Specialisté v oblasti základní fyziky (a nyní je to podle definice teorie elementárních částic, relativistická astrofyzika a kosmologie) často srovnávají stav své vědy se situací na konci 19. století. Fyzika té doby, která byla založena na newtonovské mechanice, maxwellovské teorii elektromagnetického pole, termodynamice a statistické mechanice Boltzmann-Gibbs, úspěšně vysvětlila téměř všechny experimentální výsledky. Je pravda, že došlo také k nedorozuměním - nulový výsledek experimentu Michelson-Morley, absence teoretického vysvětlení spektra záření černého tělesa, nestabilita hmoty, projevující se ve fenoménu radioaktivity. Bylo jich však málo a nezničili naději na zaručený triumf formovaných vědeckých myšlenek - alespoňz pohledu absolutní většiny renomovaných vědců. Téměř nikdo nepředpokládal radikální omezení použitelnosti klasického paradigmatu a vznik zásadně nové fyziky. A přesto se narodila - a za pouhé tři desetiletí. Kvůli spravedlnosti stojí za zmínku, že klasická fyzika od té doby rozšířila své schopnosti natolik, že její úspěchy by se zdály cizím těm titánům dávných dob, jako jsou Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorenz. Ale to je úplně jiný příběh.že její úspěchy by se zdály cizím titánům starých časů jako Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorenz. Ale to je úplně jiný příběh.že její úspěchy by se zdály cizím titánům starých časů jako Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin a Lorenz. Ale to je úplně jiný příběh.
Podrobná diskuse o problémech moderní základní fyziky zabere příliš mnoho prostoru a je nad můj záměr. Proto se omezím na několik známých slabin nejúspěšnější a nejuniverzálnější teorie mikrosvěta - Standardního modelu elementárních částic. Popisuje dvě ze tří základních interakcí - silnou a slabou, ale neovlivňuje gravitaci. Tato skutečně skvělá teorie umožnila pochopit mnoho jevů pomocí principu invariance měřidel. Nevysvětlila však přítomnost hmoty v neutrinech a neodhalila dynamiku spontánního narušení symetrie elektroslabé interakce, která je zodpovědná za vzhled hmoty v důsledku Higgsova mechanismu. Neumožňoval předvídat povahu a vlastnosti částic, které lze považovat za kandidáty na roli nosičů temné hmoty. Ani standardní model nebyl schopen navázat jednoznačné vazby na inflační teorie, které jsou jádrem moderní kosmologie. A nakonec neobjasnila cestu ke konstrukci kvantové gravitační teorie, a to navzdory skutečně titanickému úsilí teoretiků.
Nezavazuji se tvrdit, že uvedené příklady (a existují i jiné) umožňují posoudit přechod základní fyziky do nestabilního stavu plného nové vědecké revoluce. Na to existují různé názory. Zajímá mě otázka, která není tak globální, ale neméně zajímavá. Mnoho současných publikací zpochybňuje použitelnost kritéria přirozenosti teoretických konceptů, které je již dlouho považováno za spolehlivý a efektivní vodicí princip při konstrukci modelů mikrokosmu (viz například GF Giuduce, 2017. Dawn of the Post-Naturalness Era). Je tomu tak, jaká je přirozenost fyzikální teorie a co ji může nahradit? Nejprve jsem o tom mluvil s Sergejem Troitským, hlavním výzkumným pracovníkem Ústavu pro jaderný výzkum Ruské akademie věd.
Sergey Vadimovich Troitsky, korespondující člen Ruské akademie věd, vedoucí výzkumný pracovník Ústavu pro jaderný výzkum Ruské akademie věd. Fotografie ze stránek prof-ras.ru
Sergeji, nejdřív se dohodneme na hlavní věci. Jak hodnotíte současný stav základní fyziky? Podle známé terminologie Thomase Kuhna je to normální věda, věda v předkrizové fázi nebo jen v krizi?
