Что не так со Стандартной моделью и космологией

Что бы вы ни говорили, не заблуждайтесь: физика не умерла. Ни в одном значении этого слова.

Как бы далеко мы ни продвинулись в своих попытках понять окружающий нас мир и Вселенную, - а продвинулись мы впечатляюще далеко, - абсолютно нечестно притворяться, что мы разгадали и поняли окружающий нас мир в каком-то удовлетворительном смысле.

У нас есть две теории, которые невероятно хорошо работают: за все годы, что мы их проверяли, не нашлось ни одного наблюдения и ни одного экспериментального измерения, которые противоречили бы общей теории относительности Эйнштейна или предсказаниям Стандартной модели на основе квантовой теории поля.

Если вы хотите узнать, как работает гравитация или каково ее влияние на любой объект во Вселенной, общая теория относительности еще не подводила нас. От настольных экспериментов с атомными часами до небесной механики и гравитационного линзирования великой космической паутины, ее успех составляет 100%.

Аналогично, для любого мыслимого эксперимента по физике частиц или взаимодействия, опосредованного сильными, слабыми или электромагнитными силами, предсказания Стандартной модели всегда согласуются с результатами.

В своем поле общая теория относительности и Стандартная модель могут претендовать на звание наиболее успешной теории физики всех времен.

Но в основе обеих теорий лежит огромная фундаментальная проблема: они просто не работают вместе. Если вы хотите, чтобы ваша Вселенная была непротиворечивой, то такая ситуация просто невозможна. Вот базовое противоречие, лежащее в основе физики 21 века.

С одной стороны, общая теория относительности, наша теория гравитации, была радикальной концепцией, когда только появилась: настолько радикальной, что многие нападали на нее как с философских, так и с физических позиций. Так продолжалось в течение многих десятилетий.

• Может, пространство и время не являются абсолютными величинами? как они могут быть разными для каждого наблюдателя и зависеть от конкретных свойств того, кто их наблюдает?
• Как может гравитация не быть мгновенной между любыми двумя объектами, которые притягиваются? как может это взаимодействие распространяться только с конечной скоростью, равной скорости света?
• Как гравитация может воздействовать не только на массу, но и на все формы энергии, включая безмассовые объекты, такие, как свет?
• И наоборот, как могли все формы энергии, а не только масса, влиять на то, как все остальные объекты во Вселенной испытывают воздействие гравитации?
• И как во Вселенной может существовать геометрия, которая определяет движение объектов?

Как бы кто ни относился к новой картине, которую принесло с собой величайшее достижение Эйнштейна - общая теория относительности - поведение физических объектов не обманывает нас.

Основываясь на целом ряде экспериментов и наблюдений, ОТО оказалась удивительно успешным описанием Вселенной, преуспевая во всех экспериментах, которые мы смогли проверить. В то же время никакая другая альтернатива полноценно не работает.

ОТО говорит нам, что материя и энергия во Вселенной - в частности, плотность энергии, давление, плотность импульса и напряжение сдвига, присутствующие во всем пространстве-времени - определяют количество и тип кривизны пространства-времени, присутствующей во всех четырех измерениях: трех пространственных и времени.

В результате искривления пространства-времени все его сущности, включая (но не ограничиваясь) массивные и безмассовые частицы, движутся не обязательно по прямым линиям, а скорее, по геодезическим линиям: кратчайшим путям между любыми двумя точками, определяемыми искривленным пространством между ними, а не воображаемым плоским пространством.

Там, где пространственная кривизна велика, отклонения от прямолинейных путей велики, и скорость, с которой проходит время, также может значительно увеличиться.

Эксперименты и наблюдения в лабораториях, в нашей Солнечной системе, а также в галактических и космических масштабах - все это подтверждает предсказания общей теории относительности, что дает ей дополнительную поддержку.

Только такая картина Вселенной, по крайней мере, пока, подходит для описания гравитации. Пространство и время рассматриваются как непрерывные, а не дискретные сущности, и подобная геометрическая конструкция должна служить "фоновым" пространством, где форсируются все взаимодействия, включая гравитацию.

