nevtrinov in obstajajo astronomska opazovanja, ki potrjujejo obstoj temne snovi. Zdi se, da je naloga očitna - najti temelje novega teoretičnega pristopa in zgraditi specifične modele, ki omogočajo eksperimentalno preverjanje. Toda do zdaj takšni poskusi niso vodili nikamor.
Ponovno ni jasno, kaj lahko pričakujemo od velikega hadronskega trkalnika po načrtovani modernizaciji. Seveda bo na tej napravi prejetih veliko podatkov in tudi zdaj še zdaleč niso obdelane vse informacije, ki jih zberejo njegovi detektorji. Obstajajo na primer dokazi, da elektroni in mioni v svojih interakcijah niso popolnoma enaki. To bi bilo zelo resno odkritje, ki bi lahko razložilo razliko v njihovih množicah. Toda ti dokazi so še vedno šibki, lahko jim zaupate ali jim ne morete zaupati. To vprašanje bo najverjetneje razrešeno v nadaljnjih poskusih na LHC. Vendar je treba spomniti, da so skupine eksperimentalnih fizikov, ki delajo na njem, večkrat poročale o namigih na večja odkritja zunaj Standardnega modela, kasneje pa so bile te napovedi zavrnjene.
Kaj je ostalo? Lahko si upamo na super-pospeševalnike, ki bodo nekoč zgrajeni, a z njimi je vse še vedno nejasno - vsaj za 10-20-letno perspektivo. Žoga je torej res na strani astrofizikov. Od te znanosti lahko pričakujemo resnično radikalen preboj.
Zakaj?
ST: Bistvo je, da ni mogoče najti novih delcev, ki sodelujejo v močnih interakcijah. To pomeni, da moramo iskati delce, ki med seboj slabo delujejo in jih ni v standardnem modelu. Če medsebojno delujejo šibko, potem le redko komunicirajo in manifestacije takšnih interakcij morajo dolgo čakati. Ne moremo dolgo čakati na poskuse na pospeševalnikih. Toda Vesolje je čakalo skoraj 14 milijard let in učinki celo zelo redkih interakcij se lahko kopičijo ves ta čas. Možno je, da bodo takšne učinke našli astrofiziki. In že obstajajo primeri tega - navsezadnje je bila pri preučevanju sončnih nevtrinov odkrita prisotnost nevtrinskih nihanj, ki dokazujejo ničelno maso tega delca. Ta upanja so še toliko bolj upravičena,da se opazovalna baza astronomije in astrofizike nenehno širi zaradi novih zemeljskih in vesoljskih teleskopov ter druge opreme. Recimo, leto dni po prvi neposredni registraciji gravitacijskih valov je bilo dokazano, da se širijo z enako hitrostjo kot elektromagnetno sevanje. To je zelo pomemben rezultat, ki govori o teoretikih.
Predavanje Sergeja Troitskega "Vesolje kot laboratorij za fiziko delcev", 8. oktobra 2017 na Moskovski državni univerzi. M. V. Lomonosov na festivalu znanosti:
Sergej, ker ste omenili vesolje, se spomnimo na Johannesa Keplerja. Leta 1596 je opazil, da so povprečni polmeri planetarnih kroženj od Merkurja do Saturna, izračunani po Koperniku, 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Razdalja med Marsom in Jupitrom se je Keplerju zdela prevelika in zato nenaravna. Predvideval je, da obstaja še neznan planet, in na koncu je imel prav. Na Silvestrovo 1801 je Giuseppe Piazzi na tem območju odkril Ceres, ki je danes priznana kot pritlikav planet. Seveda zdaj vemo, da ne obstaja en planet, ampak cel pas asteroidov. Kepler o njem ni imel pojma, vendar mislim, da bi bil komaj preveč presenečen. Na splošno je bila na podlagi merila naravnosti podana zelo natančna napoved, ki je bila sprva upravičena dobesedno, kasneje pa, če želite, z obrestmi. Ali je danes v temeljni fiziki mogoče kaj podobnega?
