Pakar dalam bidang fizik asas (dan sekarang, menurut definisi, teori zarah asas, astrofizik relativistik dan kosmologi) sering membandingkan keadaan sains mereka dengan keadaan pada akhir abad ke-19. Fizik pada masa itu, yang berdasarkan mekanik Newtonian, teori Maxwellian bidang elektromagnetik, termodinamik dan mekanik statistik Boltzmann-Gibbs, berjaya menjelaskan hampir semua hasil eksperimen. Benar, terdapat juga salah faham - hasil sifar eksperimen Michelson-Morley, ketiadaan penjelasan teoritis mengenai spektrum radiasi badan hitam, ketidakstabilan jirim, menampakkan dirinya dalam fenomena radioaktif. Walau bagaimanapun, ada sedikit dari mereka, dan mereka tidak memusnahkan harapan untuk kemenangan idea ilmiah yang terbentuk - sekurang-kurangnya,dari sudut pandangan majoriti saintis terkemuka. Hampir tidak ada yang mengharapkan batasan radikal dari penerapan paradigma klasik dan kemunculan fizik yang baru. Namun dia dilahirkan - dan hanya dalam tiga dekad. Demi keadilan, perlu diperhatikan bahawa fizik klasik sejak itu telah mengembangkan kemampuannya sehingga pencapaiannya nampaknya asing bagi titian zaman dulu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tetapi itu adalah kisah yang sama sekali berbeza.bahawa pencapaiannya nampaknya asing bagi para titans zaman dahulu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tetapi itu adalah kisah yang sama sekali berbeza.bahawa pencapaiannya nampaknya asing bagi para titans zaman dahulu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tetapi itu adalah kisah yang sama sekali berbeza.
Perbincangan terperinci mengenai kesukaran fizik asas moden akan mengambil terlalu banyak ruang dan di luar kehendak saya. Oleh itu, saya akan membatasi diri dengan beberapa kelemahan terkenal mengenai teori dunia mikro yang paling berjaya dan sejagat - Model Piawai zarah unsur. Ia menerangkan dua daripada tiga interaksi asas - kuat dan elektroweak, tetapi tidak mempengaruhi graviti. Teori yang benar-benar hebat ini memungkinkan untuk memahami banyak fenomena menggunakan prinsip invariance tolok. Namun, dia tidak menjelaskan kehadiran jisim dalam neutrino dan tidak mendedahkan dinamika pecahan simetri spontan interaksi elektroweak, yang bertanggungjawab untuk penampilan jisim akibat mekanisme Higgs. Itu tidak memungkinkan meramalkan sifat dan sifat zarah yang boleh dianggap sebagai calon peranan pembawa bahan gelap. Model Piawai juga tidak dapat menjalin hubungan yang jelas dengan teori inflasi yang menjadi teras kosmologi moden. Dan, akhirnya, dia tidak memperjelas jalan untuk membangun teori gravitasi kuantum, walaupun usaha teoritis benar-benar titanik.
Saya tidak menganggap bahawa contoh yang dikutip (dan ada yang lain) memungkinkan untuk menilai peralihan fizik asas ke keadaan tidak stabil yang penuh dengan revolusi saintifik baru. Terdapat pendapat yang berbeza mengenai perkara ini. Saya berminat dengan soalan yang tidak begitu global, tetapi tidak kurang menarik. Banyak penerbitan kontemporari mempersoalkan penerapan kriteria keanehan konsep teori, yang telah lama dianggap sebagai prinsip panduan yang boleh dipercayai dan berkesan dalam pembinaan model mikrokosmos (lihat, misalnya, GF Giuduce, 2017. The Dawn of the Post-Naturalness Era). Adakah benar, apakah keistimewaan teori fizikal dan apa yang dapat menggantikannya? Sebagai permulaan, saya bercakap mengenai perkara ini dengan Sergei Troitsky, Ketua Penyelidik di Institut Penyelidikan Nuklear, Akademi Sains Rusia.
Sergey Vadimovich Troitsky, Anggota yang sepadan dengan Akademi Sains Rusia, Penyelidik terkemuka di Institut Penyelidikan Nuklear Akademi Sains Rusia. Foto dari prof-ras.ru
Sergei, pertama, mari kita bersetuju dengan perkara utama. Bagaimana anda menilai keadaan fizik asas semasa? Menurut terminologi terkenal Thomas Kuhn, adakah sains biasa, sains dalam fasa pra-krisis atau hanya dalam krisis?
