Специалистите в областта на фундаменталната физика (а сега тя по дефиниция е теория на елементарните частици, релативистка астрофизика и космология) често сравняват състоянието на своята наука със ситуацията в края на 19 век. Физиката от онези дни, която се основава на Нютонова механика, Максвелова теория на електромагнитното поле, термодинамика и статистическа механика на Болцман-Гибс, успешно обяснява почти всички експериментални резултати. Вярно е, че имаше и недоразумения - нулевият резултат от експеримента на Майкълсън-Морли, липсата на теоретично обяснение на спектрите на излъчване на черното тяло, нестабилността на материята, проявяваща се във феномена на радиоактивността. Те обаче бяха малко и те не унищожиха надеждата за гарантиран триумф на формираните научни идеи - понеот гледна точка на абсолютното мнозинство от реномирани учени. Почти никой не очаква радикално ограничение на приложимостта на класическата парадигма и появата на принципно нова физика. И все пак тя се роди - и то само за три десетилетия. Заради справедливостта си струва да се отбележи, че оттогава класическата физика е разширила своите възможности толкова много, че нейните постижения биха изглеждали чужди на такива титани от отминалите времена като Фарадей, Клавзий, Хелмхолц, Релей, Келвин и Лоренц. Но това е съвсем друга история.че нейните постижения биха изглеждали чужди за такива титани от древни времена като Фарадей, Клаузий, Хелмхолц, Рейли, Келвин и Лоренц. Но това е съвсем друга история.че нейните постижения биха изглеждали чужди на титаните от древността като Фарадей, Клаузий, Хелмхолц, Рейли, Келвин и Лоренц. Но това е съвсем друга история.
Подробното обсъждане на трудностите на съвременната фундаментална физика ще отнеме твърде много място и е извън намерението ми. Затова ще се огранича до няколко добре познати слабости на най-успешната и универсална теория на микросвета - Стандартния модел на елементарните частици. Той описва две от трите фундаментални взаимодействия - силно и електрослабо, но не влияе на гравитацията. Тази наистина велика теория даде възможност да се разберат много явления, използвайки принципа на инвариантността на габарита. Тя обаче не обясни наличието на маса в неутрино и не разкри динамиката на спонтанно нарушаване на симетрията на електрослабото взаимодействие, което е отговорно за появата на маса поради механизма на Хигс. Не позволява да се предскаже природата и свойствата на частиците, които могат да се считат за кандидати за ролята на носители на тъмна материя. Нито пък Стандартният модел е успял да установи еднозначни връзки с инфлационните теории, които са в основата на съвременната космология. И накрая, тя не изясни пътя към изграждането на квантовата теория на гравитацията, въпреки наистина титаничните усилия на теоретиците.
Не предполагам, че цитираните примери (а има и други) позволяват да се прецени прехода на фундаменталната физика в нестабилно състояние, изпълнено с нова научна революция. По този въпрос има различни мнения. Интересува ме въпрос, който не е толкова глобален, но не по-малко интересен. Много съвременни публикации поставят под въпрос приложимостта на критерия за естественост на теоретичните концепции, който отдавна се счита за надежден и ефективен ръководен принцип при изграждането на модели на микрокосмоса (вж. Например GF Giuduce, 2017. Зората на епохата след естествеността). Така ли е, каква е естествеността на физическата теория и какво може да я замести? Като начало говорих за това със Сергей Троицки, главен изследовател в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките.
Сергей Вадимович Троицки, член-кореспондент на Руската академия на науките, водещ изследовател в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките. Снимка от prof-ras.ru
Сергей, първо, нека се съгласим за основното. Как оценявате сегашното състояние на фундаменталната физика? Според добре известната терминология на Томас Кун, нормална ли е науката, науката в предкризисна фаза или просто в криза?