S. T.: To ni izključeno. Če uporabimo merilo naravnosti za razlago hierarhije fermionskih mas, se bo skoraj zagotovo pojavila neka nova simetrija. Pravzaprav so do danes za to vlogo predlagali različne kandidate, vendar nas vsi nekako ne zadovoljijo. Če je mogoče najti takšno simetrijo, nas lahko pripelje do še neznanih delcev. Res je, da jih napovemo neposredno, tako kot Keplerjeva, ne bo šlo, vendar se bomo naučili nekaj koristnega. Možno pa je, da bodo tudi v tem primeru koristna navodila precej nejasna z ogromno paleto možnosti. Na primer, aksion je napovedan samo na podlagi nove simetrije, ki sta jo predlagala Peccei in Quinn. Vendar ta mehanizem omogoča zelo veliko svobodo pri izbiri parametrov in zato nimamo indikacij, kje najti aksion. Lahko je delček temne snoviali pa se lahko kaže v evoluciji zvezd ali kje drugje - mi pač ne vemo.
No, čas bo pokazal. In najlepša hvala za pogovor
Pogovarjal sem se tudi z Gio Dvali, profesorjem fizike na univerzah v New Yorku in Münchnu ter sourednikom Fizičnega inštituta Maxa Plancka (mimogrede, to znano znanstveno središče je bilo ustanovljeno leta 1914 kot Fizični inštitut Kaiser Wilhelm, njegov prvi direktor pa je bil Albert Einstein). Seveda smo govorili o isti temi.
Georgiy Dvali, profesor fizike na Centru za kozmologijo in fiziko delcev Univerze v New Yorku in Univerze Ludwig-Maximilian v Münchnu, direktor Inštituta Max Planck za fiziko v Münchnu. Fotografija s spletnega mesta astronet.ge
Guia, kako si razlagaš problem naravnosti standardnega modela?
GD: Na splošno lahko ponovim, kar je rekel Sergej. Enačbe standardnega modela vključujejo nabor prostih parametrov, ki jih ne more predvideti. Številčne vrednosti teh parametrov se med seboj močno razlikujejo, tudi če govorimo o na videz podobnih predmetih. Vzemimo recimo nevtrino, elektron in t kvark. Vsi so fermioni, vendar masa nevtrina najverjetneje ne presega delca elektron-volta, masa elektrona je približno enaka petsto tisoč elektron-voltov, masa t-kvarka pa je 175 GeV - 175 milijard elektron-voltov. Takšne razlike se morda res zdijo nekako nenaravne.
Ampak to je samo zunanja stran. Da bi vse bolje razumeli, je treba upoštevati ultravijolično občutljivost teh parametrov. Govorimo o njihovi odvisnosti od povečanja obsega energij - ali, kar je enako, od zmanjšanja prostorskega obsega. Recimo, da najprej izmerimo maso elektrona v laboratoriju, nato pa pogledamo, kaj se mu zgodi na Planckovih razdaljah. S tem pristopom so parametri razdeljeni v več skupin. Največjo ultravijolično občutljivost dokazuje gostota energije fizičnega vakuuma. V regiji Planck je sorazmerna s četrto stopnjo spremembe lestvice. Če se Planckova masa podvoji, se bo vrednost energije vakuuma povečala 16-krat. Za maso Higgsovega bozona ta odvisnost ni tako velika: ne četrta, ampak le druga. Fermionske mase se spreminjajo zelo šibko - le po logaritemskem zakonu. Končno, parameter θ praktično ne opazi sprememb v Planckovi lestvici. Čeprav njegova občutljivost ni enaka, je tako majhna, da jo lahko zanemarimo.
Kaj pomeni ta razpon stopnje občutljivosti prostih parametrov standardnega modela? Tu so možne različne možnosti. Na primer, lahko domnevamo, da masa Higgsovega bozona sploh ne zasluži statusa temeljne veličine. Ta predpostavka se samodejno razširi na mase delcev, ki so odvisne od Higgsove mase. Takrat razpon njihovih vrednosti ne bo videti nič bolj čuden kot na primer razlika v velikosti molekul in galaksij. Niti eno niti drugo se na noben način ne pretvarjata, da sta temeljna, zato ni smiselno ocenjevati njihove velikosti glede na naravnost.