ST: Anda mengklasifikasikan kosmologi sebagai fizik asas. Ini agak munasabah, tetapi saya bukan pakar di dalamnya, dan oleh itu saya tidak akan membuat penilaian. Tetapi jika kita bercakap mengenai fizik tenaga tinggi dan Model Piawai zarah unsur sebagai asas teorinya, maka dalam bidang ini, sebenarnya, semuanya sangat sukar. Selama bertahun-tahun, Large Hadron Collider (LHC) telah bekerja di CERN dan menghasilkan hasil. Terima kasih kepadanya, keadaan dalam fizik zarah menjadi, di satu pihak, sangat membosankan, dan di sisi lain - sangat menarik. Saya sering ingat bahawa tidak lama sebelum pelancaran LHC, seorang ahli fizik teori yang sangat dihormati meramalkan bahawa sekarang jalan tiang yang luas akan terbuka dalam sains kita, yang dengan cepat akan membawa kepada penemuan besar. Dia percaya bahawa secara harfiah pada jam pertama operasi collider, atau, selambat-lambatnya, dalam setahun, rakan-rakan zarah yang sudah diketahui akan dikenal pasti,lama diramalkan oleh teori supersimetri. Mereka dianggap sebelumnya sebagai zarah gelap yang ditunggu-tunggu yang dapat dikaji selama bertahun-tahun. Itulah prospek yang sangat baik untuk sains kita.
Dan apa yang berlaku dalam praktik? Tidak ada rakan kongsi yang super, dan tidak, dan peluang untuk membukanya di masa depan sangat redup. Enam tahun yang lalu, boson Higgs ditangkap di LHC, dan ia menjadi sensasi di seluruh dunia. Tetapi bagaimana anda boleh menilai? Saya akan mengatakan bahawa ini, dari satu segi, merupakan pencapaian paling mengerikan dari LHC, kerana Higgs telah diramalkan sejak dulu. Semuanya akan menjadi lebih menarik jika tidak dapat membukanya. Dan sekarang ternyata kita tidak mempunyai apa-apa kecuali Model Standard, walaupun ia disahkan dengan baik dalam eksperimen. Keajaiban belum berlaku, penemuan yang berada di luar ruang lingkup Model Piawai belum dibuat. Dalam pengertian ini, keadaannya memang sebelum krisis, kerana kita pasti tahu bahawa Model Piawai tidak lengkap. Anda telah memperhatikan perkara ini dalam pengenalan perbualan kami.
Apabila dua proton bertabrakan (tidak ditunjukkan dalam gambar), dua quark (Quark) terbentuk, yang apabila digabungkan, membentuk W-boson (Weak vektor lemah) - zarah yang membawa interaksi yang lemah. Boson W memancarkan boson Higgs, yang merosot menjadi dua quark b (Quark bawah). Imej dari artikel: B. Tuchming, 2018. Kerosakan lama Hosgs boson yang dilihat.
Video promosi:
Kemudian mari kita pergi lebih jauh. Seberapa penting prinsip kealamian dalam teori zarah, dan apakah itu? Ini bukan penghormatan sederhana untuk akal sehat, bukan?
ST: Saya melihatnya sebagai kriteria estetik, tetapi penjelasan diperlukan di sini. Model standard mempunyai tiga komponen. Pertama, senarai zarah yang terdapat di dalamnya. Kesemuanya telah ditemui, boson Higgs adalah yang terakhir. Kedua, terdapat sekumpulan interaksi yang dijelaskannya. Tetapi ada juga bahagian ketiga - satu set parameter percuma. Ini adalah sembilan belas nombor yang hanya dapat ditentukan secara eksperimen, kerana ia tidak dikira dalam kerangka model itu sendiri (lihat S. V. Troitsky, 2012. Masalah yang Tidak Diselesaikan Fizik Partikel Elemen).
Dan di sinilah timbul kesukaran. Pertama sekali, terdapat terlalu banyak parameter ini. Sembilan belas adalah beberapa nombor aneh yang nampaknya tidak mengikuti dari mana sahaja. Lebih-lebih lagi, maksudnya terlalu berbeza dan oleh itu sukar untuk dijelaskan. Katakan, bilangan parameter bebas merangkumi jisim lepton - zarah elektron, muon dan tau. Muon kira-kira dua ratus kali lebih berat daripada elektron, dan tau hampir dua puluh kali lebih besar daripada muon. Sama dengan quark - jisimnya berbeza mengikut susunan besarnya, dan semua yang lain sama.
Jisim semua zarah Model Piawai tersebar pada jarak yang sangat luas. Dalam Model Piawai, hierarki massa ini tidak dijelaskan dengan memuaskan. Imej dari bahagian Kesukaran dalam Model Standard projek Igor Ivanov dari Large Hadron Collider.
Contoh lain adalah nilai parameter tanpa dimensi, yang mencirikan pelanggaran invarian CP dalam interaksi yang kuat. Nilai tepatnya tidak diketahui, tetapi eksperimen menunjukkan bahawa dalam keadaan apa pun ia kurang dari 10-9. Sekali lagi, ini pelik. Secara amnya, parameter bebas Model Piawai sangat berbeza dan kelihatan hampir rawak.
Salah satu kaedah untuk pendaftaran eksperimen axions. Angka berwarna biru menunjukkan anggaran fluks paksi yang dipancarkan oleh Matahari, yang kemudian ditukarkan di medan magnet Bumi (merah) menjadi sinar-X (oren). Sinar ini dapat dikesan oleh teleskop sinar-X ruang XMM-Newton. Masih belum diketahui di mana mencari paksi: ia boleh menjadi zarah-zarah benda gelap atau menampakkan diri dalam evolusi bintang.
Oleh itu, terdapat terlalu banyak parameter percuma Model Standard, nilainya kelihatan tidak bermotivasi dan tersebar secara berlebihan. Tetapi apa yang berkaitan dengan kealamian?
