Spesialis di bidang fisika fundamental (dan sekarang, menurut definisi, teori partikel elementer, astrofisika relativistik, dan kosmologi) sering membandingkan keadaan sains mereka dengan situasi di akhir abad ke-19. Fisika masa itu yang bertumpu pada mekanika Newton, teori Maxwellian bidang elektromagnetik, termodinamika dan mekanika statistika Boltzmann-Gibbs berhasil menjelaskan hampir semua hasil eksperimen. Benar, ada juga kesalahpahaman - hasil nol dari eksperimen Michelson-Morley, tidak adanya penjelasan teoretis tentang spektrum radiasi benda hitam, ketidakstabilan materi, memanifestasikan dirinya dalam fenomena radioaktivitas. Namun, jumlahnya sedikit, dan mereka tidak menghancurkan harapan untuk jaminan kemenangan dari ide-ide ilmiah yang terbentuk - setidaknya,dari sudut pandang mayoritas mutlak ilmuwan terkemuka. Hampir tidak ada yang mengharapkan batasan radikal dari penerapan paradigma klasik dan kemunculan fisika baru yang fundamental. Namun dia lahir - dan hanya dalam tiga dekade. Demi keadilan, perlu dicatat bahwa fisika klasik sejak itu telah mengembangkan kemampuannya sedemikian rupa sehingga pencapaiannya akan tampak asing bagi raksasa masa lalu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tapi itu cerita yang sama sekali berbeda.bahwa prestasinya akan tampak asing bagi para raksasa zaman dulu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tapi itu cerita yang sama sekali berbeda.bahwa prestasinya akan tampak asing bagi para raksasa di masa lalu seperti Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin dan Lorenz. Tapi itu cerita yang sama sekali berbeda.
Pembahasan mendetail tentang kesulitan fisika fundamental modern akan memakan terlalu banyak ruang dan berada di luar maksud saya. Oleh karena itu, saya akan membatasi diri pada beberapa kelemahan terkenal dari teori dunia mikro yang paling sukses dan universal - Model Standar partikel elementer. Ini menjelaskan dua dari tiga interaksi fundamental - kuat dan elektro lemah, tetapi tidak mempengaruhi gravitasi. Teori yang benar-benar hebat ini memungkinkan untuk memahami banyak fenomena menggunakan prinsip invariansi pengukur. Namun, dia tidak menjelaskan keberadaan massa di neutrino dan tidak mengungkapkan dinamika pemutusan simetri spontan dari interaksi elektroweak, yang bertanggung jawab atas munculnya massa karena mekanisme Higgs. Itu tidak memungkinkan untuk memprediksi sifat dan sifat partikel yang dapat dianggap kandidat untuk peran pembawa materi gelap. Model Standar juga belum mampu membangun hubungan yang tidak ambigu dengan teori inflasi yang merupakan inti dari kosmologi modern. Dan, akhirnya, dia tidak mengklarifikasi jalan untuk membangun teori gravitasi kuantum, terlepas dari upaya para ahli teori yang benar-benar besar.
Saya tidak menganggap bahwa contoh-contoh yang diberikan (dan ada juga yang lain) memungkinkan untuk menilai transisi fisika fundamental ke keadaan tidak stabil, sarat dengan revolusi ilmiah baru. Ada beberapa pendapat berbeda tentang ini. Saya tertarik dengan pertanyaan yang tidak begitu mendunia, tapi tidak kalah menarik. Banyak publikasi kontemporer mempertanyakan penerapan kriteria kealamian konsep teoretis, yang telah lama dianggap sebagai prinsip panduan yang andal dan efektif dalam pembangunan model mikrokosmos (lihat, misalnya, GF Giuduce, 2017. Fajar Era Pasca Kealamian). Benarkah, apa kealamian teori fisika dan apa yang bisa menggantikannya? Sebagai permulaan, saya membicarakan hal ini dengan Sergei Troitsky, Kepala Peneliti di Institut Penelitian Nuklir, Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia.
Sergey Vadimovich Troitsky, Anggota Terkait Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia, Peneliti Terkemuka di Institut Penelitian Nuklir Akademi Ilmu Pengetahuan Rusia. Foto dari prof-ras.ru
Sergei, pertama, mari kita sepakati hal utama. Bagaimana Anda menilai keadaan fisika fundamental saat ini? Menurut terminologi terkenal Thomas Kuhn, apakah sains itu normal, sains dalam fase pra-krisis atau hanya dalam krisis?