ST: Kosmologii klasifikujete jako základní fyziku. To je docela rozumné, ale nejsem odborník na to, a proto se zdržím hodnocení. Pokud ale mluvíme o fyzice vysokých energií a o Standardním modelu elementárních částic jako o jeho teoretickém základu, pak je v této oblasti ve skutečnosti všechno velmi obtížné. Velký hadronový urychlovač (LHC) již mnoho let pracuje v CERNu a přináší výsledky. Díky němu se situace ve fyzice částic stala na jedné straně velmi nudnou a na druhé straně mimořádně zajímavou. Často si vzpomínám, že nedlouho před spuštěním LHC vysoce uznávaný teoretický fyzik předpovídal, že se nyní v naší vědě otevře široká pilířová cesta, která rychle povede k velkým objevům. Věřil, že doslova v prvních hodinách provozu srážky, nebo nejpozději do roku, budou identifikováni partneři již známých částic,dlouho předpovídané teorií supersymetrie. Byli předem považováni za dlouho očekávané částice temné hmoty, které bylo možné studovat po mnoho let. To je velká vyhlídka pro naši vědu.
A co se stalo v praxi? Nebyli žádní super partneři, a ne, a šance na jejich otevření v budoucnu značně poklesly. Před šesti lety byl Higgsův boson chycen na LHC a stal se celosvětovou senzací. Jak to ale můžete vyhodnotit? Řekl bych, že je to v jistém smyslu nejstrašnější úspěch LHC, protože Higgs byl předpovězen už dávno. Všechno by bylo mnohem zajímavější, kdyby to nebylo možné otevřít. A teď se ukazuje, že nemáme nic jiného než standardní model, i když je to dobře potvrzeno v experimentech. Zázraky se nestaly, objevy, které nespadají do rozsahu standardního modelu, nebyly učiněny. V tomto smyslu je situace skutečně před krizí, protože víme jistě, že standardní model není úplný. Toto jste si již všimli v úvodu naší konverzace.
Když se srazí dva protony (na obrázku to není znázorněno), vytvoří se dva kvarky (Quark), které při sloučení vytvoří W-boson (Weak vector boson) - částice nesoucí slabou interakci. W boson emituje Higgsův boson, který se rozpadá na dva b kvarky (dolní kvark). Obrázek z článku: B. Tuchming, 2018. Byl viděn dlouho hledaný rozpad Higgsova bosonu.
Propagační video:
Tak pojďme dál. Jak důležitý je princip přirozenosti v teorii částic a co to je? Není to pouhé respektování zdravého rozumu, že?
ST: Vidím to jako jakési estetické kritérium, ale zde je třeba objasnění. Standardní model má tři komponenty. Nejprve je to seznam částic, které obsahuje. Všechny již byly objeveny, Higgsův boson byl poslední. Zadruhé, existuje skupina interakcí, které popisuje. Existuje ale také třetí část - sada bezplatných parametrů. Jedná se o devatenáct čísel, která lze určit pouze experimentálně, protože se nepočítají v rámci samotného modelu (viz S. V. Troitsky, 2012. Nevyřešené problémy fyziky elementárních částic).
A právě zde vznikají potíže. Nejprve je těchto parametrů příliš mnoho. Devatenáct je nějaké podivné číslo, které zřejmě nikde nevyplývá. Kromě toho jsou jejich významy příliš odlišné, a proto je obtížné je vysvětlit. Řekněme, že počet volných parametrů zahrnuje množství leptonů - elektronové, mionové a tau částice. Mion je asi dvě stěkrát těžší než elektron a tau je téměř dvacetkrát hmotnější než mion. S kvarky je to stejné - jejich hmotnosti se liší řádově a všechno ostatní je stejné.
Hmotnosti všech částic standardního modelu jsou rozptýleny ve velmi širokém rozsahu. Ve standardním modelu není tato hromadná hierarchie uspokojivě vysvětlena. Obrázek ze sekce Obtížnosti standardního modelu projektu Igora Ivanova Velkého hadronového urychlovače.
Dalším příkladem je hodnota bezrozměrného parametru, který charakterizuje narušení invariance CP při silných interakcích. Jeho přesná hodnota není známa, ale experimenty ukazují, že v každém případě je menší než 10-9. To je opět zvláštní. Volné parametry standardního modelu se obecně značně liší a vypadají téměř náhodně.
Jedna z metod experimentální registrace os. Obrázek v modré barvě ukazuje odhadovaný tok axií vyzařovaných Sluncem, které se pak převádějí v magnetickém poli Země (červené) na rentgenové záření (oranžové). Tyto paprsky mohly být detekovány vesmírným rentgenovým dalekohledem XMM-Newton. Stále není známo, kde hledat axiony: mohou to být částice temné hmoty nebo se mohou projevit ve vývoji hvězd.