S. T.: Dan kami hanya menghampirinya. Dalam fizik partikel asas, prinsip keanehan model teori mempunyai makna yang sangat spesifik. Ia memerlukan semua parameter bebas tanpa dimensi sama dengan sifar, atau urutan besarnya tidak terlalu berbeza dari satu - katakanlah, dalam julat dari seperseribu hingga seribu. Parameter Model Piawai jelas tidak memenuhi kriteria ini. Tetapi ada juga syarat tambahan, yang dirumuskan pada tahun 1980 oleh ahli fizik teori Belanda yang luar biasa Gerard 't Hooft, salah satu pencipta Model Piawai. Dia mendalilkan bahawa nilai parameter bebas yang sangat kecil akan mendapat penjelasan semula jadi hanya jika penolakannya yang ketat membawa kepada kemunculan simetri tambahan, yang dipatuhi oleh persamaan teori. Menurut 't Hooft,"Kedekatan" simetri semacam itu berfungsi sebagai sejenis perisai yang melindungi sedikit dari parameter ini daripada pembetulan besar kerana proses kuantum yang melibatkan zarah maya. Semasa saya seorang pelajar dan pelajar siswazah, semua sains kita benar-benar berkembang dengan postulat ini. Tetapi ini masih menjadi kelemahan prinsip kealamian, yang sedang kita bincangkan.
Gerard 't Hooft, ahli fizik teori Belanda, salah seorang pengasas Model Piawai. Foto dari laman web sureshemre.wordpress.com
Apa yang berlaku jika anda melampaui Model Piawai?
ST: Di sini juga, masalah kealamian muncul, walaupun berlainan. Parameter dimensi yang paling penting dari Model Piawai adalah min vakum medan Higgs. Ini menentukan skala tenaga interaksi elektroweak, dan jisim zarah bergantung padanya. Di luar Model Piawai, terdapat satu parameter yang sama mendasar dari dimensi yang sama. Ini tentu saja jisim Planck, yang menentukan skala tenaga kesan kuantum yang berkaitan dengan graviti. Medan Higgs sekitar 250 GeV, yang merupakan dua kali jisim boson Higgs. Jisim Planck adalah kira-kira 1019 GeV. Oleh itu, nisbahnya adalah nombor yang sangat kecil atau nombor yang besar, bergantung pada apa yang harus dimasukkan ke dalam pembilang dan apa yang ada di penyebutnya. Sebenarnya, skala menarik lain di luar Model Standard sedang dibincangkan,tetapi mereka juga jauh lebih besar daripada bidang Higgs. Jadi di sini juga kita menghadapi keanehan yang jelas, dengan kata lain, kekurangan kealamian.
Jadi, mungkin lebih baik menganggap prinsip itu sebagai peninggalan semula jadi sains abad ke-20 dan meninggalkannya sama sekali? Bukan sia-sia sebilangan saintis membicarakan bermulanya era postnatural
ST: Baiklah, walaupun penolakan sepenuhnya tidak akan menyelesaikan semua masalah kita. Seperti yang saya katakan, prinsip kealamian adalah sesuatu dari bidang estetika. Tetapi ada juga masalah eksperimen yang tidak akan ke mana-mana. Katakan bahawa sekarang diketahui dengan pasti bahawa neutrino mempunyai jisim, sementara simetri Model Piawai memerlukannya sama sekali sifar. Perkara yang sama berlaku dengan bahan gelap - dalam Model Piawai tidak, tetapi dalam kehidupan, nampaknya memang demikian. Ada kemungkinan bahawa jika kesukaran eksperimen dapat diselesaikan dengan wajar, maka tidak ada yang harus ditinggalkan. Tetapi, saya ulangi, keseluruhan kompleks masalah ini cukup nyata dan menunjukkan sifat krisis keadaan semasa dalam fizik asas. Ada kemungkinan jalan keluar dari krisis ini akan menjadi revolusi ilmiah dan perubahan dalam paradigma yang ada.
Sergei, apa arti prinsip kealamian bagi anda secara peribadi? Mungkin juga beremosi?
ST: Bagi saya, ini, dari satu segi, adalah asas pengiraan. Bolehkah kita tidak hanya mengambil dari eksperimen itu, tetapi mengira semua 19 parameter ini? Atau sekurang-kurangnya mengurangkannya menjadi satu-satunya parameter yang benar-benar percuma? Itu baik untuk saya. Tetapi setakat ini kemungkinan ini tidak dapat dilihat. Ngomong-ngomong, pada suatu masa banyak yang berharap kesukaran utama Model Piawai dapat diselesaikan berdasarkan konsep supersimetri. Walau bagaimanapun, walaupun generalisasi supersimetri minimum dari Model Standard mengandungi sebanyak 105 parameter percuma. Ini sudah benar-benar buruk.
