Revoluțiile viitoare în fizica fundamentală
Ce avem astăzi
Până la sfârșitul secolului al XX-lea, am avut o teorie completă și foarte reușită a fizicii particulelor elementare, descriind trei dintre cele patru forțe fundamentale care acționează în natură - interacțiunile nucleare electromagnetice slabe și puternice și puternice. Înțelegerea noastră despre fizica particulelor elementare se bazează pe teoria câmpului cuantic, adică a teoriei cuantice-mecanice a câmpurilor locale.
După cum reiese din Modelul Standard al fizicii particulelor elementare, și anume teoria interacțiunii electro și cromodinamicii cuantice (QCD), teoria câmpului cuantic, în măsura în care putem judeca, în teorie descrie toate forțele observate în natură. Modelul standard este extrem de reușit și foarte bine testat. Sute de experimente, efectuate în principal pe acceleratoare, au permis să pătrundă în structura materiei pentru distanțe de până la 10 -18 centimetri. Și în toate aceste experimente teoria - modelul standard - funcționează foarte bine. Exactitatea verificării sale experimentale este neobișnuit de ridicată. În cazul electrodinamicii cuantice (QED), putem testa uneori predicții teoretice de până la 10 de unități de 10 - o realizare remarcabilă din punct de vedere al experimentului, cât și din punct de vedere al teoriei. În cazul unei teorii unificate a interacțiunii electro acuratețea testelor experimentale ale teoriei sunt uneori aproape de unul la 100 000. Chiar și în cazul unor interacțiuni puternice, avem acum precizia de verificare experimentală a QCD, cu o eroare de mai puțin de un procent, se apropie în unele experimente la o miime. Astfel, modelul standard este extrem de reușit. Mai mult decât atât, nu este de așteptat nici un motiv să credem că acest model nu funcționează până la o scară proporțională cu lungimea curelei (care începe să apară efecte cuantice de greutate), care este de aproximativ 10 -33 centimetri.
Finalizarea dezvoltării teoretice a modelului standard este una dintre cele mai mari realizări științifice naturale ale secolului al XX-lea. Am dezvoltat o teorie cuprinzătoare a tuturor forțelor non-gravitaționale care acționează în natură, lucrând în intervalul de distanțe, de la lungimea lui Planck până la mărimea universului, adică, diferind cu 60 de ordine de mărime! Se pare că totul merge bine ...
Cu toate acestea, modelul lasă deschis o parte semnificativă a întrebărilor, dintre care multe, deși rezultă din acesta, nu pot fi rezolvate, în opinia noastră, în cadrul teoriei câmpului cuantic. De exemplu, toate forțele care controlează fizica particulelor elementare sunt descrise în cadrul așa-numitei teorii a câmpului Yang-Mills. Și cum a meritat teoria Yang-Mills o poziție atât de specială? În cadrul teoriei câmpului cuantic, este posibil să ne imaginăm multe alte tipuri de interacțiuni de forță. De ce nu se manifestă? Apoi, în Modelul Standard, nu putem doar să luăm și să calculam intensitatea câmpurilor și acuzațiile tuturor forțelor. De exemplu, așa-numita constantă a structurii fine se calculează exclusiv prin măsurători. Nu avem nici o idee de ce este de aproximativ 1/137.
Apoi, în ceea ce privește structura constituenților fundamentali ai materiei - quarks și leptoni. Am descoperit trei (și de ce trei?) Familii de cuarci și leptoni cu mase și amestecuri foarte ciudate. Nu avem nicio explicație pentru o astfel de structură de mase și confuzii, sau, de altfel, nici măcar nu știm motivul existenței materiei.
Obținerea de răspunsuri la toate aceste întrebări este importantă nu numai pentru a ne satisface curiozitatea, ci și pentru că fără aceste răspunsuri nu vom înțelege sursa și începutul universului. Nu vedem cum putem obține răspunsuri la aceste întrebări, fie în cadrul modelului standard, fie în cadrul extensiilor simple ale modelului standard. Aceasta sugerează că, la distanțe foarte mici sau la energii ultrahighi, încep să funcționeze legi fizice fundamentale noi. Revenind la vremurile unui univers din ce în ce mai fierbinte și mai dens și a unei energii din ce în ce mai mari a particulelor, ne vom baza în mod inevitabil la punctul în care fizica, credem noi, va deveni diferită.
Depășind modelul standard
În ultimii treizeci de ani, imediat după finalizarea Modelului Standard, am încercat să obținem răspunsuri la aceste întrebări, dar fără mult succes. Se pare că nu putem obține un răspuns la aceste întrebări în cadrul modelului standard (și, de fapt, teoria câmpului ca atare). Pentru a încerca să depășim modelul standard și să răspundem la aceste întrebări, sunt necesare noi experimente la distanțe foarte mici și la energii ultrahigh. Cu toate acestea, acest lucru este atât dificil, cât și costisitor. În prezent, experimentele la energii mai mari de 1 TeV nu sunt disponibile pentru noi. Dar nimic nu împiedică teoreticienii să extrapoleze Modelul Standard la energii tot mai mari și să vadă ce va fi din el. La scurt timp după finalizarea Modelului Standard, teoreticienii au extrapolat interacțiunile forțelor la energii foarte mari.