ST: Anda mengklasifikasikan kosmologi sebagai fisika fundamental. Ini cukup masuk akal, tetapi saya bukan ahli di dalamnya, dan oleh karena itu saya akan menahan diri dari evaluasi. Tetapi jika kita berbicara tentang fisika energi tinggi dan Model Standar partikel elementer sebagai landasan teoretisnya, maka di bidang ini, sebenarnya, semuanya sangat rumit. Selama bertahun-tahun, Large Hadron Collider (LHC) telah bekerja di CERN dan memberikan hasil. Berkat dia, situasi dalam fisika partikel menjadi, di satu sisi, sangat membosankan, dan di sisi lain - sangat menarik. Saya sering ingat bahwa tidak lama sebelum peluncuran LHC, seorang fisikawan teoretis yang sangat dihormati meramalkan bahwa sekarang jalan pilar yang lebar akan terbuka dalam sains kita, yang dengan cepat akan mengarah pada penemuan-penemuan besar. Dia percaya bahwa secara harfiah pada jam-jam pertama operasi penumbuk, atau, paling lambat, dalam satu tahun, mitra partikel yang sudah dikenal akan diidentifikasi,lama diprediksi oleh teori supersimetri. Mereka dianggap sebelumnya sebagai partikel materi gelap yang telah lama ditunggu yang dapat dipelajari selama bertahun-tahun. Itulah prospek besar bagi ilmu pengetahuan kita.
Dan apa yang terjadi dalam praktik? Tidak ada mitra super, dan tidak, dan peluang untuk membukanya di masa depan sangat redup. Enam tahun lalu, Higgs boson ditangkap di LHC, dan menjadi sensasi di seluruh dunia. Tapi bagaimana Anda bisa mengevaluasinya? Saya akan mengatakan bahwa ini, dalam arti tertentu, pencapaian LHC yang paling mengerikan, karena Higgs telah diprediksi sejak lama. Semuanya akan jauh lebih menarik jika tidak memungkinkan untuk membukanya. Dan sekarang ternyata kita tidak memiliki apa-apa selain Model Standar, meskipun telah dikonfirmasi dengan baik dalam eksperimen. Mukjizat belum terjadi, penemuan yang berada di luar lingkup Model Standar belum dibuat. Dalam pengertian ini, situasinya memang sebelum krisis, karena kita tahu pasti bahwa Model Standar tidak lengkap. Anda telah mencatat ini di bagian pendahuluan percakapan kita.
Ketika dua proton bertabrakan (tidak diperlihatkan pada gambar), dua quark (Quark) akan terbentuk, yang bila digabungkan, membentuk W-boson (Weak vector boson) - sebuah partikel yang membawa interaksi yang lemah. Boson W memancarkan Higgs boson, yang meluruh menjadi dua b quark (Kuark bawah). Gambar dari artikel: B. Tuchming, 2018. Peluruhan Higgs boson yang sudah lama dicari.
Video promosi:
Kalau begitu ayo melangkah lebih jauh. Seberapa pentingkah prinsip kealamian dalam teori partikel, dan apa itu? Ini bukan penghargaan sederhana untuk akal sehat, bukan?
ST: Saya melihatnya sebagai semacam kriteria estetika, tapi klarifikasi diperlukan disini. Model standar memiliki tiga komponen. Pertama, ini adalah daftar partikel yang dikandungnya. Semuanya telah ditemukan, Higgs boson adalah yang terakhir. Kedua, ada sekelompok interaksi yang dia gambarkan. Tetapi ada juga bagian ketiga - satu set parameter gratis. Ini adalah sembilan belas angka yang hanya dapat ditentukan secara eksperimental, karena mereka tidak dihitung dalam kerangka model itu sendiri (lihat S. V. Troitsky, 2012. Masalah yang Tidak Terpecahkan pada Fisika Partikel Dasar).