Tetapi untuk pengiraan seperti itu, anda perlu bergantung pada sesuatu. Seperti kata pepatah, anda tidak menganggap apa-apa - anda tidak akan mendapat apa-apa
S. T.: Itu sahaja maksudnya. Sebaik-baiknya, saya ingin mempunyai teori penyatuan yang komprehensif, yang, sekurang-kurangnya pada prinsipnya, akan memungkinkan semua pengiraan yang diperlukan dilakukan. Tetapi di mana untuk mendapatkannya? Selama bertahun-tahun, teori rentetan telah diajukan sebagai calon landasan sejagat. Ia telah dibuat selama hampir 50 tahun, usia yang cukup terhormat. Mungkin ini adalah pembinaan teori yang luar biasa, tetapi ia belum berlaku sebagai teori penyatuan. Sudah tentu, tidak ada yang dilarang untuk berharap bahawa ini akan berlaku. Namun, dalam sejarah fizik, jarang berlaku bahawa teori yang dikembangkan selama setengah abad mengenai janji-janji kejayaan masa depan, dan kemudian tiba-tiba dan sebenarnya menjelaskan semuanya. Bagaimanapun saya meragukannya.
Benar, ada kehalusan tertentu di sini dari teori rentetan, yang menyiratkan adanya kira-kira 10500 vacua dengan undang-undang fizikal yang berbeza. Secara kiasan, setiap vakum mesti mempunyai Model Piawai sendiri dengan set parameter bebasnya sendiri. Banyak penganut prinsip antropik berpendapat bahawa kumpulan kita sendiri tidak memerlukan penjelasan, kerana di dunia dengan fizik lain tidak ada kehidupan dan, oleh itu, sains. Dari sudut logik murni, tafsiran semacam itu dapat diterima, dengan pengecualian bahawa parameter parameter θ tidak dapat diturunkan dari prinsip antropik. Parameter ini mungkin lebih banyak - dari ini kemungkinan munculnya kehidupan cerdas di planet kita tidak akan berkurang dengan cara apa pun. Tetapi prinsip antropik hanya mengumumkan kemungkinan wujudnya sekumpulan dunia yang hampir tidak terbatas dan sebenarnya terbatas pada hal ini. Tidak boleh disangkal - atau, untuk menggunakan istilah, dipalsukan. Ini bukan lagi sains, sekurang-kurangnya dalam pemahaman saya. Menurut saya salah untuk meninggalkan prinsip pemalsuan pengetahuan saintifik demi teori yang sebenarnya tidak dapat menjelaskan apa-apa.
Saya tidak boleh setuju. Tetapi mari kita pergi lebih jauh. Bagaimana seseorang dapat keluar dari krisis - atau, jika anda mahu, keluar dari pra-krisis fizik asas? Siapa yang mempunyai bola sekarang - ahli teori atau eksperimen?
S. T.: Secara logiknya, bola harus berada di sisi ahli teori. Terdapat data eksperimen yang boleh dipercayai mengenai jisim neutrino, dan ada pemerhatian ahli astronomi yang mengesahkan adanya bahan gelap. Nampaknya tugas itu jelas - untuk menghasilkan asas pendekatan teoritis baru dan membina model khusus yang memungkinkan pengesahan eksperimen. Tetapi setakat ini percubaan seperti ini tidak berjaya.
Sekali lagi, tidak jelas apa yang diharapkan dari Large Hadron Collider setelah pemodenan yang dirancang. Sudah tentu, banyak data akan diterima di mesin ini, dan bahkan sekarang, jauh dari semua maklumat yang dikumpulkan oleh pengesannya telah diproses. Sebagai contoh, terdapat bukti bahawa elektron dan muon sama sekali tidak sama dalam interaksi mereka. Ini akan menjadi penemuan yang sangat serius, mungkin menjelaskan perbezaan dalam jumlah mereka. Tetapi bukti ini masih lemah, anda boleh mempercayainya, atau anda tidak boleh mempercayainya. Soalan ini kemungkinan besar akan diselesaikan dalam eksperimen berikutnya di LHC. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa pasukan ahli fizik eksperimen yang mengusahakannya lebih dari satu kali melaporkan petunjuk penemuan besar di luar Model Standard, dan kemudian pengumuman ini dibantah.
Apa yang tinggal? Seseorang boleh berharap untuk pemecut super yang akan dibina suatu hari nanti, tetapi dengan semuanya semuanya masih belum jelas - sekurang-kurangnya untuk perspektif 10-20 tahun. Jadi bola benar-benar berada di sisi ahli astrofizik. Satu kejayaan yang sangat radikal dapat diharapkan dari sains ini.
Kenapa?
ST: Maksudnya adalah tidak mungkin mencari zarah baru yang terlibat dalam interaksi yang kuat. Ini bermaksud bahawa kita perlu mencari zarah-zarah berinteraksi lemah yang tidak terdapat dalam Model Piawai. Sekiranya mereka berinteraksi dengan lemah, maka mereka jarang berinteraksi, dan manifestasi interaksi seperti itu perlu menunggu lama. Kami tidak sabar menunggu eksperimen pada pemecut. Tetapi Alam Semesta telah menunggu selama hampir 14 bilion tahun, dan kesan daripada interaksi yang sangat jarang dapat terkumpul selama ini. Ada kemungkinan kesan seperti itu dapat dijumpai oleh ahli astrofizik. Dan contoh-contoh ini sudah ada - bagaimanapun, kehadiran osilasi neutrino, yang menunjukkan jisim zon bukan nol, ditemui dalam kajian neutrino suria. Harapan ini lebih wajar,bahawa asas pemerhatian astronomi dan astrofizik terus berkembang kerana teleskop darat dan ruang angkasa baru dan peralatan lain. Contohnya, setahun setelah pendaftaran gelombang gravitasi pertama secara langsung, terbukti bahawa mereka menyebar dengan kelajuan yang sama dengan radiasi elektromagnetik. Ini adalah hasil yang sangat penting yang banyak membincangkan teori.