Če se ta analogija zdi preveč namišljena, je tu še en primer. Dobro poznamo značilno energijo močne interakcije, njen vrstni red je 1 GeV. Vemo tudi, da obseg močnih interakcij ni temeljnega pomena, zato njegova majhna vrednost glede na Planckovo maso nikogar ne preseneča. Če na splošno sprejmemo, da je glede na naravnost ali nenaravnost smiselno primerjati izključno temeljne količine, potem bo za parametre standardnega modela ta težava tako rekoč izginila.
Zanimivo je, da ista logika deluje tudi pri zagovornikih antropičnega načela. Verjamejo, da obstaja veliko različnih vakuumov z različnimi fizikalnimi zakoni, kar se običajno imenuje multiverse. Iz enega od teh vakuumov je nastalo naše lastno vesolje. Če zavzamemo to stališče, potem na splošno ni problema z naravnostjo parametrov standardnega modela. Toda ta pristop mi ni všeč, čeprav priznam, da ima svoje podpornike.
Torej, opustitev predpostavke, da so parametri standardnega modela bistveni, odpravlja problem naravnosti. Je to konec razprave ali lahko gremo naprej?
GD: Seveda je mogoče - in nujno. Po mojem mnenju je veliko bolj pomembno in bolj zanimivo govoriti ne o naravnosti modela, temveč o njegovi samoskladi. Na primer, vsi delamo v okviru kvantne teorije polja. Mimogrede, to ne velja le za standardni model, ampak tudi za teorijo strun. Vse fizično smiselne realizacije te teorije bi morale temeljiti na posebni teoriji relativnosti, zato bi morale biti njihove enačbe videti enako v vseh inercialnih referenčnih okvirih. Ta lastnost se imenuje relativistična nespremenljivost teorije ali Lorentzova nespremenljivost. Obstaja izrek, v skladu s katerim morajo biti vse Lorentz-invariantne kvantne teorije polja CPT-invariantne. To pomeni, da se njihove osnovne enačbe ne bi smele spreminjati s hkratno zamenjavo delcev z antidelci, inverzijo prostorskih koordinat in obračanjem časa. Če se ta nespremenljivost krši, teorija ne bo samoskladna in nobena količina naravnosti ne bo pomagala pri njeni izgradnji. Z drugimi besedami, samokonsistentna kvantna teorija polja je prisiljena biti CPT-invariantna. Zato je pri razpravi o naravnosti treba paziti, da je ne zamenjamo s samoslednostjo. Ta strategija odpira veliko zanimivih možnosti, a razprava o njih nas bo pripeljala predaleč.
Wilhelm de Sitter, nizozemski astronom, ki je ustvaril enega prvih relativističnih kozmoloških modelov (de Sitterjev model). Vir: Fotografski arhiv Univerza v Chicagu
Gia, ali je možen vsaj en primer?
GD: - Seveda. Kot veste, se prostor našega vesolja vse bolj širi - kot pravijo kozmologi, živimo v de Sitterjevem svetu. To pospeševanje običajno pripišemo prisotnosti pozitivne vakuumske energije, imenovane tudi temna energija. Njegova izmerjena gostota je izredno nizka, približno 10-29 g / cm3. Če predpostavimo, da je gravitacijo mogoče opisati v okviru kvantne teorije polja, potem je naravno pričakovati, da je vrednost energije vakuuma za nekaj deset velikostnih redov večja od te vrednosti. Ker to ni tako, merilo naravnosti očitno ne deluje. Zdaj pa imamo vedno več razlogov, da mislimo, da je majhno vrednost energije vakuuma mogoče upravičiti na podlagi merila samo-konsistentnosti.