СТ: Вие смятате космологията за основна физика. Това е съвсем разумно, но аз не съм експерт в това и следователно ще се въздържа от оценки. Но ако говорим за физиката на високите енергии и Стандартния модел на елементарните частици като нейна теоретична основа, то в тази област всъщност всичко е много трудно. В продължение на много години големият адронен колайдер (LHC) работи в CERN и дава резултати. Благодарение на него ситуацията във физиката на елементарните частици стана, от една страна, много скучна, а от друга - изключително интересна. Често си спомням, че малко преди изстрелването на LHC, един много уважаван теоретичен физик прогнозира, че сега в нашата наука ще се отвори широк път на колона, който бързо ще доведе до големи открития. Той вярваше, че буквално в първите часове от експлоатацията на колайдера или най-късно в рамките на една година ще бъдат идентифицирани партньори на вече известни частици,отдавна предсказано от теорията на суперсиметрията. Те бяха разглеждани предварително като дългоочаквани частици от тъмна материя, които могат да бъдат изучавани в продължение на много години. Такава е голямата перспектива за нашата наука.
И какво се случи на практика? Нямаше супер партньори и няма, а шансовете за отварянето им в бъдеще значително намаляха. Преди шест години бозонът на Хигс беше хванат в LHC и той се превърна в световна сензация. Но как можете да го оцените? Бих казал, че това в известен смисъл е най-ужасното постижение на LHC, защото Хигс беше предсказан отдавна. Всичко би било много по-интересно, ако не беше възможно да го отворите. И сега се оказва, че нямаме нищо друго освен Стандартния модел, дори и да е добре потвърден в експериментите. Чудеса не са се случвали, не са правени открития, които попадат извън обхвата на Стандартния модел. В този смисъл ситуацията наистина е предикризисна, тъй като със сигурност знаем, че Стандартният модел не е пълен. Вече отбелязахте това във въведението към нашия разговор.
Когато два протона се сблъскат (не е показано на фигурата), се образуват два кварка (Quark), които при сливане образуват W-бозон (слаб векторен бозон) - частица, която носи слабо взаимодействие. W бозонът излъчва хигс бозона, който се разпада на два b кварка (дънен кварк). Изображение от статията: Б. Тучминг, 2018. Дълго търсено разпадане на видяния бозон на Хигс.
Промоционално видео:
Тогава да отидем по-нататък. Колко важен е принципът на естествеността в теорията на частиците и какъв е той? Не е просто уважение към здравия разум, нали?
СТ: Виждам го като вид естетически критерий, но тук са необходими обяснения. Стандартният модел има три компонента. Първо, това е списъкът на частиците, които той съдържа. Всички те вече са открити, бозонът на Хигс е последният. Второ, има група взаимодействия, които тя описва. Но има и трета част - набор от безплатни параметри. Това са деветнадесет числа, които могат да бъдат определени само експериментално, тъй като не се изчисляват в рамките на самия модел (вж. S. V. Troitsky, 2012. Нерешени проблеми на физиката на елементарните частици).
И тук възникват трудностите. На първо място, има твърде много от тези параметри. Деветнадесет е някакво странно число, което изглежда не следва от никъде. Нещо повече, техните значения са твърде различни и следователно трудни за обяснение. Да кажем, че броят на свободните параметри включва масите на лептоните - електрон, мюон и тау частица. Мюонът е около двеста пъти по-тежък от електрон, а тау е почти двадесет пъти по-масивен от мюон. Същото е и с кварките - техните маси се различават по порядък, а всичко останало е същото.
Масите на всички частици от Стандартния модел са разпръснати в много широк диапазон. В Стандартния модел тази масова йерархия не е обяснена задоволително. Изображение от раздела Трудности на Стандартния модел на проекта на Големия адронен колайдер на Игор Иванов.
Друг пример е стойността на безразмерния параметър, който характеризира нарушението на CP инвариантността при силни взаимодействия. Точната му стойност е неизвестна, но експериментите показват, че във всеки случай е по-малко от 10-9. Отново това е странно. Като цяло безплатните параметри на стандартния модел се различават значително по размер и изглеждат почти случайни.
Един от методите за експериментална регистрация на аксиони. Фигурата в синьо показва приблизителния поток от аксиони, излъчвани от Слънцето, които след това се преобразуват в магнитното поле на Земята (червено) в рентгенови лъчи (оранжево). Тези лъчи могат да бъдат открити от космическия рентгенов телескоп XMM-Newton. Все още е неизвестно къде да се търсят аксиони: те могат да бъдат частици от тъмна материя или да се проявят в еволюцията на звездите.