Dan di sinilah kesulitan muncul. Pertama-tama, ada terlalu banyak parameter ini. Sembilan belas adalah angka aneh yang sepertinya tidak mengikuti dari mana pun. Selain itu, artinya terlalu berbeda dan oleh karena itu sulit untuk dijelaskan. Misalkan jumlah parameter bebas mencakup massa lepton - elektron, partikel muon dan tau. Muon sekitar dua ratus kali lebih berat dari elektron, dan tau hampir dua puluh kali lebih masif dari muon. Ini sama dengan quark - massa mereka berbeda berdasarkan urutan besarnya, dan yang lainnya sama.
Massa semua partikel Model Standar tersebar dalam kisaran yang sangat luas. Dalam Model Standar, hierarki massa ini tidak dijelaskan dengan memuaskan. Gambar dari bagian Kesulitan dari Model Standar proyek Igor Ivanov dari Large Hadron Collider.
Contoh lainnya adalah nilai parameter tanpa dimensi, yang mencirikan pelanggaran invarian CP dalam interaksi yang kuat. Nilai pastinya tidak diketahui, tetapi eksperimen menunjukkan bahwa dalam kasus apa pun nilainya kurang dari 10-9. Sekali lagi, ini aneh. Secara umum, parameter gratis Model Standar sangat bervariasi dalam besaran dan terlihat hampir acak.
Salah satu metode registrasi eksperimental sumbu. Gambar dengan warna biru menunjukkan perkiraan fluks sumbu yang dipancarkan Matahari, yang kemudian diubah di medan magnet bumi (merah) menjadi sinar-X (oranye). Sinar-sinar ini dapat dideteksi oleh teleskop sinar-X ruang angkasa XMM-Newton. Masih belum diketahui di mana harus mencari sumbu: mereka dapat berupa partikel materi gelap atau memanifestasikan dirinya dalam evolusi bintang.
Jadi, ada terlalu banyak parameter gratis dari Model Standar, nilainya terlihat tidak termotivasi dan tersebar secara berlebihan. Tapi apa hubungan kealamian dengan itu?
S. T.: Dan kami baru saja mendekatinya. Dalam fisika partikel elementer, prinsip kealamian model teoritis memiliki arti yang sangat spesifik. Ini mensyaratkan bahwa semua parameter bebas tanpa dimensi sama dengan nol, atau tidak terlalu berbeda dari satu dalam urutan besarnya - katakanlah, dalam kisaran dari seperseribu hingga seribu. Parameter Model Standar jelas tidak memenuhi kriteria ini. Tetapi ada juga kondisi tambahan, yang dirumuskan pada tahun 1980 oleh fisikawan teoretis Belanda yang luar biasa Gerard 't Hooft, salah satu pencipta Model Standar. Dia mendalilkan bahwa nilai yang sangat kecil dari setiap parameter bebas menerima penjelasan alami hanya jika pemusatan cahaya yang ketat mengarah pada munculnya simetri tambahan, yang dipatuhi oleh persamaan teori. Menurut 't Hooft,"Kedekatan" dari simetri seperti itu berfungsi sebagai semacam perisai yang melindungi kelangkaan parameter ini dari koreksi besar karena proses kuantum yang melibatkan partikel virtual. Ketika saya masih mahasiswa dan mahasiswa pascasarjana, semua ilmu pengetahuan kita berkembang pesat dengan postulat ini. Namun ini masih merupakan pelemahan prinsip kealamian, yang sedang kita bahas.
Gerard 't Hooft, fisikawan teoretis Belanda, salah satu pendiri Standard Model. Foto dari situs sureshemre.wordpress.com
Apa yang terjadi jika Anda melampaui Model Standar?
ST: Di sini juga muncul masalah kealamian, meskipun jenisnya berbeda. Parameter dimensi terpenting dari Model Standar adalah rata-rata vakum dari medan Higgs. Ini menentukan skala energi interaksi elektroweak, dan massa partikel bergantung padanya. Di luar Model Standar, hanya ada satu parameter yang sama fundamental dari dimensi yang sama. Ini, tentu saja, adalah massa Planck, yang menetapkan skala energi untuk efek kuantum yang terkait dengan gravitasi. Medan Higgs berukuran sekitar 250 GeV, yang dua kali massa boson Higgs. Massa Planck kira-kira 1019 GeV. Jadi perbandingannya bisa berupa angka yang sangat kecil atau angka raksasa, tergantung pada apa yang harus dimasukkan ke dalam pembilang dan apa yang ada di penyebutnya. Faktanya, skala menarik lainnya di luar Model Standar sedang dibahas,tetapi mereka juga jauh lebih besar dari medan Higgs. Jadi di sini juga kita berurusan dengan keanehan yang jelas, dengan kata lain, kurangnya kealamian.