Ampak še ni konec. V okviru novega pristopa sklep kaže na to, da se energija vakuuma s časom spreminja. Če ne uvedete dodatnih predpostavk, je časovni obseg takšnih sprememb nepredstavljivo velik - 10132 let. Če pa te spremembe povežemo s prisotnostjo določenega skalarnega polja, bo ta lestvica primerljiva s Hubblovim časom, ki je nekaj več kot deset milijard let. Iz izračunov izhaja, da lahko Hubblov čas preseže le za več vrst velikosti in ne za veliko velikost. Če sem iskren, nisem povsem navdušen nad tem sklepom, vendar je povsem logičen. Obstajajo tudi druge možnosti, vendar so popolnoma eksotične.
Povzemimo. Kako na splošno vidite problem naravnosti modelov temeljne fizike in katere rešitve so po vašem mnenju optimalne?
GD: Alexey, naj začnem z zgodovinsko perspektivo, ne bo škodilo. V zadnjih desetletjih so pogledi naše skupnosti, skupnosti tistih, ki se ukvarjajo s temeljno fiziko, močno nihali. V devetdesetih letih, čeprav so razpravljali o antropičnem principu, na splošno nihče ni bil posebej zainteresiran. Potem je prevladovalo mnenje, da so bili temelji teorije vesolja že poznani v teoriji strun. Upali smo, da bo prav ona dala edino pravilno rešitev, ki opisuje naše vesolje.
Konec zadnjega desetletja se je to prepričanje spremenilo. Zelo resna znanstvenika, na primer Alex Vilenkin in Andrey Linde, sta začela aktivno in prepričljivo zagovarjati antropično načelo. V nekem trenutku se je v zavesti skupnosti zgodila prelomnica, nekaj podobnega faznemu prehodu. Številni teoretiki so v antropičnem principu videli edini izhod iz težav, povezanih s problemom naravnosti. Seveda so imeli tudi nasprotnike in naša skupnost je bila glede tega vprašanja razdeljena. Res je, Linde je kljub temu priznal, da niso vsi parametri standardnega modela naravne interpretacije v kontekstu antropičnega načela. Sergey je to že opazil v zvezi s parametrom θ.
Andrey Linde (levo) in Alexander Vilenkin. Fotografija s spletnega mesta vielewelten.de
V zadnjih letih se je kolektivno mnenje spet spremenilo. Zdaj vidimo, da skoraj neskončen nabor vesolj z različnimi fizikalnimi zakoni sploh ne more obstajati. Razlog je preprost: taka vesolja ne morejo biti stabilna. Vsi eksotični de Sitterjevi svetovi bi se morali spremeniti v prazen vesoljsko-časovni kontinuum z ravno geometrijo Minkowskega. Samo s to geometrijo je vakuum edini stabilen. Dokaže se lahko, da mora biti gostota energije vakuuma zanemarljiva v primerjavi s Planckovo lestvico. Prav to se dogaja v našem vesolju. Naš svet še ni dosegel sveta Minkowskega, zato vakuumska energija ni nič. Spreminja se in te spremembe je načeloma mogoče zaznati eksperimentalno in z astrofizičnimi opazovanji. Torej ni nič nenaravnega v majhnosti vakuumske energije,njegova opazovana vrednost pa je v skladu s teoretičnimi pričakovanji.
Druge zelo natančne napovedi so narejene na podlagi novega pristopa. Iz tega torej sledi, da mora zagotovo obstajati aksion. Ta zaključek je povezan tudi s problemom naravnosti. Naj vas spomnim, da so nekoč teoretiki izumili ta delec, da bi razložili nenaravno majhno vrednost parametra θ. Zdaj pravimo, da resničnost aksiona narekuje zahteva po samokonsistentnosti naših enačb. Z drugimi besedami, če aksion ne obstaja, teorija ni samoskladna. To je povsem drugačna logika teoretičnega predvidevanja. Tako lahko v zaključku ponovim, kar sem že rekel: načelo naravnosti je nadomestilo veliko močnejše načelo samostojnosti, obseg njegove uporabnosti pa se nenehno širi in njegove meje še niso znane. Možno je, da bo na njegovi podlagi mogoče razložiti hierarhijo mas osnovnih delcev,predstavlja tako težaven problem za načelo naravnosti. Ali je temu tako, ne vemo. Na splošno moraš delati.