И така, има твърде много свободни параметри на стандартния модел, техните стойности изглеждат немотивирани и прекомерно разпръснати. Но какво общо има естествеността с него?
S. T.: И ние просто се приближихме до нея. Във физиката на елементарните частици принципът на естественост на теоретичните модели има много специфично значение. Изисква се всички безразмерни свободни параметри или да са равни на нула, или редът на величината да не е твърде различен от един - да речем, в диапазона от една хилядна до хиляда. Параметрите на стандартния модел очевидно не отговарят на този критерий. Но има и допълнително условие, което е формулирано през 1980 г. от забележителния холандски физик-теоретик Джерард 'т Хофт, един от създателите на Стандартния модел. Той постулира, че много малка стойност на всеки свободен параметър може да бъде естествено обяснена само ако стриктното му нулиране води до появата на допълнителна симетрия, на която се подчиняват уравненията на теорията. Според 't Hooft,"Близостта" на такава симетрия служи като вид щит, предпазващ оскъдността на този параметър от големи корекции, дължащи се на квантови процеси, включващи виртуални частици. Когато бях студент и аспирант, цялата ни наука буквално цъфна с този постулат. Но това все още е отслабване на принципа на естественост, който обсъждаме.
Gerard 't Hooft, холандски физик-теоретик, един от основателите на Стандартния модел. Снимка от сайта sureshemre.wordpress.com
Какво се случва, ако надхвърлите стандартния модел?
СТ: Тук също възниква проблемът с естествеността, макар и от различен вид. Най-важният параметър на размера на стандартния модел е вакуумната средна стойност на полето на Хигс. Той определя енергийната скала на електрослабото взаимодействие и масите на частиците зависят от него. Извън стандартния модел има само един също толкова основен параметър от същото измерение. Това, разбира се, е масата на Планк, която определя енергийната скала за квантовите ефекти, свързани с гравитацията. Полето на Хигс е около 250 GeV, което е два пъти повече от масата на Хигс бозона. Масата на Планк е приблизително 1019 GeV. Така че съотношението им е или много малко число, или гигантско число, в зависимост от това какво да се постави в числителя и какво в знаменателя. Всъщност се обсъждат други интересни скали извън Стандартния модел,но те са и неизмеримо по-големи от полето на Хигс. Така че и тук имаме работа с очевидна странност, с други думи, липса на естественост.
И така, може би е по-добре да разгледаме принципа като естествена реликва на науката от ХХ век и да го изоставим изобщо? Не напразно някои учени говорят за настъпването на пост-естествената ера
СТ: Е, дори пълният отказ няма да реши всичките ни проблеми. Както казах, принципът на естествеността е нещо от областта на естетиката. Но има и експериментални проблеми, които няма да отидат никъде. Да кажем, че сега е известно със сигурност, че неутриното има маса, докато симетриите на стандартния модел изискват тя да бъде строго нулева. Същото е и с тъмната материя - в Стандартния модел не е, но в живота явно е така. Възможно е, ако експерименталните трудности могат да бъдат решени разумно, тогава няма да се наложи да се изоставя нищо. Но, повтарям, целият този проблемен комплекс е съвсем реален и показва кризисния характер на настоящата ситуация във фундаменталната физика. Възможно е изходът от тази криза да бъде научна революция и промяна в съществуващата парадигма.
Сергей, какво означава за вас лично принципа на естественост? Може би дори емоционално?
ST: За мен това е в известен смисъл принципът на изчислимостта. Можем ли не просто да вземем от експеримента, но да изчислим всички тези 19 параметъра? Или поне да ги намалите до единствения наистина безплатен параметър? Това би било добре за мен. Но засега тази възможност не се вижда. Между другото, по едно време мнозина се надяваха, че основните трудности на стандартния модел могат да бъдат подредени въз основа на концепцията за суперсиметрия. Въпреки това, дори минималните суперсиметрични обобщения на Стандартния модел съдържат до 105 свободни параметри. Това вече е наистина лошо.