Standardního modelu je tedy příliš mnoho volných parametrů, jejich hodnoty vypadají nemotivované a nadměrně rozptýlené. Ale co s tím má přirozenost společného?
S. T.: A právě jsme se k ní přiblížili. Ve fyzice elementárních částic má zásada přirozenosti teoretických modelů velmi specifický význam. Vyžaduje, aby všechny bezrozměrné volné parametry byly buď rovny nule, nebo aby se příliš nelišily od jednoho v řádu - řekněme v rozsahu od jedné tisíciny do tisíce. Parametry standardního modelu toto kritérium zjevně nesplňují. Existuje však také další podmínka, kterou formuloval v roce 1980 pozoruhodný nizozemský teoretický fyzik Gerard 't Hooft, jeden z tvůrců standardního modelu. Postuloval, že velmi malou hodnotu libovolného volného parametru lze přirozeně vysvětlit, pouze pokud jeho přísné vynulování vede k objevení další symetrie, které se rovnice teorie řídí. Podle 't Hooft,„Blízkost“takové symetrie slouží jako druh štítu chránícího sprostost tohoto parametru před velkými korekcemi způsobenými kvantovými procesy zahrnujícími virtuální částice. Když jsem byl studentem a postgraduálním studentem, celá naše věda doslova kvetla tímto postulátem. Stále se však jedná o oslabení principu přirozenosti, o kterém diskutujeme.
Gerard 't Hooft, holandský teoretický fyzik, jeden ze zakladatelů standardního modelu. Fotografie ze stránek sureshemre.wordpress.com
Co se stane, když překročíte standardní model?
ST: I zde nastává problém přirozenosti, i když jiného druhu. Nejdůležitějším rozměrovým parametrem standardního modelu je vakuový průměr Higgsova pole. Určuje energetickou škálu elektroslabé interakce a na ní závisí hmotnost částic. Mimo standardní model existuje jeden stejně základní parametr stejné dimenze. To je samozřejmě Planckova hmotnost, která určuje energetickou stupnici pro kvantové efekty spojené s gravitací. Higgsovo pole má asi 250 GeV, což je dvojnásobek hmotnosti Higgsova bosonu. Planckova hmotnost je přibližně 1019 GeV. Jejich poměr je tedy buď velmi malé číslo, nebo gigantické číslo, v závislosti na tom, co dát do čitatele a co do jmenovatele. Ve skutečnosti se diskutuje o dalších zajímavých stupnicích mimo standardní model,ale jsou také nezměrně větší než Higgsovo pole. I zde tedy máme co do činění se zjevnou podivností, jinými slovy s nedostatkem přirozenosti.
Takže je možná lepší považovat tento princip za přirozený pozůstatek vědy dvacátého století a obecně jej opustit? Není nadarmo, že někteří vědci hovoří o nástupu postnaturální éry
ST: No, ani úplné odmítnutí nevyřeší všechny naše problémy. Jak jsem řekl, princip přirozenosti je něco z oblasti estetiky. Existují však také experimentální problémy, které nikam nezmizí. Řekněme, že je nyní jisté, že neutrino má hmotnost, zatímco symetrie standardního modelu vyžadují, aby byla přísně nulová. Totéž platí pro temnou hmotu - ve standardním modelu tomu tak není, ale v životě to zjevně je. Je možné, že pokud lze experimentální obtíže rozumně vyřešit, pak už nebude nutné nic opouštět. Ale opakuji, celý tento problémový komplex je docela reálný a naznačuje krizovou povahu současné situace v základní fyzice. Je možné, že východiskem z této krize bude vědecká revoluce a změna stávajícího paradigmatu.
Sergeji, co pro tebe osobně znamená zásada přirozenosti? Možná i emocionálně?
ST: Pro mě je to v jistém smyslu princip vypočítatelnosti. Můžeme nejen vzít z experimentu, ale vypočítat všech těchto 19 parametrů? Nebo je alespoň omezit na jediný skutečně bezplatný parametr? To by bylo v pořádku. Ale zatím tato možnost není viditelná. Mimochodem, najednou mnozí doufali, že hlavní obtíže standardního modelu lze vyřešit na základě konceptu supersymetrie. I minimální supersymetrické zobecnění standardního modelu však obsahuje až 105 volných parametrů. To je už opravdu špatné.