Tukaj sta mnenji dveh briljantnih teoretičnih fizikov, ki sta po lastnem priznanju veliko razmišljala o problemu naravnosti teoretičnih modelov temeljne fizike. Na nek način so si podobni, na nek način drugačni. Vendar Sergej Troitsky in Gia Dvali ne izključujeta, da je zdaj načelo naravnosti, če že ne popolnoma zastarelo, v vsakem primeru izgubilo svojo nekdanjo verodostojnost. Če je tako, potem temeljna fizika resnično vstopa v obdobje postnaturalizma. Poglejmo, kam to vodi.
Da bi lahko zaključil razpravo, sem prosil enega od ustanoviteljev teorije strun, Edwarda Wittena, profesorja na Princetonskem inštitutu za temeljne raziskave, da čim krajše spregovori o problemu naravnosti v temeljni fiziki. Tukaj je napisal:
Edward Witten, profesor na Princetonskem inštitutu za temeljne raziskave, soustanovitelj teorije strun. Fotografija s spletnega mesta wikipedia.org
»Če fizik ali kozmolog ugotovi, da ima neka opazna vrednost skrajno vrednost, išče razumno razlago. Masa elektrona je na primer 1800-krat manjša od mase protona. Tako resna razlika zagotovo pritegne pozornost in zahteva razlago.
V tem primeru je razumna - ali, z drugimi besedami, naravna - razlaga, da ko je masa elektronov nična, postanejo enačbe standardnega modela bolj simetrične. Na splošno natančno ali približno simetrijo potem štejemo za naravno, če pa obstaja razlog za upanje, da če danes ne vemo, zakaj obstaja v naravi, potem pričakujemo, da bomo našli razlago na globlji ravni razumevanja fizične resničnosti. Po tej logiki majhna masa elektrona načelu naravnosti ne ustvarja neprijetnih težav.
Zdaj pa pojdimo na kozmologijo. Vemo, da je velikost vesolja približno 1030-krat večja od valovne dolžine tipičnega fotona sevanja v mikrovalovnem ozadju. To razmerje se ne spreminja z razvojem vesolja in ga zato ni mogoče preprosto pripisati njegovi starosti. Potrebuje drugačno razlago, ki jo lahko dobimo na podlagi inflacijskih kozmoloških modelov.
Poglejmo primer drugačne vrste. Znano je, da je vrednost temne energije vsaj 1060-krat manjša od teoretično izračunane vrednosti, ki temelji na poznavanju drugih temeljnih konstant. Seveda tudi to dejstvo zahteva razlago. Vendar zanjo še vedno ni razumne razlage - razen tiste, ki izhaja iz hipoteze multiverzuma in antropičnega principa. Sem med tistimi, ki bi raje imeli drugačno razlago, vendar je še niso našli. Tako zdaj stvari stojijo."
Za zaključek si ne morem zanikati užitka, ko navajam nedavni članek profesorja Wittena (2018. Simetrija in pojav), ki bo po mojem mnenju odličen zaključek razprave o naravnosti teorij temeljne fizike:
»Na splošno merilna simetrija ni nič drugega kot lastnost opisa fizičnega sistema. Pomen merilnih simetrij v sodobni fiziki je, da fizikalne procese urejajo izredno subtilni (subtilni) zakoni, ki so že po naravi "geometrični". Zelo težko je natančno opredeliti ta koncept, vendar v praksi to pomeni, da se naravni zakoni upirajo vsakršnim nespornim poskusom, da bi zanje našli izrecni izraz. Težave pri izražanju teh zakonov v naravni in nepotrebni obliki so razlog za uvedbo merilne simetrije."
Arkadij in Boris Strugatski.
Torej tri osebe - tri mnenja. Za zaključek - citat iz zgodbe bratov Strugatsky "Grdi labodi" (1967):
"Naravna je vedno primitivna," je med drugim nadaljeval Bol-Kunats, "in človek je zapleteno bitje, naravnost mu ne ustreza."
Ali ustreza teorijam temeljne fizike? To je vprašanje.
Alexey Levin, doktor filozofije