Jadi, mungkin lebih baik menganggap prinsip tersebut sebagai peninggalan alami ilmu pengetahuan abad kedua puluh dan meninggalkannya sama sekali? Bukan tanpa alasan bahwa beberapa ilmuwan berbicara tentang permulaan era postnatural
ST: Yah, bahkan penolakan sama sekali tidak akan menyelesaikan semua masalah kita. Seperti yang saya katakan, prinsip kealamian adalah sesuatu dari bidang estetika. Tetapi ada juga masalah eksperimental yang tidak akan kemana-mana. Katakanlah sekarang diketahui dengan pasti bahwa neutrino memiliki massa, sedangkan kesimetrian Model Standar mengharuskannya benar-benar nol. Hal yang sama terjadi pada materi gelap - tidak ada dalam Model Standar, tetapi dalam kehidupan, tampaknya, begitu. Ada kemungkinan bahwa jika kesulitan eksperimental dapat diselesaikan secara wajar, maka tidak ada yang harus ditinggalkan. Tetapi, saya ulangi, seluruh kompleks masalah ini cukup nyata dan menunjukkan sifat krisis dari situasi saat ini dalam fisika fundamental. Mungkin jalan keluar dari krisis ini adalah revolusi ilmiah dan perubahan paradigma yang ada.
Sergey, apa arti prinsip kealamian bagi Anda secara pribadi? Bahkan mungkin secara emosional?
ST: Bagi saya, ini adalah, dalam arti tertentu, prinsip komputabilitas. Bisakah kita tidak hanya mengambil dari percobaan, tetapi menghitung semua 19 parameter ini? Atau setidaknya menguranginya menjadi satu-satunya parameter yang benar-benar gratis? Itu akan baik-baik saja untukku. Namun sejauh ini kemungkinan tersebut tidak terlihat. Ngomong-ngomong, pada suatu waktu banyak yang berharap bahwa kesulitan utama Model Standar dapat diselesaikan berdasarkan konsep supersimetri. Namun, bahkan generalisasi supersimetrik minimal dari Model Standar berisi sebanyak 105 parameter gratis. Ini sudah sangat buruk.
Tetapi untuk perhitungan seperti itu, Anda perlu mengandalkan sesuatu. Seperti kata pepatah, Anda tidak berasumsi apa-apa - Anda tidak akan mendapatkan apa pun
S. T.: Itulah intinya. Idealnya, saya ingin memiliki teori terpadu yang komprehensif, yang, setidaknya secara prinsip, akan memungkinkan semua perhitungan yang diperlukan dilakukan. Tapi di mana mendapatkannya? Selama bertahun-tahun, teori string telah diajukan sebagai kandidat untuk landasan universal semacam itu. Itu telah dibuat selama hampir 50 tahun, usia yang cukup terhormat. Mungkin ini adalah konstruksi teoritis yang luar biasa, tetapi ini belum terjadi sebagai teori yang bersatu. Tentu saja, tidak ada yang dilarang berharap hal ini terjadi. Namun, dalam sejarah fisika, jarang terjadi teori yang berkembang selama setengah abad tentang janji-janji kesuksesan di masa depan, dan kemudian secara tiba-tiba dan sebenarnya menjelaskan segalanya. Bagaimanapun, saya meragukannya.