С другой стороны, существует Стандартная модель физики частиц. Первоначально сформулированная в предположении, что нейтрино являются безмассовыми сущностями, Стандартная модель основана на квантовой теории поля, где существуют:

• фермионные кванты (частицы), которые имеют заряды,
• бозонные кванты (также частицы), которые опосредуют силы между частицами с соответствующим зарядом,
• и (квантовый) вакуум пространства-времени, через который все кванты перемещаются и взаимодействуют.

Электромагнитная сила основана на электрических зарядах, поэтому все шесть кварков и три заряженных лептона (электрон, мюон и тау) испытывают действие электромагнитной силы, в то время как безмассовый фотон является всего лишь посредником.

Сильная ядерная сила основана на цветовых зарядах, а ими обладают только шесть кварков. Существует восемь безмассовых глюонов, выступающие посредниками сильных сил, и никакие другие частицы в них не участвуют.

Слабая ядерная сила, между тем, основана на слабом гиперзаряде и слабом изоспине, и все фермионы обладают хотя бы одним из них. Слабое взаимодействие опосредуется W- и Z-бозонами, причем W-бозоны также обладают электрическим зарядом, что означает, что они также испытывают электромагнитные силы (и могут обмениваться фотонами).

В квантовой физике существует правило, согласно которому все одинаковые квантовые состояния неотличимы друг от друга, и это позволяет им смешиваться друг с другом.

Смешение кварков ожидаемо и подтверждено, причем слабое взаимодействие определяет различные параметры смешения.

Когда мы узнали, что нейтрино массивны, а не безмассовы, как предполагалось изначально, мы поняли, что для нейтрино должно происходить такое же смешивание, также определяемое слабым взаимодействием. Этот набор взаимодействий - электромагнитные, слабые и сильные ядерные силы, действующие на частицы и имеющие соответствующие и необходимые заряды, - описывает все, что можно пожелать для предсказания поведения частиц в любых мыслимых условиях.

А условия, в которых мы их испытывали, необычайны. От экспериментов с космическими лучами до радиоактивного распада, от экспериментов с солнечной энергией до физики высоких энергий с использованием коллайдеров частиц.

Предсказания Стандартной модели согласуются со всеми экспериментами, которые когда-либо проводились. Открытие бозона Хиггса подтвердило гипотезу, что электромагнитная и слабая силы когда-то были объединены в электрослабую силу, что стало окончательной проверкой Стандартной модели.

За всю историю физики не было ни одного результата, который Стандартная модель не смогла бы объяснить.

Но есть одна загвоздка. Все расчеты Стандартной модели, которые мы проводим, основаны на частицах, существующих в "плоской" Вселенной, то есть они существуют в "плоском" пространстве-времени.

Проводимые расчеты основаны на предположении, что пространство-время именно плоское: предположение, которое, как мы знаем, технически неверно, но оно настолько полезно (потому что расчеты в искривленном пространстве гораздо сложнее) и настолько хорошо приближает условия, которые мы находим на Земле, что все равно делаем это приближение.

В конце концов, у нас есть метод, используемый в физике: мы моделируем систему как можно проще, чтобы уловить все значимые эффекты, которые определяют результат эксперимента или измерения.

Сказав: "Я провожу свои расчеты на основе физике высоких энергий в плоском пространстве-времени", а не в искривленном пространстве-времени, вы не получите ощутимо другого ответа, за исключением самых экстремальных условий.

Но во Вселенной существуют экстремальные условия: например, в пространстве вокруг черной дыры. Там использование плоского пространственного фона просто не годится, и мы вынуждены брать на себя непосильную задачу расчетов квантовой теории поля в искривленном пространстве.

Вас может удивить, что в принципе это не так уж и сложно. Все, что вам нужно сделать, - заменить плоский пространственно-временной на искривленный фон, описываемый общей теорией относительности.

В конце концов, если вы знаете, как искривлено ваше пространство-время, вы можете записать уравнения для фона, и если вы знаете, какие кванты/частицы у вас есть, вы можете записать остальные члены, описывающие взаимодействие между ними - в заданном пространстве-времени.

Остальное, хотя и довольно сложно на практике при большинстве обстоятельств, является просто вопросом вычислительной мощности.

Например, можно описать, как ведет себя квантовый вакуум внутри и снаружи горизонта событий черной дыры.

Поскольку вы находитесь в области, где пространственное время искривляется тем сильнее, чем ближе вы к сингулярности черной дыры, квантовый вакуум отличается вычислимым образом.