Ale pro takový výpočet se musíte na něco spolehnout. Jak se říká, nic nepředpokládáte - nic nedostanete
ST: O to jde. V ideálním případě bych chtěl mít komplexní jednotnou teorii, která alespoň v zásadě umožní provést všechny potřebné výpočty. Ale kde to získat? Po mnoho let se teorie strun navrhuje jako kandidát na takový univerzální základ. Byl vytvořen téměř 50 let, celkem slušný věk. Možná jde o úžasnou teoretickou konstrukci, ale dosud k ní nedošlo jako jednotná teorie. Samozřejmě není nikomu zakázáno doufat, že se to stane. V historii fyziky se však málokdy stalo, že by se teorie po půl století vyvíjela na základě příslibů budoucích úspěchů, a pak najednou a ve skutečnosti všechno vysvětlila. V každém případě o tom pochybuji.
Je pravda, že z teorie strun existuje určitá jemnost, která implikuje existenci asi 10500 vakua s různými fyzikálními zákony. Obrazně řečeno, každé vakuum musí mít svůj vlastní standardní model se svou vlastní sadou volných parametrů. Četné zastánce antropického principu tvrdí, že naše vlastní množina nevyžaduje vysvětlení, protože ve světech s odlišnou fyzikou nemůže existovat život a tedy věda. Z hlediska čisté logiky je taková interpretace přijatelná, s výjimkou, že omezenost parametru θ nelze odvodit z antropického principu. Tento parametr mohl být mnohem více - z toho by se šance na vznik inteligentního života na naší planetě nesnížily. Antropický princip však oznamuje pouze možnou existenci téměř nekonečného souboru světů a je ve skutečnosti omezen na toto. Nelze jej vyvrátit - nebo, terminologii použít, zfalšovat. To už není věda, alespoň v mém chápání. Upustit od zásady falšovatelnosti vědeckých poznatků kvůli teorii, která ve skutečnosti nedokáže nic vysvětlit, se mi jeví jako nesprávné.
Nemohu nesouhlasit. Pojďme ale dále. Jak se můžete dostat z krize - nebo, chcete-li, z předkrizové základní fyziky? Kdo má nyní míč - teoretici nebo experimentátoři?
S. T.: Logicky by měl být míč na straně teoretiků. Existují spolehlivé experimentální údaje o hmotnosti neutrin a existují pozorování astronomů potvrzující existenci temné hmoty. Zdá se, že úkol je zřejmý - přijít se základy nového teoretického přístupu a vytvořit konkrétní modely, které umožní experimentální ověření. Ale zatím takové pokusy nikam nevedly.
Opět není jasné, co lze očekávat od Large Hadron Collider po jeho plánované modernizaci. Na tomto stroji bude samozřejmě přijato velké množství dat, a dokonce ani nyní nebyly zpracovány zdaleka všechny informace shromážděné jeho detektory. Existují například důkazy, že elektrony a miony nejsou ve svých interakcích zcela totožné. To by byl velmi vážný objev, který by možná vysvětlil rozdíl v jejich hmotnostech. Ale tyto důkazy jsou stále slabé, můžete jim věřit nebo jim nemůžete věřit. Tato otázka bude s největší pravděpodobností vyřešena v následujících experimentech na LHC. Je však třeba připomenout, že týmy experimentálních fyziků, kteří na tom pracují, již více než jednou hlásili náznaky velkých objevů mimo standardní model a později byla tato oznámení vyvrácena.
Co zbylo? Lze doufat v super akcelerátory, které se někdy budou vyrábět, ale s nimi je stále všechno nejasné - alespoň z hlediska 10-20 let. Míč je tedy opravdu na straně astrofyziků. Od této vědy lze očekávat skutečně radikální průlom.
Proč?
ST: Jde o to, že není možné najít nové částice zapojené do silných interakcí. To znamená, že musíme hledat slabě interagující částice, které nejsou ve standardním modelu. Pokud interagují slabě, pak zřídka interagují a na projevy takových interakcí je třeba dlouho čekat. V experimentech s urychlovačem nemůžeme dlouho čekat. Vesmír však čeká téměř 14 miliard let a po celou dobu se mohou hromadit účinky i velmi vzácných interakcí. Je možné, že takové účinky astrofyzici naleznou. A již existují příklady - koneckonců, přítomnost neutrinových oscilací, které ukazují nenulovou hmotnost této částice, byla objevena při studiu solárních neutrin. Tyto naděje jsou o to oprávněnější,že pozorovací základna astronomie a astrofyziky se neustále rozšiřuje díky novým pozemským a vesmírným dalekohledům a dalšímu vybavení. Řekněme, že rok po první přímé registraci gravitačních vln bylo prokázáno, že se šíří stejnou rychlostí jako elektromagnetické záření. Jedná se o velmi důležitý výsledek, který hovoří pro teoretiky.