Benar, di sini ada kehalusan tertentu dari teori string, yang menyiratkan keberadaan sekitar 10500 vakum dengan hukum fisika yang berbeda. Secara kiasan, setiap vakum harus memiliki Model Standar sendiri dengan parameter bebasnya sendiri. Banyak penganut prinsip antropik berpendapat bahwa himpunan kita sendiri tidak memerlukan penjelasan, karena di dunia dengan fisika yang berbeda tidak mungkin ada kehidupan dan, karenanya, sains. Dari sudut pandang logika murni, interpretasi seperti itu dapat diterima, dengan pengecualian bahwa parameter θ tidak dapat diturunkan dari prinsip antropik. Parameter ini mungkin saja lebih dari itu - dari sini kemungkinan munculnya kehidupan berakal di planet kita tidak akan berkurang. Tetapi prinsip antropis hanya mengumumkan kemungkinan keberadaan dari sekumpulan dunia yang hampir tak terbatas dan sebenarnya terbatas pada ini. Itu tidak dapat disangkal - atau, untuk menggunakan terminologi, dipalsukan. Ini bukan lagi ilmu pengetahuan, setidaknya menurut pemahaman saya. Bagi saya, keliru jika mengabaikan prinsip falsifiabilitas pengetahuan ilmiah demi teori yang nyatanya tidak bisa menjelaskan apa pun.
Saya tidak bisa tidak setuju. Tapi mari kita melangkah lebih jauh. Bagaimana Anda bisa keluar dari krisis - atau, jika Anda mau, keluar dari pra-krisis fisika fundamental? Siapa yang menguasai bola sekarang - ahli teori atau eksperimen?
S. T.: Secara logika, bola harus berada di sisi para ahli teori. Ada data eksperimental yang dapat diandalkan tentang massa neutrino, dan ada pengamatan para astronom yang mengkonfirmasi keberadaan materi gelap. Tampaknya tugas itu jelas - untuk menghasilkan dasar-dasar pendekatan teoretis baru dan membangun model khusus yang memungkinkan verifikasi eksperimental. Namun sejauh ini upaya seperti itu tidak membuahkan hasil.
Sekali lagi, tidak jelas apa yang diharapkan dari Large Hadron Collider setelah modernisasi yang direncanakan. Tentu saja, banyak data yang akan diterima di mesin ini, dan bahkan sekarang, jauh dari semua informasi yang dikumpulkan oleh detektornya telah diproses. Misalnya, terdapat bukti bahwa elektron dan muon tidak sepenuhnya identik dalam interaksinya. Ini akan menjadi penemuan yang sangat serius, mungkin menjelaskan perbedaan massa mereka. Tapi bukti ini masih lemah, Anda bisa mempercayai mereka, atau Anda tidak bisa mempercayai mereka. Pertanyaan ini kemungkinan besar akan terselesaikan dalam percobaan berikutnya di LHC. Namun, perlu diingat bahwa tim fisikawan eksperimental yang mengerjakannya memiliki lebih dari satu kali petunjuk yang dilaporkan tentang penemuan besar di luar Model Standar, dan kemudian pengumuman ini dibantah.
Apa yang tersisa? Seseorang dapat berharap untuk akselerator super, yang akan dibangun suatu hari nanti, tetapi dengan mereka semuanya masih belum jelas - setidaknya untuk perspektif 10-20 tahun. Jadi bola benar-benar ada di pihak astrofisikawan. Sebuah terobosan yang benar-benar radikal dapat diharapkan dari ilmu ini.
Kenapa?
ST: Intinya adalah tidak mungkin menemukan partikel baru yang terlibat dalam interaksi yang kuat. Oleh karena itu, kita perlu mencari partikel yang berinteraksi lemah, yang tidak ada dalam Model Standar. Jika interaksi mereka lemah, maka mereka jarang berinteraksi, dan manifestasi interaksi tersebut perlu menunggu lama. Kita tidak bisa menunggu lama untuk eksperimen akselerator. Tetapi Alam Semesta telah menunggu selama hampir 14 miliar tahun, dan efek dari interaksi yang sangat langka pun dapat terakumulasi selama ini. Ada kemungkinan bahwa efek seperti itu akan ditemukan oleh ahli astrofisika. Dan sudah ada contohnya - bagaimanapun juga, adanya osilasi neutrino, yang menunjukkan massa partikel yang bukan nol, ditemukan dalam studi tentang neutrino matahari. Harapan ini semakin dibenarkan,bahwa basis pengamatan astronomi dan astrofisika terus berkembang karena teleskop antariksa dan darat baru serta peralatan lainnya. Misalnya, setahun setelah gelombang gravitasi pertama kali didaftarkan, terbukti bahwa gelombang tersebut merambat dengan kecepatan yang sama dengan radiasi elektromagnetik. Ini adalah hasil yang sangat penting yang berbicara banyak bagi para ahli teori.