La energii reduse, toate forțele se manifestă în moduri complet diferite. Interacțiunile puternice sunt extrem de intense, în timp ce interacțiunile slabe și electromagnetice se manifestă într-o măsură mult mai mică. Cu toate acestea, în teoria câmpului cuantic toate forțele depind de distanță. Interacțiunea electromagnetică slăbește odată cu creșterea distanței și, dimpotrivă, crește pe o distanță scurtă și la o energie înaltă. Interacțiunea puternică se comportă în sens invers - slăbește la energii mari și la distanțe scurte. Deci, la energii suficient de mari, poate fi egală cu intensitatea forțelor de interacțiune slabă și electromagnetică. Aproape 30 de ani în urmă sa constatat că, atunci când toate cele trei forțe sunt extrapolate, ele sunt egalizate ("converg") în regiunea limitelor ultrahigh-energetice. Aceasta a fost prima cheie a existenței unui alt prag fizic - la energii ultrahighice mult peste capabilitățile moderne de observare - în spatele căruia toate forțele de pe scara energetică se integrează în cadrul teoriei unificării.
Deja în acest an, în CERN (Geneva), va fi lansat un nou accelerator - Large Hadron Collider (Liderul de coliziune cu duritate mare, LHC). Ne așteptăm să deschidem la LHC fenomene fizice fundamentale noi. Descoperirea așa-numitului bozon Higgs, o particulă care apare în cadrul modelului standard, este cu siguranță așteptată. Dar cea mai interesantă perspectivă a LHC este descoperirea supersimetriei.
Supersimetria este un concept teoretic uimitor. Potrivit acesteia, fiecare particulă are un "superpartner" - "superparticul" corespunzător. Quark corespunde superpartner numit "Squarks" electron - un partener cu zero, de spin intitulat "Selectron" foton (cuantă lumina) - partener fermion cu centrifugare 1/2 intitulat "photino" gravitonului (interacțiunea gravitațională transportorului cu spin-2) - partener cu un spin 3/2 numit "gravitino". În general, fiecare particulă pe care o observăm ar trebui să aibă un super-partener. Până în prezent nu am observat particule de superpartner.
Supersimetria are multe proprietăți frumoase. Se uneste prin fermionul principiului simetriei (adică constituenți ai elementelor primare ale materiei) și bosoni (adică, quanta interacțiunilor forțelor). Cu toate acestea, supersimetria este, de asemenea, un instrument foarte util din punctul de vedere al studierii fenomenologiei particulelor elementare. Este capabil să dea un răspuns la întrebarea, de ce amploarea asociației este atât de mare. În ultimii douăzeci de ani, am efectuat măsurători mai exacte ale forțelor care acționează în cadrul Modelului Standard și calcule mai precise și mai precise ale modificărilor lor în funcție de energia interacțiunilor. Sa dovedit că, fără supersimetrie, calculele nu se potrivesc împreună. Cu toate acestea, dacă luăm pur și simplu Modelul Standard și introducem în el o supersimetrie minimă și apoi presupunem că este încălcat cu energii de ordinul 1 TeV, atunci totul se va converge ideal.
Și acesta este un argument foarte puternic în favoarea existenței supersimetriei în natură și a posibilității de ao deschide LHC.
Extracerile mai precise ale acestui tip ne ajută să găsim o idee despre unde și la ce energie se închid forțele. Este chiar mai mare - cam 10 18 GeV, adică 10 14 ori mai mare decât energia pe care o va dezvolta LHC. Aceasta pune fizica particulelor elementare în fața unei probleme serioase. Cum de a explora energia de această magnitudine și de a descoperi noi fenomene fizice? Sunt teoreticieni capabili în principiu să extrapoleze modelul la atât de multe ordine de mărime?
Pot extrapola la lungimea lui Planck?
Este posibil să ne imaginăm descoperirea unei noi fizici care este responsabilă pentru unirea tuturor forțelor dacă scara energetică naturală este atât de departe de posibilitățile cercetării experimentale directe? Unul dintre motivele care ne permite să ne bazăm pe această posibilitate este că avem o bază foarte solidă - modelul standard. Schimbarea acestei teorii nu este ușoară. Este, de asemenea, dificil să construim o nouă teorie alternativă care să ne permită să unim toate forțele la energii înalte și, în același timp, să nu contrazicăm toate datele experimentale acumulate la energii joase. Așadar, avem o poziție bună de plecare, limitându-ne sever în încercarea de a modifica modelul standard.