Přednáška Sergeje Troického „Vesmír jako laboratoř částicové fyziky“přednesená 8. října 2017 na Moskevské státní univerzitě. M. V. Lomonosov na festivalu vědy:
Sergeji, protože jsi zmínil vesmír, pamatujme na Johannesa Keplera. V roce 1596 si všiml, že průměrné poloměry planetárních oběžných drah od Merkuru po Saturn, vypočítané Koperníkem, jsou 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Keplerovi se vzdálenost mezi Marsem a Jupiterem zdála příliš velká, a proto nepřirozená. Předpokládal, že existuje dosud neznámá planeta, a nakonec měl pravdu. Na Silvestra v roce 1801 objevil Giuseppe Piazzi Ceres v této zóně, která je nyní považována za trpasličí planetu. Samozřejmě teď víme, že neexistuje jedna planeta, ale celý pás asteroidů. Kepler o něm neměl ponětí, ale myslím, že by ho asi příliš nepřekvapilo. Obecně byla na základě kritéria přirozenosti provedena velmi specifická předpověď, která byla zpočátku ospravedlněna doslovně a později, pokud chcete, se zájmem. Je dnes něco podobného možné v základní fyzice?
S. T.: To není vyloučeno. Pokud použijeme kritérium přirozenosti k vysvětlení hierarchie fermionických hmot, téměř jistě se objeví nějaká nová symetrie. Obecně platí, že do dnešního dne byli pro tuto roli navrženi různí kandidáti, ale všichni nás nějak neuspokojují. Pokud takovou symetrii najdeme, mohlo by nás to vést k dosud neznámým částicím. Je pravda, že jejich přímé předpovídání, jako Keplerova, nebude fungovat, ale naučíme se něco užitečného. Je však možné, že i v tomto případě budou užitečné pokyny poněkud vágní s kolosální škálou možností. Například axion je předpovídán jen na základě nové symetrie navržené Pecceiem a Quinnem. Tento mechanismus však umožňuje velmi velkou volnost při výběru parametrů, a proto nemáme žádnou indikaci, kde hledat axion. Může to být částice temné hmotynebo se to může projevit ve vývoji hvězd nebo jinde - jednoduše nevíme.
No, čas ukáže. A moc vám děkuji za rozhovor
Mluvil jsem také s Giou Dvali, profesorem fyziky na univerzitách v New Yorku a Mnichově a spoluředitelem Maxe Planckova institutu pro fyziku (mimochodem, toto renomované vědecké centrum vzniklo v roce 1914 jako Fyzikální institut Kaisera Wilhelma a jeho prvním ředitelem byl Albert Einstein). Přirozeně jsme mluvili o stejném tématu.
Georgiy Dvali, profesor fyziky v Centru pro kosmologii a částicovou fyziku na Newyorské univerzitě a Ludwig-Maximilian University v Mnichově, ředitel Institutu Maxe Plancka pro fyziku v Mnichově. Fotografie ze stránek astronet.ge
Guia, jak interpretuješ problém přirozenosti standardního modelu?
GD: Obecně mohu zopakovat, co řekl Sergej. Rovnice standardního modelu zahrnují sadu volných parametrů, které nedokáže předpovědět. Číselné hodnoty těchto parametrů se od sebe velmi liší, i když mluvíme o zdánlivě podobných objektech. Vezměte, řekněme, neutrino, elektron a t kvark. Všechny jsou fermiony, ale hmotnost neutrina s největší pravděpodobností nepřesahuje zlomek elektronvoltu, hmotnost elektronu je přibližně rovna pěti set tisíc elektronvoltům a hmotnost t-kvarku je 175 GeV - 175 miliard elektronvoltů. Takové rozdíly se mohou zdát opravdu nepřirozené.