Разница в состоянии вакуума в разных областях пространства - особенно при наличии горизонта, космологического или событийного, - приводит к возникновению излучения и пар частица-античастица везде, где присутствуют квантовые поля.

Это и есть фундаментальная причина излучения Хокинга: причина того, что черные дыры в квантовой Вселенной принципиально нестабильны и в конечном итоге распадаются.

Однако это все, что мы можем сделать. Да, аставить Стандартную модель и общую относительность "играть в ладушки", но мы рассчитаем, как работают фундаментальные силы в сильно искривленных пространствах, которые находятся достаточно далеко от сингулярностей, например, в центрах черных дыр или - теоретически - в самом начале Вселенной, если предположить, что начало было.

Удивительная причина заключается в том, что гравитация воздействует на все виды материи и энергии. Все подвержено влиянию гравитации, включая, теоретически, любые типы частиц, которые в конечном итоге ответственны за гравитацию.

Учитывая, что свет, который является электромагнитной волной, состоит из отдельных квантов в форме фотонов, мы только предполагаем, что гравитационные волны состоят из квантов в форме гравитонов, отсутствующих в полной квантовой теории гравитации.

Но это именно то, что нам нужно. Это и есть недостающая часть: квантовая теория гравитации. Без нее мы не сможем понять или предсказать ни одно из квантовых свойств гравитации. И прежде чем вы скажете: "А что, если их не существует?", знайте, что это не даст последовательной картины реальности.

Например, рассмотрим самый "квантовый по своей сути" из всех квантовых экспериментов, которыq когда-либо проводилсz: эксперимент с двойной щелью.

Если вы посылаете одну квантовую частицу через аппарат и наблюдаете, через какую щель она проходит, то результат полностью определен, так как частица ведет себя как будто она должна была пройти через предполагаемую щель.

Если бы эта частица была электроном, вы могли бы определить, какими были ее электрическое и магнитное поля на протяжении всего пути. Вы также могли бы определить, каково было его гравитационное поле (или егj эквивалент в пространстве-времени) в каждый момент времени.

Но что? если вы не будете наблюдать, через какую щель он проходит?

Положение электрона неопределенно, пока он не попадет на экран, и только тогда вы сможете определить, "где" он находится.

На протяжении всего пути, даже после того, как вы произведете критическое измерение, его прошлая траектория не определена.

Благодаря силе квантовой теории поля (для электромагнетизма), мы можем определить, каким было его электрическое поле.

Но поскольку у нас нет квантовой теории гравитации, мы не можем определить его гравитационное поле или эффекты.

В этом смысле - а также в малых, богатых квантовыми флуктуациями масштабах или в сингулярностях, где классическая общая относительность дает только бессмысленные ответы - мы не понимаем гравитацию.

Работает в обе стороны: поскольку мы не понимаем гравитацию на квантовом уровне, это означает, что мы не вполне понимаем квантовый вакуум.

Свойства пустого пространства - это то, что можно измерить различными способами. Эффект Казимира, например, позволяет определить эффект электромагнитного взаимодействия через пустое пространство при различных условиях, - достаточно изменить конфигурацию проводников.

Расширение Вселенной, если мы измеряем его на протяжении всей нашей космической истории, показывает совокупный вклад всех сил в энергию нулевой точки пространства. То есть квантовый вакуум.

Но можем ли мы как-то количественно оценить квантовый вклад гравитации в квантовый вакуум?

Ни в коем случае. Мы не понимаем, как рассчитать поведение гравитации при высоких энергиях, на малых масштабах, вблизи сингулярностей, или когда квантовые частицы проявляют присущую им квантовую природу.

Точно так же мы не понимаем, как квантовое поле, лежащее в основе гравитации - если предположить, что оно существует - ведет себя вообще при любых обстоятельствах.

Вот почему попытки понять гравитацию на более фундаментальном уровне не должны быть оставлены, даже если все, что мы сейчас делаем, окажется неверным.

Нам удалось определить ключевую проблему, которую необходимо решить, чтобы вывести физику за пределы нынешних ограничений: огромное достижение, которое никогда не следует недооценивать.

Единственный вариант - продолжать попытки или сдаться. Даже если все наши попытки окажутся в конечном итоге тщетными, - мы боимся альтернативы.