Ceramah oleh Sergei Troitsky "Alam Semesta sebagai Laboratorium Fisika Partikel", disampaikan pada 8 Oktober 2017 di Universitas Negeri Moskow. M. V. Lomonosov di Festival Sains:
Sergei, karena Anda menyebut ruang angkasa, mari kita ingat Johannes Kepler. Pada tahun 1596, ia memperhatikan bahwa jari-jari rata-rata orbit planet dari Merkurius ke Saturnus, dihitung oleh Copernicus, adalah 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. Jarak antara Mars dan Yupiter menurut Kepler terlalu jauh, dan karenanya tidak wajar. Dia berasumsi ada planet yang belum diketahui, dan pada akhirnya benar. Pada Malam Tahun Baru 1801, Giuseppe Piazzi menemukan Ceres di zona ini, yang sekarang dikenal sebagai planet kerdil. Tentu saja, sekarang kita tahu bahwa tidak ada satu planet, tetapi seluruh sabuk asteroid. Kepler tidak tahu tentang dia, tapi saya pikir dia tidak akan terlalu terkejut. Secara umum, berdasarkan kriteria kealamian, prediksi yang sangat spesifik dibuat, yang mula-mula dibenarkan secara harfiah, dan kemudian, jika Anda mau, dengan penuh minat. Apakah sesuatu yang serupa mungkin terjadi dalam fisika fundamental dewasa ini?
S. T.: Ini tidak dikecualikan. Jika kita menerapkan kriteria kealamian untuk menjelaskan hierarki massa fermionik, maka kesimetrian baru hampir pasti akan muncul. Sebenarnya, hingga saat ini, berbagai kandidat telah diusulkan untuk peran ini, tetapi semuanya tidak memuaskan kami. Jika simetri seperti itu dapat ditemukan, itu bisa membawa kita ke partikel yang belum diketahui. Benar, memprediksi mereka secara langsung, seperti Kepler, tidak akan berhasil, tetapi kita akan mempelajari sesuatu yang berguna. Namun, ada kemungkinan bahwa dalam kasus ini juga, instruksi yang berguna akan agak kabur, dengan serangkaian opsi yang sangat besar. Misalnya, sumbu diprediksi hanya berdasarkan kesimetrian baru yang dikemukakan oleh Peccei dan Quinn. Namun, mekanisme ini memungkinkan kebebasan yang sangat besar dalam pemilihan parameter, dan oleh karena itu kami tidak memiliki indikasi di mana harus mencari axion. Ini bisa menjadi partikel materi gelapatau dapat memanifestasikan dirinya dalam evolusi bintang atau di tempat lain - kita tidak tahu.
Nah, waktu akan menjawabnya. Dan terima kasih banyak atas percakapannya
Saya juga berbicara dengan Gia Dvali, profesor fisika di Universitas New York dan Munich dan wakil direktur Institut Fisika Max Planck (ngomong-ngomong, pusat penelitian terkenal ini didirikan pada tahun 1914 sebagai Institut Fisika Kaiser Wilhelm, dan direktur pertamanya adalah Albert Einstein). Tentu, kami membicarakan topik yang sama.
Georgiy Dvali, profesor fisika di Pusat Kosmologi dan Fisika Partikel di Universitas New York dan Universitas Ludwig-Maximilian di Munich, direktur Institut Fisika Max Planck di Munich. Foto dari situs astronet.ge
Guia, bagaimana Anda menafsirkan masalah kealamian Model Standar?
GD: Secara umum, saya bisa mengulangi apa yang dikatakan Sergei. Persamaan Model Standar mencakup sekumpulan parameter gratis yang tidak dapat diprediksi. Nilai numerik dari parameter ini sangat berbeda satu sama lain, bahkan jika kita berbicara tentang objek yang tampaknya serupa. Ambil, katakanlah, sebuah neutrino, sebuah elektron, dan sebuah quark. Semuanya adalah fermion, tetapi massa neutrino, kemungkinan besar, tidak melebihi sebagian kecil dari volt elektron, massa elektron kira-kira sama dengan lima ratus ribu elektron-volt, dan massa t-quark adalah 175 GeV - 175 miliar elektron-volt. Perbedaan semacam itu memang tampak tidak wajar.