Ale to je jen vnější strana. Pro lepší pochopení všeho je nutné vzít v úvahu ultrafialovou citlivost těchto parametrů. Mluvíme o jejich závislosti na zvětšení rozsahu energií - nebo, stejně, na zmenšení prostorového měřítka. Řekněme, že nejprve změříme hmotnost elektronu v laboratoři a poté se podíváme, co se s ním stane na Planckovy vzdálenosti. S tímto přístupem jsou parametry rozděleny do několika skupin. Maximální citlivost na ultrafialové záření je demonstrována hustotou energie fyzického vakua. V oblasti Planck je to úměrné čtvrtému stupni změny měřítka. Pokud se Planckova hmotnost zdvojnásobí, pak se hodnota vakuové energie zvýší 16krát. Pro hmotu Higgsova bosonu není tato závislost tak velká: ne čtvrtý stupeň, ale pouze druhý. Fermionové hmoty se mění velmi slabě - pouze podle logaritmického zákona. Nakonec parametr θ prakticky nezaznamenává změny v Planckově stupnici. I když jeho citlivost není nulová, je tak malá, že ji nelze ignorovat.
Co toto šíření znamená v míře citlivosti volných parametrů standardního modelu? Zde jsou možné různé možnosti. Například lze předpokládat, že hmotnost Higgsova bosonu si status základní veličiny vůbec nezaslouží. Tento předpoklad se automaticky rozšíří na částicové hmotnosti, které závisí na Higgsově hmotnosti. Pak nebude rozpětí v jejich hodnotách vypadat o nic divněji než například rozdíl ve velikosti molekul a galaxií. Ani jeden, ani druhý žádným způsobem nepředstírají, že jsou zásadní, a proto nemá smysl hodnotit jejich velikost z hlediska přirozenosti.
Pokud se tato analogie zdá být příliš přitažlivá, zde je další příklad. Charakteristickou energii silné interakce dobře známe, její řád je 1 GeV. A také víme, že rozsah silných interakcí není zásadní, takže jeho malá hodnota vzhledem k Planckově hmotnosti nikoho nepřekvapuje. Obecně platí, že pokud přijmeme, že z hlediska přirozenosti nebo nepřirozenosti je rozumné porovnávat výlučně základní veličiny, pak u parametrů standardního modelu tento problém prakticky zmizí.
Je zajímavé, že stejná logika funguje i pro příznivce antropického principu. Věří, že existuje široká škála vakuů s různými fyzikálními zákony, které se obvykle říká multivesmír. Náš vlastní vesmír se vynořil z jednoho z těchto vakuů. Vezmeme-li tento úhel pohledu, pak obecně neexistuje problém přirozenosti parametrů standardního modelu. Nelíbí se mi však tento přístup, i když připouštím, že má své příznivce.
Odmítnutí předpokladu, že parametry standardního modelu jsou zásadní, tedy odstraňuje problém přirozenosti. Je to konec diskuse, nebo můžeme jít dál?
GD: Samozřejmě je to možné - a nutné. Podle mého názoru je mnohem důležitější a zajímavější hovořit ne o přirozenosti modelu, ale o jeho konzistenci. Například všichni pracujeme v rámci kvantové teorie pole. Mimochodem, toto se týká nejen standardního modelu, ale také teorie strun. Všechny fyzicky smysluplné implementace této teorie by měly být založeny na speciální teorii relativity, takže jejich rovnice by měly vypadat stejně ve všech inerciálních referenčních rámcích. Tato vlastnost se nazývá relativistická invariance teorie nebo Lorentzova invariance. Existuje věta, podle které musí být všechny teorie kvantového pole Lorentzově invariantní invariantní CPT. To znamená, že jejich základní rovnice by se neměly měnit se současným nahrazováním částic antičásticemi, inverzí prostorových souřadnic a obrácením času. Je-li tato invariance porušena, teorie nebude sama o sobě konzistentní a nebude ji budovat žádná přirozenost. Jinými slovy, samo-konzistentní kvantová teorie pole je nucena být CPT-invariantní. Při diskusi o přirozenosti je proto třeba dbát na to, aby nedošlo k záměně s konzistencí sebe sama. Tato strategie otevírá mnoho zajímavých možností, ale jejich diskuse nás zavede příliš daleko.
Wilhelm de Sitter, holandský astronom, který vytvořil jeden z prvních relativistických kosmologických modelů (de Sitterův model). Zdroj: Fotografický archiv University of Chicago
Gia, je možný alespoň jeden příklad?