Но за такова изчисление трябва да разчитате на нещо. Както се казва, не предполагате нищо - няма да получите нищо
S. T.: Това е само смисълът. В идеалния случай бих искал да имам изчерпателна единна теория, която поне по принцип ще позволи да се извършат всички необходими изчисления. Но къде да го вземем? В продължение на много години теорията на струните се предлага като кандидат за такава универсална основа. Създаден е почти 50 години, доста уважавана възраст. Може би това е чудесна теоретична конструкция, но все още не се е състояла като единна теория. Разбира се, на никого не е забранено да се надява, че това ще се случи. В историята на физиката обаче рядко се случваше теория да се развиваше половин век върху обещания за бъдещи успехи и след това изведнъж и всъщност да обясняваше всичко. И без това се съмнявам.
Вярно е, че тук има известна тънкост от теорията на струните, която предполага съществуването на около 10500 вакуума с различни физически закони. Образно казано, всеки вакуум трябва да има свой собствен стандартен модел със собствен набор от свободни параметри. Многобройни привърженици на антропния принцип твърдят, че нашият собствен набор не изисква обяснение, тъй като в светове с различна физика не може да има живот и следователно наука. От гледна точка на чистата логика подобна интерпретация е приемлива, с изключение на това, че оскъдността на параметъра θ не може да се извлече от антропния принцип. Този параметър можеше да бъде повече - от това шансовете за появата на интелигентен живот на нашата планета по никакъв начин не биха намалели. Но антропният принцип само обявява възможното съществуване на почти безкраен набор от светове и всъщност се ограничава до това. Не може да бъде опровергано - или, ако използваме терминологията, фалшифицирано. Това вече не е наука, поне според мен. Струва ми се неправилно да се откаже от принципа на фалшифициране на научното познание в името на теория, която всъщност не може да обясни нищо.
Не мога да не се съглася. Но да отидем по-нататък. Как можете да излезете от кризата - или, ако искате, от предкризисата на фундаменталната физика? Кой има топката сега - теоретиците или експериментаторите?
S. T.: Логично топката трябва да е на страната на теоретиците. Съществуват надеждни експериментални данни за масата на неутрино и има наблюдения на астрономите, потвърждаващи съществуването на тъмна материя. Изглежда, че задачата е очевидна - да се издигнат основите на нов теоретичен подход и да се изградят специфични модели, които позволяват експериментална проверка. Но досега подобни опити не доведоха до нищо.
Отново не е ясно какво да очакваме от Големия адронен колайдер след планираната му модернизация. Разбира се, много данни ще бъдат получени на тази машина и дори сега далеч от цялата информация, събрана от нейните детектори, е обработена. Например, има доказателства, че електроните и мюоните не са напълно идентични във взаимодействието си. Това би било много сериозно откритие, вероятно обясняващо разликата в масите им. Но тези доказателства са все още слаби, можете да им се доверите или да не им вярвате. Този въпрос най-вероятно ще бъде разрешен в следващите експерименти в LHC. Струва си обаче да припомним, че екипите от експериментални физици, които работят по него, неведнъж са съобщавали за намеци за големи открития извън Стандартния модел и по-късно тези съобщения бяха опровергани.
Какво остава? Човек може да се надява на супер ускорители, които ще бъдат изградени някой ден, но при тях все още не е ясно - поне за 10-20-годишна перспектива. Така че топката наистина е на страната на астрофизиците. От тази наука може да се очаква истински радикален пробив.
Защо?
ST: Въпросът е, че не е възможно да се намерят нови частици, участващи в силни взаимодействия. Това означава, че трябва да търсим слабо взаимодействащи частици, които не са в стандартния модел. Ако те взаимодействат слабо, тогава те рядко си взаимодействат и проявите на такива взаимодействия трябва да чакат дълго време. Не можем да чакаме дълго в експерименти с ускорител. Но Вселената чака почти 14 милиарда години и последиците от дори много редки взаимодействия могат да се натрупват през цялото това време. Възможно е такива ефекти да бъдат открити от астрофизиците. И примери за това вече съществуват - в края на краищата присъствието на неутринни трептения, демонстриращи ненулевата маса на тази частица, беше открито при изследването на слънчевите неутрино. Тези надежди са още по-оправдани,че наблюдателната база на астрономията и астрофизиката непрекъснато се разширява благодарение на новите наземни и космически телескопи и друго оборудване. Например, година след първата директна регистрация на гравитационните вълни, беше доказано, че те се разпространяват със същата скорост като електромагнитното излъчване. Това е много важен резултат, който говори много за теоретиците.