Tapi ini hanya sisi luarnya. Untuk lebih memahami semuanya, perlu memperhitungkan sensitivitas ultraviolet dari parameter ini. Kita berbicara tentang ketergantungan mereka pada peningkatan skala energi - atau, yang sama, pada penurunan skala spasial. Katakanlah kita pertama kali mengukur massa elektron di laboratorium, lalu kita melihat apa yang terjadi pada jarak Planck. Dengan pendekatan ini, parameter dibagi menjadi beberapa kelompok. Sensitivitas ultraviolet maksimum ditunjukkan oleh kerapatan energi dari ruang hampa fisik. Di wilayah Planck, itu sebanding dengan derajat keempat dari perubahan skala. Jika massa Planck digandakan, nilai energi vakum akan meningkat 16 kali lipat. Untuk massa Higgs boson, ketergantungan ini tidak terlalu besar: bukan tingkat keempat, tetapi hanya tingkat kedua. Massa fermion berubah sangat lemah - hanya menurut hukum logaritmik. Akhirnya, parameter θ secara praktis tidak memperhatikan perubahan dalam skala Planck. Meskipun kepekaannya tidak nol, itu sangat kecil sehingga dapat diabaikan.
Apa artinya penyebaran ini dalam derajat kepekaan parameter bebas Model Standar? Berbagai opsi dimungkinkan di sini. Sebagai contoh, seseorang dapat berasumsi bahwa massa Higgs boson sama sekali tidak pantas berstatus besaran fundamental. Asumsi ini secara otomatis meluas ke massa partikel, yang bergantung pada massa Higgs. Kemudian penyebaran nilainya tidak akan lebih aneh dari, misalnya, perbedaan ukuran molekul dan galaksi. Tidak satu pun atau yang lain dengan cara apa pun berpura-pura menjadi fundamental, dan oleh karena itu tidak masuk akal untuk menilai ukurannya dalam kaitannya dengan kealamian.
Jika analogi ini tampak terlalu dibuat-buat, berikut adalah contoh lainnya. Kita tahu betul energi karakteristik interaksi kuat, urutannya adalah 1 GeV. Dan kita juga tahu bahwa skala interaksi yang kuat tidaklah fundamental, jadi nilainya yang kecil relatif terhadap massa Planck tidak mengejutkan siapa pun. Secara umum, jika kita menerima bahwa, dalam hal kealamian atau ketidakwajaran, adalah wajar untuk membandingkan kuantitas fundamental secara eksklusif, maka untuk parameter Model Standar masalah ini sebenarnya akan hilang.
Menariknya, logika yang sama berlaku untuk pendukung prinsip antropik. Mereka percaya bahwa terdapat banyak variasi vakum dengan hukum fisika yang berbeda, yang biasanya disebut multiverse. Alam semesta kita sendiri muncul dari salah satu penyedot debu ini. Jika kita mengambil sudut pandang ini, maka umumnya tidak ada masalah kealamian parameter Model Standar. Tapi saya tidak suka pendekatan ini, meskipun saya akui itu memiliki pendukungnya sendiri.
Jadi, mengabaikan asumsi bahwa parameter Model Standar bersifat fundamental menghilangkan masalah kealamian. Apakah ini akhir dari diskusi atau dapatkah kita melangkah lebih jauh?
GD: Tentu saja, itu mungkin - dan perlu. Menurut pendapat saya, jauh lebih penting dan lebih menarik untuk membicarakan bukan tentang kealamian model, tetapi tentang konsistensi dirinya. Misalnya, kita semua bekerja dalam kerangka teori medan kuantum. Kebetulan, ini tidak hanya berlaku untuk Model Standar, tetapi juga untuk teori string. Semua implementasi yang bermakna secara fisik dari teori ini harus didasarkan pada teori relativitas khusus, sehingga persamaannya harus terlihat sama di semua kerangka acuan inersia. Sifat ini disebut invariansi relativistik teori, atau invariansi Lorentz. Ada teorema yang menyatakan bahwa semua teori medan kuantum invarian Lorentz harus invarian CPT. Ini berarti bahwa persamaan dasarnya tidak boleh berubah dengan penggantian partikel secara simultan oleh antipartikel, pembalikan koordinat spasial, dan pembalikan waktu. Jika invariansi ini dilanggar, teorinya tidak akan konsisten dengan dirinya sendiri, dan kealamian tidak akan membantu membangunnya. Dengan kata lain, teori medan kuantum yang konsisten sendiri harus invarian CPT. Oleh karena itu, ketika membahas kealamian, perhatian harus diberikan agar tidak membingungkan dengan konsistensi diri. Strategi ini membuka banyak kemungkinan menarik, tetapi membahasnya akan membawa kita terlalu jauh.