GD: - Samozřejmě. Jak víte, prostor našeho vesmíru se rozšiřuje s rostoucí rychlostí - jak říkají kosmologové, žijeme ve světě de Sittera. Toto zrychlení je obvykle přičítáno přítomnosti pozitivní vakuové energie, nazývané také temná energie. Jeho naměřená hustota je extrémně nízká, přibližně 10–29 g / cm3. Pokud předpokládáme, že gravitaci lze popsat v rámci teorie kvantového pole, pak je přirozené očekávat, že hodnota vakuové energie je o mnoho desítek řádů větší než tato hodnota. Jelikož tomu tak není, kritérium přirozenosti zjevně nefunguje. Nyní však máme stále více důvodů si myslet, že malá hodnota vakuové energie může být ospravedlněna na základě kritéria soběstačnosti.
Ale to ještě neskončilo. V rámci nového přístupu závěr naznačuje, že vakuová energie se časem mění. Pokud nezavádíte další předpoklady, pak je časový rozsah těchto změn nepředstavitelně velký - 10132 let. Pokud však tyto změny spojíme s přítomností určitého skalárního pole, bude tato škála srovnatelná s Hubblovým časem, což je o něco více než deset miliard let. Z výpočtů vyplývá, že může překročit Hubbleův čas pouze několikrát, a nikoli o mnoho řádů. Abych byl upřímný, tento závěr na mě úplně neudělá dojem, ale je to docela logické. Existují i jiné možnosti, ale jsou zcela exotické.
Shrňme to. Jak obecně vidíte problém přirozenosti modelů základní fyziky a jaká řešení považujete za optimální?
GD: Alexey, dovolte mi začít historickou perspektivou, nebude to bolet. V posledních desetiletích názory naší komunity, komunity těch, kteří se zabývají základní fyzikou, silně oscilovali. V 90. letech, ačkoli se diskutovalo o antropickém principu, obecně nikoho zvlášť nezajímal. Poté převládal názor, že základy struktury vesmíru již byly známy v osobě teorie strun. Doufali jsme, že to bude ona, kdo dá jediné správné řešení popisující náš vesmír.
Na konci minulého desetiletí se tato víra změnila. Velmi vážní vědci, například Alex Vilenkin a Andrey Linde, začali aktivně a přesvědčivě hájit antropický princip. V určitém okamžiku nastal ve vědomí komunity zlom, něco jako fázový přechod. Mnoho teoretiků vidělo v antropickém principu jediné východisko z obtíží spojených s problémem přirozenosti. Samozřejmě měli také oponenty a naše komunita byla v této otázce rozdělena. Je pravda, že Linde přesto připustil, že ne všechny parametry standardního modelu nacházejí přirozenou interpretaci v kontextu antropického principu. Sergey již tuto okolnost zaznamenal v souvislosti s parametrem θ.
Andrey Linde (vlevo) a Alexander Vilenkin. Fotografie ze stránky vielewelten.de
V posledních letech se kolektivní názor znovu změnil. Nyní vidíme, že téměř nekonečný soubor vesmírů s různými fyzikálními zákony nemůže vůbec existovat. Důvod je prostý: takové vesmíry nemohou být stabilní. Všechny exotické světy de Sitter by se měly proměnit v prázdná časoprostorová kontinua s plochou Minkowského geometrií. Vakuum je jediné stabilní pouze s touto geometrií. Je možné ukázat, že hustota energie vakua musí být ve srovnání s Planckovou stupnicí zanedbatelná. Přesně to se děje v našem vesmíru. Náš svět ještě nedosáhl světa Minkowského, takže vakuová energie je nenulová. Mění se a v zásadě lze tyto změny detekovat experimentálně a pomocí astrofyzikálních pozorování. Na maličkosti vakuové energie tedy není nic nepřirozeného,a jeho pozorovaná hodnota odpovídá teoretickým očekáváním.
Další velmi konkrétní předpovědi jsou vytvářeny na základě nového přístupu. Z toho tedy vyplývá, že určitě musí existovat axion. Tento závěr souvisí také s problémem přirozenosti. Dovolte mi připomenout, že teoretici jednou vynalezli tuto částici, aby vysvětlili nepřirozeně malou hodnotu parametru θ. Nyní říkáme, že realita axionu je diktována požadavkem na vlastní konzistenci našich rovnic. Jinými slovy, pokud axion neexistuje, teorie není konzistentní. Toto je úplně jiná logika teoretické predikce. Závěrem tedy mohu zopakovat, co jsem již řekl: princip přirozenosti byl nahrazen mnohem silnějším principem konzistence sebe sama a oblast jeho použitelnosti se neustále rozšiřuje a jeho hranice dosud nejsou známy. Je možné, že na jeho základě bude možné vysvětlit hierarchii hmot elementárních částic,představující tak obtížný problém pro princip přirozenosti. Ať už je to tak, nevíme. Obecně platí, že musíte pracovat.