Лекция на Сергей Троицки „Вселената като лаборатория по физика на частиците“, изнесена на 8 октомври 2017 г. в Московския държавен университет. М. В. Ломоносов на фестивала на науката:
Сергей, след като споменахте космоса, нека си спомним Йоханес Кеплер. През 1596 г. той забелязва, че средните радиуси на планетарните орбити от Меркурий до Сатурн, изчислени от Коперник, са 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Разстоянието между Марс и Юпитер изглеждаше на Кеплер твърде голямо и следователно неестествено. Той предположи, че има все още неизвестна планета и в крайна сметка беше прав. В навечерието на Нова година 1801 г. Джузепе Пиаци откри Церера в тази зона, която сега е призната за планета джудже. Разбира се, сега знаем, че има не една планета, а цял пояс астероиди. Кеплер нямаше представа за него, но мисля, че едва ли би бил изненадан. Като цяло въз основа на критерия за естественост беше направено много конкретно предсказание, което в началото беше оправдано буквално, а по-късно, ако искате, с интерес. Възможно ли е нещо подобно във фундаменталната физика днес?
S. T.: Това не е изключено. Ако приложим критерия за естественост, за да обясним йерархията на фермионните маси, тогава почти сигурно ще се появи някаква нова симетрия. Като цяло към днешна дата за тази роля са предложени различни кандидати, но всички те някак не ни удовлетворяват. Ако може да се намери такава симетрия, това може да ни доведе до все още неизвестни частици. Вярно е, че да ги прогнозираме директно, като тези на Кеплер, няма да работи, но ще научим нещо полезно. Възможно е обаче и в този случай полезните инструкции да бъдат доста неясни, с колосален набор от опции. Например, аксионът се предсказва само въз основа на новата симетрия, предложена от Печеи и Куин. Този механизъм обаче позволява много голяма свобода при избора на параметри и следователно нямаме указания къде да търсим аксиона. Това може да е частица от тъмна материяили може да се прояви в еволюцията на звездите или другаде - ние просто не знаем.
Е, времето ще покаже. И много благодаря за разговора
Говорих и с Гиа Двали, професор по физика в университетите в Ню Йорк и Мюнхен и съдиректор на Института по физика „Макс Планк“(между другото, този известен научен център е създаден през 1914 г. като Физически институт на Кайзер Вилхелм, а първият му директор е Алберт Айнщайн). Естествено, говорихме на една и съща тема.
Георги Двали, професор по физика в Центъра по космология и физика на частиците в Нюйоркския университет и Университета Лудвиг-Максимилиан в Мюнхен, директор на Института по физика „Макс Планк“в Мюнхен Снимка от сайта astronet.ge
Guia, как тълкуваш проблема с естествеността на стандартния модел?
GD: Като цяло мога да повторя казаното от Сергей. Уравненията на стандартния модел включват набор от свободни параметри, които той не може да предвиди. Числовите стойности на тези параметри се различават значително една от друга, дори ако говорим за привидно подобни обекти. Вземете, да речем, неутрино, електрон и t кварк. Всички те са фермиони, но масата на неутрино, най-вероятно, не надвишава част от електроволта, масата на електрона е приблизително равна на петстотин хиляди електронволта, а масата на t-кварка е 175 GeV - 175 милиарда електронволта. Такива различия наистина могат да изглеждат някак неестествени.