Ceramah oleh Sergei Troitsky "The Universe as a Laboratory of Particle Physics", yang disampaikan pada 8 Oktober 2017 di Moscow State University. M. V. Lomonosov di Festival Sains:
Sergei, sejak anda menyebut ruang, mari ingat Johannes Kepler. Pada tahun 1596, dia melihat bahawa radius rata-rata orbit planet dari Merkurius ke Saturnus yang dikira oleh Copernicus adalah 0.38: 0.72: 1.00: 1.52: 5.2: 9.2. Jarak antara Marikh dan Musytari nampaknya Kepler terlalu besar, dan oleh itu tidak wajar. Dia menganggap ada planet yang belum diketahui, dan akhirnya dia benar. Pada Malam Tahun Baru pada tahun 1801, Giuseppe Piazzi menemui Ceres di zon ini, yang kini dikenali sebagai planet kerdil. Sudah tentu, sekarang kita tahu bahawa tidak ada satu planet, tetapi seluruh tali asteroid. Kepler tidak tahu tentangnya, tapi saya rasa dia tidak akan terlalu terkejut. Secara umum, berdasarkan kriteria kealamian, ramalan yang sangat spesifik dibuat, yang pada awalnya dibenarkan secara harfiah, dan kemudian, jika anda suka, dengan minat. Adakah sesuatu yang serupa mungkin berlaku dalam fizik asas hari ini?
S. T.: Ini tidak dikecualikan. Sekiranya kita menerapkan kriteria kealamian untuk menjelaskan hierarki massa fermionik, maka beberapa simetri baru pasti akan muncul. Pada amnya, setakat ini, pelbagai calon telah dicadangkan untuk peranan ini, tetapi semuanya tidak memuaskan kita. Sekiranya simetri seperti itu dapat dijumpai, ia boleh membawa kita ke zarah yang belum diketahui. Benar, untuk meramalkannya secara langsung, seperti Kepler's, tidak akan berjaya, tetapi kita akan belajar sesuatu yang berguna. Walau bagaimanapun, ada kemungkinan bahawa dalam kes ini juga, petunjuk berguna agak kabur, dengan sekumpulan pilihan besar. Sebagai contoh, aksinya diramalkan hanya berdasarkan simetri baru yang dicadangkan oleh Peccei dan Quinn. Walau bagaimanapun, mekanisme ini memungkinkan kebebasan yang sangat besar dalam memilih parameter, dan oleh itu kita tidak mempunyai petunjuk di mana untuk mencari aksion. Ia boleh menjadi zarah bahan gelapatau ia mungkin terserlah dalam evolusi bintang atau di tempat lain - kita tidak tahu.
Baiklah, masa akan memberitahu. Dan terima kasih banyak untuk perbualan
Saya juga bercakap dengan Gia Dvali, profesor fizik di Universiti New York dan Munich dan pengarah bersama Institut Fizik Max Planck (by the way, pusat ilmiah terkenal ini dicipta pada tahun 1914 sebagai Institut Fizik Kaiser Wilhelm, dan pengarah pertamanya adalah Albert Einstein). Secara semula jadi, kita bercakap mengenai topik yang sama.
Georgiy Dvali, profesor fizik di Pusat Kosmologi dan Fizik Partikel di New York University dan Ludwig-Maximilian University of Munich, pengarah Institut Max Planck untuk Fizik di Munich. Foto dari laman web astronet.ge
Guia, bagaimana anda menafsirkan masalah keistimewaan Model Standard?
GD: Secara amnya, saya dapat mengulangi apa yang dikatakan oleh Sergei. Persamaan Model Piawai merangkumi sekumpulan parameter percuma yang tidak dapat diramalkannya. Nilai berangka parameter ini sangat berbeza antara satu sama lain, walaupun kita membincangkan objek yang kelihatan serupa. Ambil, katakan, neutrino, elektron, dan t quark. Kesemuanya adalah fermion, tetapi jisim neutrino, kemungkinan besar, tidak melebihi pecahan elektron-volt, jisim elektron kira-kira sama dengan lima ratus ribu elektron-volt, dan jisim t-quark adalah 175 GeV - 175 miliar elektron-volt. Perbezaan seperti itu mungkin kelihatan tidak wajar.