Tady jsou tedy názory dvou brilantních teoretických fyziků, kteří podle vlastního přiznání hodně přemýšleli o problému přirozenosti teoretických modelů základní fyziky. V některých ohledech jsou podobné, v některých ohledech odlišné. Sergei Troitsky a Gia Dvali však nevylučují, že nyní princip přirozenosti, ne-li zcela zastaralý, v každém případě ztratil svou dřívější důvěryhodnost. Pokud ano, pak základní fyzika skutečně vstupuje do éry postnaturalismu. Uvidíme, kam to povede.
Abych diskusi řádně uzavřel, požádal jsem jednoho ze zakladatelů teorie strun Edwarda Wittena, profesora Princetonského institutu pro základní výzkum, aby co nejkratší dobu promluvil o problému přirozenosti základní fyziky. Zde napsal:
Edward Witten, profesor na Princetonském institutu pro základní výzkum, spoluzakladatel teorie strun. Fotografie ze stránek wikipedia.org
"Pokud fyzik nebo kosmolog dojde k závěru, že nějaká pozorovatelná hodnota má extrémní hodnotu, hledá rozumnou interpretaci." Například hmotnost elektronu je 1800krát menší než hmotnost protonu. Takový vážný rozdíl jistě přitahuje pozornost a vyžaduje vysvětlení.
V tomto případě je rozumné - nebo, jinými slovy, přirozené - vysvětlení, že když je elektronová hmotnost vynulována, rovnice standardního modelu se stanou symetrickějšími. Obecně pak považujeme přesnou nebo přibližnou symetrii za přirozenou, když existuje důvod doufat, že pokud dnes nevíme, proč existuje v přírodě, pak očekáváme, že najdeme vysvětlení na hlubší úrovni chápání fyzické reality. Podle této logiky malá hmotnost elektronu nevytváří nepříjemné problémy pro princip přirozenosti.
Nyní přejdeme ke kosmologii. Víme, že velikost vesmíru je asi 1030krát vyšší než vlnová délka typického fotonu mikrovlnného záření na pozadí. Jak se vesmír vyvíjí, tento vztah se nemění, a proto jej nelze jednoduše připsat jeho věku. Potřebuje jiné vysvětlení, které lze získat na základě inflačních kosmologických modelů.
Zvažte příklad jiného druhu. Je známo, že hodnota temné energie je nejméně 1060krát nižší než teoreticky vypočítaná hodnota založená na znalostech dalších základních konstant. Tato skutečnost samozřejmě vyžaduje také vysvětlení. Stále však pro něj neexistuje žádný rozumný výklad - kromě snad jediného, který vyplývá z hypotézy multivesmíru a antropického principu. Jsem jedním z těch, kteří by upřednostňovali jiný druh vysvětlení, ale dosud nebyl nalezen. Takhle to teď vypadá. “
Závěrem nemohu popřít potěšení citovat nedávný článek profesora Wittena (E. Witten, 2018. Symetrie a vznik), který bude podle mého názoru vynikajícím závěrem diskuse o přirozenosti teorií základní fyziky:
"Obecně řečeno, symetrie měřidla není nic jiného než vlastnost popisu fyzického systému." Význam souměrnosti měřidel v moderní fyzice spočívá v tom, že fyzikální procesy se řídí extrémně jemnými zákony, které jsou ze své podstaty „geometrické“. Je velmi obtížné přesně definovat tento koncept, ale v praxi to znamená, že přírodní zákony odolávají jakýmkoli nesporným pokusům najít pro ně výslovný výraz. Důvodem zavedení symetrie měřidla je obtížnost vyjádřit tyto zákony přirozenou a neredundantní formou. “
Arkady a Boris Strugatsky.
Takže tři lidé - tři názory. Na závěr - citát z příběhu bratrů Strugatských „Ošklivé labutě“(1967):
"Přirozené je vždy primitivní," pokračoval Bol-Kunats mimo jiné, "a člověk je složitá bytost, přirozenost mu nevyhovuje."
Odpovídá to teoriím základní fyziky? To je ta otázka.
Alexey Levin, PhD z filozofie