Но това е само външната страна. За да разберете по-добре всичко, е необходимо да вземете предвид ултравиолетовата чувствителност на тези параметри. Говорим за тяхната зависимост от увеличаване на мащаба на енергиите - или, което е същото, от намаляване на пространствения мащаб. Да кажем, че първо измерваме масата на електрон в лаборатория и след това разглеждаме какво се случва с него на разстояния от Планк. При този подход параметрите се разделят на няколко групи. Максималната ултравиолетова чувствителност се демонстрира от енергийната плътност на физическия вакуум. В района на Планк това е пропорционално на четвъртата степен на изменение на мащаба. Ако масата на Планк се удвои, тогава стойността на вакуумната енергия ще се увеличи 16 пъти. За масата на хигс бозона тази зависимост не е толкова голяма: не четвъртата, а само втората. Фермионните маси се променят много слабо - само според логаритмичния закон. И накрая, параметърът θ практически не забелязва промени в скалата на Планк. Въпреки че чувствителността му не е нула, тя е толкова малка, че може да се пренебрегне.
Какво означава това разпространение в степента на чувствителност на свободните параметри на стандартния модел? Тук са възможни различни опции. Например, може да се предположи, че масата на хигс бозона изобщо не заслужава статута на фундаментална величина. Това предположение автоматично се разпростира върху маси от частици, които зависят от масата на Хигс. Тогава разпределението в техните стойности няма да изглежда по-странно, отколкото например разликата в размерите на молекулите и галактиките. Нито едното, нито другото по никакъв начин се правят на основополагащи и затова няма смисъл да се оценява размерът им по отношение на естествеността.
Ако тази аналогия изглежда твърде пресилена, ето още един пример. Познаваме добре характерната енергия на силното взаимодействие, порядъкът й е 1 GeV. И също така знаем, че мащабът на силните взаимодействия не е основен, така че неговата малка стойност спрямо масата на Планк не изненадва никого. Като цяло, ако приемем, че по отношение на естествеността или неестествеността е разумно да се сравняват изключително основни величини, тогава за параметрите на Стандартния модел този проблем всъщност ще изчезне.
Интересното е, че същата логика работи и за поддръжниците на антропния принцип. Те вярват, че има голямо разнообразие от вакууми с различни физически закони, което обикновено се нарича мултивселена. Собствената ни вселена се появи от един от тези вакууми. Ако вземем тази гледна точка, тогава като цяло няма проблем за естествеността на параметрите на Стандартния модел. Но този подход не ми харесва, въпреки че признавам, че той има свои поддръжници.
И така, отхвърлянето на предположението, че параметрите на Стандартния модел са основни, премахва проблема с естествеността. Това ли е краят на дискусията или можем да отидем по-нататък?
GD: Разбира се, възможно е и е необходимо. Според мен е много по-важно и по-интересно да се говори не за естествеността на модела, а за неговата самосъвместимост. Например, всички ние работим в рамките на квантовата теория на полето. Между другото, това се отнася не само за стандартния модел, но и за теорията на струните. Всички физически значими реализации на тази теория трябва да се основават на специалната теория на относителността, така че техните уравнения трябва да изглеждат еднакво във всички инерционни референтни рамки. Това свойство се нарича релативистка инвариантност на теорията или Лоренцова инвариантност. Съществува теорема, според която всички Лоренц-инвариантни квантови теории на полето трябва да бъдат CPT-инвариантни. Това означава, че техните основни уравнения не трябва да се променят с едновременното заместване на частиците с античастици, обръщане на пространствени координати и обръщане на времето. Ако тази инвариантност бъде нарушена, теорията няма да бъде самопоследователна и никакво естество няма да помогне за нейното изграждане. С други думи, самосъгласуваната квантова теория на полето трябва да бъде CPT-инвариантна. Следователно, когато се обсъжда естествеността, трябва да се внимава да не се бърка със самосъгласуваност. Тази стратегия отваря много интересни възможности, но обсъждането им ще ни отведе твърде далеч.
Вилхелм де Ситър, холандският астроном, създал един от първите релативистични космологични модели (моделът на де Ситър). Източник: Фотографски архив Чикагски университет
Гия, възможно ли е поне един пример?