Tetapi ini hanyalah bahagian luar. Untuk lebih memahami segalanya, perlu mengambil kira sensitiviti ultraviolet parameter ini. Kami berbicara tentang pergantungan mereka pada peningkatan skala tenaga - atau, yang sama, pada penurunan skala spasial. Katakan kita terlebih dahulu mengukur jisim elektron di makmal, dan kemudian melihat apa yang berlaku padanya pada jarak Planck. Dengan pendekatan ini, parameter dibahagikan kepada beberapa kumpulan. Kepekaan ultraviolet maksimum ditunjukkan oleh ketumpatan tenaga vakum fizikal. Di wilayah Planck, sebanding dengan perubahan skala tahap keempat. Sekiranya jisim Planck digandakan, maka nilai tenaga vakum akan meningkat 16 kali ganda. Untuk jisim boson Higgs, kebergantungan ini tidak begitu besar: bukan darjah keempat, tetapi hanya tahap kedua. Jisim Fermion berubah dengan sangat lemah - hanya menurut undang-undang logaritma. Akhirnya, parameter θ secara praktikal tidak menyedari perubahan dalam skala Planck. Walaupun kepekaannya tidak sifar, ia sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Apakah maksud penyebaran ini dalam tahap kepekaan parameter bebas Model Piawai? Pelbagai pilihan boleh didapati di sini. Sebagai contoh, seseorang boleh menganggap bahawa jisim boson Higgs sama sekali tidak layak mendapat status kuantiti asas. Andaian ini secara automatik meluas ke jisim zarah, yang bergantung pada jisim Higgs. Maka penyebaran nilai mereka tidak akan kelihatan lebih aneh daripada, misalnya, perbezaan ukuran molekul dan galaksi. Baik satu atau yang lain dengan cara apapun berpura-pura menjadi asas, dan oleh itu tidak masuk akal untuk menilai ukuran mereka dari segi kealamian.
Sekiranya analogi ini kelihatan tidak masuk akal, berikut adalah contoh lain. Kami tahu dengan baik ciri ciri interaksi yang kuat, susunannya adalah 1 GeV. Dan kita juga tahu bahawa skala interaksi yang kuat tidak mendasar, jadi nilainya yang kecil berbanding dengan jisim Planck tidak mengejutkan sesiapa pun. Secara umum, jika kita menerimanya, dari segi sifat semula jadi atau tidak wajar, adalah wajar untuk membandingkan kuantiti asas secara eksklusif, maka untuk parameter Model Piawai, masalah ini sebenarnya akan hilang.
Menariknya, logik yang sama berfungsi untuk penyokong prinsip antropik. Mereka percaya bahawa terdapat banyak kekosongan dengan undang-undang fizikal yang berbeza, yang biasanya disebut multiverse. Alam semesta kita sendiri muncul dari salah satu kekosongan ini. Sekiranya kita mengambil pandangan ini, maka secara umum tidak ada masalah kealamian parameter Model Piawai. Tetapi saya tidak menyukai pendekatan ini, walaupun saya mengakui bahawa ia mempunyai penyokongnya sendiri.
Oleh itu, penolakan anggapan bahawa parameter Model Piawai adalah asas menghilangkan masalah kealamian. Adakah ini akhir perbincangan atau bolehkah kita melangkah lebih jauh?
GD: Sudah tentu, mungkin - dan perlu. Pada pendapat saya, adalah lebih penting dan lebih menarik untuk membicarakan bukan mengenai keindahan model, tetapi mengenai ketekalan diri. Sebagai contoh, kita semua bekerja dalam kerangka teori medan kuantum. By the way, ini berlaku bukan hanya untuk Model Piawai, tetapi juga teori rentetan. Semua realisasi yang bermakna secara fizikal dari teori ini harus berdasarkan teori relativiti khas, jadi persamaannya harus sama pada semua kerangka rujukan inersia. Harta ini disebut invarian teori relativistik, atau invarian Lorentz. Terdapat teorem yang menyatakan bahawa semua teori medan kuantum Lorentz-invarian mestilah CPT-invarian. Ini bermaksud bahawa persamaan asasnya tidak boleh berubah dengan penggantian zarah secara serentak oleh antipartikel, penyongsangan koordinat spasial dan pembalikan masa. Sekiranya invariance ini dilanggar, teori ini tidak akan konsisten dengan diri sendiri, dan tidak ada jumlah kealamian yang dapat membantu membangunnya. Dengan kata lain, teori medan kuantum yang konsisten sendiri mestilah tidak berubah-ubah CPT. Oleh itu, ketika membincangkan keindahan, berhati-hati agar tidak membingungkannya dengan konsistensi diri. Strategi ini membuka banyak kemungkinan menarik, tetapi membincangkannya akan membawa kita terlalu jauh.
Wilhelm de Sitter, ahli astronomi Belanda yang mencipta salah satu model kosmologi relativistik pertama (model de Sitter). Sumber: Arkib Fotografi Universiti Chicago
Gia, adakah mungkin sekurang-kurangnya satu contoh?