Un alt motiv pentru care putem conta pe unificarea reușită a tuturor interacțiunilor forțelor este o sugestie directă privind includerea gravității în noua teorie fizică a unificării. Energia de unificare în 1018 GeV este foarte aproape de energia transformării gravitației într-o interacțiune puternică. La energii reduse, gravitatea se referă la categoria interacțiunilor foarte slabe. Putem neglija gravitatea în fizica atomică obișnuită și în fizica particulelor elementare cu consum redus de energie. Dar forța de atracție gravitațională este legată de masa, care, la rândul ei, este echivalentă cu energia. Prin urmare, forța de atracție gravitațională crește proporțional cu pătratul energiei și aliniate rapid și combinate cu toate celelalte forțe (care depind de energia logaritmic) la atingerea scara energiei Planck de ordinul 1019 GeV. Aceasta este o cheie foarte importantă, deoarece indică faptul că marea unificare a tuturor forțelor naturii trebuie să se extindă la gravitate. Deoarece este foarte dificil de a construi o teorie, inclusiv toate forțele, inclusiv gravitatea, și, în același timp, adecvat pentru cunoștințele noastre despre fenomenele observate la energii joase, teoreticienii ar putea avea o șansă de a înțelege ce se întâmplă acolo, și fără măsurători experimentale directe la scara Planck.
Faptul că, pe o scară de uniune, trebuie să ținem seama de gravitate este o cheie foarte importantă, deoarece ne obligă să depășim modelul câmpului cuantic. După cum se știe, toate încercările de cuantizare directă a teoriei lui Einstein nu duc nicăieri. Au început să fie îndoieli cu privire la coerența reciprocă dintre mecanica cuantică și teoria generală a relativității. Ca o alternativă, se sugerează că teoria lui Einstein nu este decât o teorie gravă a eficacității, dar nu definitivă și completă. Da, descrie gravitatea, dar numai la distanțe mult mai mari decât lungimea lui Planck. Dacă faci fizică pe scara planului Planck, ai nevoie de o nouă teorie, fundamental diferită de teoria câmpului cuantic. Singurul, în opinia mea, candidat funcțional pentru acest rol este teoria strungurilor.
Speranțe asociate cu teoria corzilor
String teoria promite mult în viitor. Speră să unească în cele din urmă toate forțele naturii, să dezvolte noi concepte de spațiu și timp, să rezolve puzzle-uri importante de gravitate cuantică și cosmologie. Acestea sunt obiective ambițioase, iar implementarea acestora poate dura mult timp. Va trece o revoluție în noțiunea noastră de spațiu și timp. Între timp, teoria corzilor continuă să ne aprofundeze penetrarea în teoria convențională Yang-Mills. De asemenea, a condus la multe descoperiri în matematică, la crearea unor noi structuri, metode și idei pe care matematicienii nu le-au crezut anterior. Astăzi, matematicienii și teoreticienii de șir realizează cercetări comune în multe domenii ale matematicii, de exemplu în geometria algebrică.
Teoria corzilor a motivat și noi idei speculative care au stimulat noi experimente. Una dintre cele mai interesante este legată de dimensiuni spațiale foarte mari. Singura modalitate de a vedea sau de a simți alte dimensiuni spațiale este prin fluctuațiile gravitaționale ale "extraspațiului". Este de remarcat că astfel de speculații nu contravin experimentului modern. Mulți oameni nu exclud posibilitatea ca noi experimente, de exemplu, pe LHC, să conducă la descoperirea acestor dimensiuni suplimentare macroscopice. Existența unor măsurători suplimentare suplimentare ar conduce la efecte foarte interesante. Conform unor scenarii, amploarea și scara Planck a teoriei corzilor sunt la energii mult mai mici, iar apoi vă puteți imagina, de exemplu, formarea unei găuri negre ca urmare a unor coliziuni de protoni.
Teoria corzilor oferă și alte scenarii fenomenologice. Unul dintre cele mai interesante este că universul este umplut cu șiruri cosmice de dimensiuni intergalactice sau chiar universale. De obicei corzile sunt extrem de mici - lungimea lor este comparabilă cu cea a lui Planck. Pentru a le extinde la dimensiuni macroscopice, era nevoie de energie colosală. Dar, conform teoriei inflației, care pare să descrie în mod adecvat cosmologia, întregul univers observat astăzi a apărut ca urmare a inflației unei mici arii de spațiu de ordinul lungimii lui Planck. Astfel, la începutul universului, dimensiunile șirurilor și regiunea spațiului care s-au umflat până în universul vizibil au fost egale. Pe măsură ce zona a fost umflată, șirurile s-au întins. Expansiunea universului a furnizat energia necesară pentru întinderea șirurilor, iar acum ei pot avea o lungime în întregul univers.
dimensiuni Cu toate acestea, macroscopice și noi, și șiruri cosmice - ipoteză prea speculativă din punct de vedere al teoriei moderne șir. Noi cu siguranță nu se poate spune că probabilitatea de a confirma orice mare. Cu toate acestea, ele oferă un stimulent important pentru a experimenta pentru a găsi noi efecte ale LHC-ului și detectoarele gravitaționale val și punctul de la intangibilitatea viitorului apropiat (deși personal cred că este foarte puțin probabil) observarea directă a efectelor funiilor din laboratoarele sau observatoarelor.
... Deci, cât de repede se va împlini promisiunea teoriei corzilor? Cu șase ani în urmă m-am uitat la viitor mai puțin optimist și de obicei mi-am spus că succesul teoriei corzilor ar trebui să aștepte până în următorul mileniu. Astăzi sunt mai optimist: cred că se va întoarce în acest mileniu.