GD: - Разбира се. Както знаете, пространството на нашата Вселена се разширява с нарастваща скорост - както казват космолозите, ние живеем в света на де Ситър. Това ускорение обикновено се дължи на наличието на положителна вакуумна енергия, наричана още тъмна енергия. Измерената му плътност е изключително ниска, приблизително 10-29 g / cm3. Ако приемем, че гравитацията може да бъде описана в рамките на квантовата теория на полето, тогава е естествено да се очаква, че стойността на вакуумната енергия е с десетки порядъци по-голяма от тази стойност. Тъй като това не е така, критерият за естественост очевидно не работи. Сега обаче имаме все повече основания да мислим, че малката стойност на енергията на вакуума може да бъде оправдана въз основа на критерия за самосъгласуваност.
Но това още не е приключило. В рамките на новия подход заключението подсказва, че енергията на вакуума се променя с времето. Ако не въведете допълнителни предположения, тогава времевият мащаб на такива промени е невъобразимо голям - 10132 години. Ако обаче свържем тези промени с наличието на определено скаларно поле, тогава този мащаб ще бъде сравним с времето на Хъбъл, което е малко повече от десет милиарда години. От изчисленията следва, че може да надвиши времето на Хъбъл само с няколко пъти, а не с много порядъци. Честно казано, не съм напълно впечатлен от това заключение, но е съвсем логично. Има и други варианти, но те са напълно екзотични.
Да обобщим. Като цяло как виждате проблема с естествеността на моделите на фундаменталната физика и какви решения смятате за оптимални?
GD: Алексей, нека започна с историческа перспектива, няма да навреди. През последните десетилетия възгледите на нашата общност, на общността на тези, които се занимават с фундаментална физика, силно се колебаеха. През 90-те години, въпреки че се обсъждаше антропният принцип, като цяло никой не се интересуваше особено. Тогава преобладаваше мнението, че основите на структурата на Вселената вече са известни в лицето на теорията на струните. Надявахме се, че именно тя ще даде единственото правилно решение, описващо нашата Вселена.
В края на последното десетилетие това вярване се промени. Много сериозни учени, например Алекс Виленкин и Андрей Линде, започнаха активно и убедително да защитават антропния принцип. По някое време настъпи повратна точка в съзнанието на общността, нещо като фазов преход. Много теоретици виждаха в антропния принцип единствения изход от трудностите, свързани с проблема за естествеността. Разбира се, те също имаха противници и нашата общност беше разделена по този въпрос. Вярно е, че Линде все пак призна, че не всички параметри на Стандартния модел намират естествена интерпретация в контекста на антропния принцип. Сергей вече е отбелязал това обстоятелство във връзка с параметъра θ.
Андрей Линде (вляво) и Александър Виленкин. Снимка от сайта vielewelten.de
През последните години колективното мнение отново се промени. Сега виждаме, че почти безкраен набор от вселени с различни физически закони изобщо не може да съществува. Причината е проста: такива вселени не могат да бъдат стабилни. Всички екзотични светове на де Ситър трябва да се превърнат в празни пространствено-времеви континууми с плоска геометрия на Минковски. Вакуумът е единственият стабилен само с тази геометрия. Може да се покаже, че енергийната плътност на вакуума трябва да бъде незначителна в сравнение със скалата на Планк. Точно това се случва в нашата Вселена. Нашият свят все още не е достигнал света на Минковски, така че вакуумната енергия е ненулева. Тя се променя и по принцип тези промени могат да бъдат открити експериментално и с астрофизични наблюдения. Така че няма нищо неестествено в малкия размер на вакуумната енергия,и наблюдаваната му стойност е в съответствие с теоретичните очаквания.
Въз основа на новия подход се правят и други много специфични прогнози. И така, от него следва, че със сигурност трябва да има аксион. Това заключение е свързано и с проблема за естествеността. Позволете ми да ви напомня, че теоретиците някога са изобретили тази частица, за да обяснят неестествено малката стойност на параметъра θ. Сега казваме, че реалността на аксиона е продиктувана от изискването за самосъгласуваност на нашите уравнения. С други думи, ако аксионът не съществува, теорията не е самосъгласувана. Това е съвсем различна логика на теоретичното предсказване. В заключение мога да повторя това, което вече казах: принципът на естествеността е заменен с много по-силен принцип на самосъгласуваност и областта на неговата приложимост непрекъснато се разширява и границите му все още не са известни. Възможно е на негова основа да бъде възможно да се обясни йерархията на маси от елементарни частици,представляващ толкова труден проблем за принципа на естествеността. Дали това е така, не знаем. Като цяло трябва да се работи.