GD: - Sudah tentu. Seperti yang anda ketahui, ruang Alam Semesta kita berkembang dengan kadar yang semakin meningkat - seperti yang dikatakan oleh ahli kosmologi, kita tinggal di dunia de Sitter. Pecutan ini biasanya disebabkan oleh adanya tenaga vakum positif, juga disebut tenaga gelap. Ketumpatan yang diukur sangat rendah, kira-kira 10-29 g / cm3 Sekiranya kita menganggap bahawa graviti dapat digambarkan dalam kerangka teori medan kuantum, maka wajar untuk mengharapkan bahawa nilai tenaga vakum adalah puluhan pesanan magnitud lebih besar daripada nilai ini. Oleh kerana ini tidak betul, kriteria kealamian jelas tidak berfungsi. Namun, sekarang kita mempunyai lebih banyak alasan untuk berfikir bahawa nilai kecil tenaga vakum dapat dibenarkan berdasarkan kriteria konsistensi diri.
Tetapi ia belum berakhir. Dalam kerangka pendekatan baru, kesimpulan menunjukkan bahawa tenaga vakum berubah seiring dengan waktu. Sekiranya anda tidak memperkenalkan andaian tambahan, maka skala waktu perubahan tersebut tidak dapat dibayangkan besar - 10132 tahun. Namun, jika kita mengaitkan perubahan ini dengan adanya medan skalar tertentu, maka skala ini akan sebanding dengan waktu Hubble, yang sedikit lebih dari sepuluh miliar tahun. Ini berdasarkan pengiraan bahawa ia dapat melebihi waktu Hubble hanya beberapa kali, dan bukan dengan banyak pesanan yang besar. Sejujurnya, saya tidak terkesan sepenuhnya dengan kesimpulan ini, tetapi agak logik. Terdapat pilihan lain, tetapi mereka benar-benar eksotik.
Mari kita ringkaskan. Secara umum, bagaimana anda melihat masalah keanehan model fizik asas dan penyelesaian apa yang anda fikir paling optimum?
GD: Alexey, izinkan saya memulakan dengan perspektif sejarah, itu tidak akan menyakitkan. Dalam beberapa dekad kebelakangan ini, pandangan masyarakat kita, komuniti mereka yang terlibat dalam bidang fizik asas, sangat bergetar. Pada tahun 1990-an, walaupun prinsip antropik dibincangkan, secara umum, tidak ada yang sangat berminat. Kemudian pendapat yang berlaku adalah bahawa asas-asas struktur alam semesta sudah diketahui pada teori tali orang. Kami berharap bahawa dialah yang dapat memberikan satu-satunya penyelesaian yang tepat untuk menggambarkan Alam Semesta kita.
Pada akhir dekad yang lalu, kepercayaan ini berubah. Saintis yang sangat serius, misalnya, Alex Vilenkin dan Andrey Linde, mula aktif dan meyakinkan mempertahankan prinsip antropik. Pada suatu ketika, ada titik balik dalam kesadaran masyarakat, seperti peralihan fasa. Banyak ahli teori melihat prinsip antropik satu-satunya jalan keluar dari kesulitan yang berkaitan dengan masalah kealamian. Sudah tentu, mereka juga mempunyai lawan, dan masyarakat kita berpecah belah dalam masalah ini. Benar, Linde mengakui bahawa tidak semua parameter Model Piawai mendapat tafsiran semula jadi dalam konteks prinsip antropik. Sergei telah memperhatikan keadaan ini berkaitan dengan parameter θ.
Andrey Linde (kiri) dan Alexander Vilenkin. Foto dari laman web vielewelten.de
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pendapat kolektif telah berubah lagi. Sekarang kita melihat bahawa sekumpulan alam semesta yang hampir tidak terbatas dengan undang-undang fizikal yang berbeza tidak dapat wujud sama sekali. Sebabnya mudah: alam semesta seperti itu tidak stabil. Semua dunia de Sitter yang eksotik harus berubah menjadi kesinambungan ruang-waktu kosong dengan geometri Minkowski yang rata. Vakum adalah satu-satunya yang stabil hanya dengan geometri ini. Ini dapat ditunjukkan bahawa ketumpatan tenaga vakum mesti diabaikan berbanding dengan skala Planck. Inilah yang berlaku di alam semesta kita. Dunia kita belum sampai ke dunia Minkowski, jadi tenaga vakum adalah nol. Ia berubah, dan pada prinsipnya, perubahan ini dapat dikesan secara eksperimen dan dengan pemerhatian astrofizik. Jadi tidak ada yang tidak wajar dalam sekecil tenaga vakum,dan nilai yang diperhatikan sesuai dengan jangkaan teori.
Ramalan lain yang sangat spesifik dibuat berdasarkan pendekatan baru. Oleh itu, dari itu mesti ada paksi. Kesimpulan ini juga berkaitan dengan masalah kealamian. Izinkan saya mengingatkan anda bahawa ahli teori pernah mencipta zarah ini untuk menerangkan nilai kecil parameter θ. Kami sekarang mengatakan bahawa realiti aksion ditentukan oleh keperluan untuk konsistensi diri persamaan kita. Dengan kata lain, jika aksion tidak wujud, teori itu tidak konsisten sendiri. Ini adalah logik ramalan teori yang sama sekali berbeza. Jadi kesimpulannya saya dapat mengulangi apa yang telah saya katakan: prinsip kealamian telah digantikan oleh prinsip konsistensi diri yang jauh lebih kuat, dan ruang lingkup penerapannya terus berkembang, dan batasannya belum diketahui. Ada kemungkinan bahawa berdasarkan asasnya adalah mungkin untuk menjelaskan hierarki jisim zarah unsurmewakili masalah yang sukar bagi prinsip kealamian. Sama ada ini, kita tidak tahu. Secara amnya, anda harus berusaha.