И така, тук са мненията на двама блестящи теоретични физици, които по собствено признание са разсъждавали много за проблема за естествеността на теоретичните модели на фундаменталната физика. В някои отношения те са сходни, в някои отношения различни. Сергей Троицки и Гия Двали обаче не изключват, че сега принципът на естественост, ако не е напълно остарял, то във всеки случай е загубил предишното си доверие. Ако е така, тогава фундаменталната физика наистина навлиза в ерата на постнатурализма. Нека да видим къде води това.
За да завърша достойно дискусията, помолих един от основателите на теорията на струните, Едуард Витен, професор в Принстънския институт за фундаментални изследвания, да говори възможно най-кратко за проблема с естествеността във фундаменталната физика. Ето какво написа той:
Едуард Витен, професор в Принстънския институт за фундаментални изследвания, съосновател на теорията на струните. Снимка от сайта wikipedia.org
„Ако физик или космолог стигне до заключението, че някаква наблюдаема стойност има изключителна стойност, той търси разумна интерпретация. Например масата на електрона е 1800 пъти по-малка от тази на протон. Такова сериозно разграничение със сигурност привлича вниманието и се нуждае от обяснение.
В този случай разумно - или, с други думи, естествено - обяснение е, че когато масата на електроните се занули, уравненията на стандартния модел стават по-симетрични. Като цяло тогава ние считаме точната или приблизителната симетрия за естествена, когато има основание да се надяваме, че ако днес не знаем защо тя съществува в природата, тогава очакваме да намерим обяснение на по-дълбоко ниво на разбиране на физическата реалност. Според тази логика малката маса на електрона не създава неприятни проблеми за принципа на естествеността.
Сега да преминем към космологията. Знаем, че размерът на Вселената е около 1030 пъти дължината на вълната на типичен фотон на микровълново фоново излъчване. Тази връзка не се променя с развитието на Вселената и следователно не може просто да се припише на нейната възраст. Тя се нуждае от различно обяснение, което може да бъде получено въз основа на инфлационни космологични модели.
Помислете за пример от различен вид. Известно е, че стойността на тъмната енергия е поне 1060 пъти по-малка от теоретично изчислената стойност, базирана на познанието на други основни константи. Разбира се, този факт също изисква обяснение. Все още обаче няма разумно тълкуване за него - освен, може би, това, което следва от хипотезата за мултивселената и антропния принцип. Аз съм сред онези, които биха предпочели обяснение от различен вид, но все още не е намерено. Така стоят нещата сега."
В заключение не мога да си отрека удоволствието да цитирам скорошна статия на професор Витен (Е. Витен, 2018 г. Симетрия и поява), която според мен ще бъде отличен завършек на дискусията за естествеността на теориите на фундаменталната физика:
„Най-общо казано, симетрията на габарита не е нищо повече от свойство да описва физическа система. Смисълът на габаритните симетрии в съвременната физика е, че физическите процеси се управляват от изключително фини (фини) закони, които по своята същност са "геометрични". Много е трудно да се даде строга дефиниция на това понятие, но на практика това означава, че законите на Природата се противопоставят на всякакви безспорни опити да се намери изричен израз за тях. Трудността да се изразят тези закони в естествена и не-излишна форма е причината за въвеждането на габаритна симетрия."
Аркадий и Борис Стругацки.
Така че трима души - три мнения. В заключение - цитат от разказа на братя Стругацки "Грозни лебеди" (1967):
„Естественото винаги е примитивно - продължи между другото Бол-Кунац, - а човекът е сложно същество, естествеността не му отива“.
Съвпада ли с теориите на фундаменталната физика? Това е въпросът.
Алексей Левин, доктор по философия