Oleh itu, berikut adalah pendapat dua ahli fizik teori tegar yang, dengan pengakuan mereka sendiri, telah banyak memikirkan masalah keperihalan model teori fizik asas. Dalam beberapa cara mereka serupa, dalam beberapa cara berbeza. Walau bagaimanapun, Sergei Troitsky dan Gia Dvali tidak mengecualikan bahawa sekarang prinsip kealamian, jika tidak sepenuhnya melebihi kegunaannya, maka, bagaimanapun, telah kehilangan kredibilitinya yang dulu. Sekiranya demikian, maka fizik asas sememangnya memasuki era postnaturalisme. Mari lihat di mana ini membawa.
Untuk menyelesaikan perbincangan dengan pantas, saya meminta salah seorang pengasas teori rentetan, Edward Witten, profesor di Princeton Institute for Fundamental Research, untuk berbicara sesingkat mungkin mengenai masalah kealamian dalam fizik asas. Inilah yang ditulisnya:
Edward Witten, profesor di Princeton Institute for Basic Research, pengasas bersama teori tali. Foto dari laman web wikipedia.org
Sekiranya seorang ahli fizik atau ahli kosmologi membuat kesimpulan bahawa beberapa nilai yang dapat dilihat mempunyai nilai yang melampau, dia akan mencari tafsiran yang wajar. Sebagai contoh, jisim elektron adalah 1800 kali lebih kecil daripada proton. Perbezaan serius seperti itu pasti menarik perhatian dan memerlukan penjelasan.
Dalam kes ini, penjelasan yang wajar - atau, dengan kata lain, semula jadi - adalah bahawa apabila jisim elektron diturunkan, persamaan Model Piawai menjadi lebih simetri. Secara umum, kita kemudian menganggap simetri yang tepat atau tepat itu semula jadi, apabila ada alasan untuk berharap bahawa jika hari ini kita tidak tahu mengapa ia wujud di alam, maka kita mengharapkan untuk mendapatkan penjelasan pada tahap pemahaman yang lebih mendalam mengenai realiti fizikal. Menurut logik ini, jisim elektron yang kecil tidak menimbulkan masalah yang tidak menyenangkan bagi prinsip kealamian.
Sekarang mari kita beralih ke kosmologi. Kita tahu bahawa ukuran alam semesta adalah kira-kira 1030 kali panjang gelombang foton khas radiasi latar gelombang mikro. Hubungan ini tidak berubah ketika alam semesta berkembang, dan oleh itu tidak dapat dikaitkan hanya dengan zamannya. Ia memerlukan penjelasan yang berbeza, yang dapat diperoleh berdasarkan model kosmologi inflasi.
Pertimbangkan contoh yang berbeza. Telah diketahui bahawa nilai tenaga gelap sekurang-kurangnya 1060 kali lebih kecil daripada nilai yang dikira secara teori berdasarkan pengetahuan mengenai pemalar asas lain. Sudah tentu, fakta ini juga memerlukan penjelasan. Walau bagaimanapun, masih belum ada tafsiran yang munasabah - selain daripada, mungkin, yang ada dari hipotesis prinsip multiverse dan antropik. Saya adalah antara mereka yang lebih suka penjelasan yang berlainan, tetapi belum dijumpai. Inilah keadaan sekarang."
Kesimpulannya, saya tidak dapat menafikan sendiri keseronokan memetik artikel terbaru oleh Profesor Witten (E. Witten, 2018. Symmetry and Emergence), yang, pada pendapat saya, akan menjadi kesimpulan yang sangat baik untuk perbincangan mengenai kealamian teori teori asas fizik:
"Secara umum, simetri tolok tidak lebih dari sifat menggambarkan sistem fizikal. Makna simetri tolok dalam fizik moden adalah bahawa proses fizikal diatur oleh undang-undang yang sangat halus yang secara semula jadi "geometri". Sangat sukar untuk memberikan definisi yang ketat mengenai konsep ini, tetapi dalam praktiknya ia bermaksud bahawa undang-undang Alam menolak sebarang percubaan yang tidak dapat dipertikaikan untuk mencari ungkapan eksplisit bagi mereka. Kesukaran untuk menyatakan undang-undang ini dalam bentuk semula jadi dan tidak berlebihan adalah alasan untuk memperkenalkan simetri tolok."
Arkady dan Boris Strugatsky.
Jadi tiga orang - tiga pendapat. Kesimpulannya - petikan dari kisah saudara-saudara Strugatsky "Ugly Swans" (1967):
"Alam selalu primitif," Bol-Kunats melanjutkan antara lain, "dan manusia adalah makhluk yang kompleks, kealamian tidak sesuai dengannya."
Adakah ia sesuai dengan teori fizik asas? Itulah soalannya.
Alexey Levin, PhD dalam Falsafah