Wilhelm de Sitter, astronom Belanda yang menciptakan salah satu model kosmologis relativistik pertama (model de Sitter). Sumber: Universitas Arsip Fotografi Chicago
Gia, mungkinkah setidaknya satu contoh?
GD: - Tentu saja. Seperti yang Anda ketahui, ruang alam semesta kita mengembang dengan kecepatan yang meningkat - seperti yang dikatakan para kosmolog, kita hidup di dunia de Sitter. Percepatan ini biasanya dikaitkan dengan adanya energi vakum positif, juga disebut energi gelap. Densitas terukurnya sangat rendah, sekitar 10-29 g / cm3. Jika kita mengasumsikan bahwa gravitasi dapat dijelaskan dalam kerangka teori medan kuantum, maka wajar untuk mengharapkan bahwa nilai energi vakum puluhan kali lipat lebih besar dari nilai ini. Karena tidak demikian, kriteria kealamian jelas tidak berfungsi. Namun, sekarang kita memiliki lebih banyak alasan untuk berpikir bahwa nilai kecil energi vakum dapat dibenarkan atas dasar kriteria konsistensi diri.
Tapi ini belum berakhir. Dalam kerangka pendekatan baru, kesimpulannya menunjukkan bahwa energi vakum berubah seiring waktu. Jika Anda tidak memperkenalkan asumsi tambahan, skala waktu perubahan tersebut sangat besar - 1.0132 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. Berdasarkan perhitungannya, ia hanya dapat melebihi waktu Hubble dengan beberapa kali lipat, dan bukan dengan banyak kali lipat. Sejujurnya, saya tidak sepenuhnya terkesan dengan kesimpulan ini, tetapi cukup logis. Ada pilihan lain, tetapi sangat eksotis.
Mari kita rangkum. Secara umum, bagaimana Anda melihat masalah kealamian model fisika fundamental dan solusi apa yang menurut Anda optimal?
GD: Alexey, izinkan saya memulai dengan perspektif sejarah, tidak ada salahnya. Dalam beberapa dekade terakhir, pandangan komunitas kami, komunitas dari mereka yang terlibat dalam fisika fundamental, sangat bergetar. Pada 1990-an, meski prinsip antropis dibahas, secara umum tidak ada yang tertarik. Kemudian pendapat yang berlaku adalah bahwa dasar-dasar struktur alam semesta sudah diketahui dalam pribadi teori string. Kami berharap dialah yang akan memberikan satu-satunya solusi yang tepat untuk menggambarkan Alam Semesta kita.
Pada akhir dekade terakhir, keyakinan ini berubah. Ilmuwan yang sangat serius, misalnya, Alex Vilenkin dan Andrey Linde, mulai secara aktif dan meyakinkan mempertahankan prinsip antropik. Pada titik tertentu, ada titik balik dalam kesadaran komunitas, seperti fase transisi. Banyak ahli teori melihat dalam prinsip antropik satu-satunya jalan keluar dari kesulitan yang terkait dengan masalah kealamian. Tentu saja, mereka juga memiliki lawan, dan komunitas kami terpecah dalam masalah ini. Benar, Linde mengakui bahwa tidak semua parameter Model Standar menemukan interpretasi yang wajar dalam konteks prinsip antropik. Sergey telah mencatat keadaan ini sehubungan dengan parameter θ.
Andrey Linde (kiri) dan Alexander Vilenkin. Foto dari situs vielewelten.de
Dalam beberapa tahun terakhir, opini kolektif kembali berubah. Sekarang kita melihat bahwa kumpulan alam semesta yang hampir tak terbatas dengan hukum fisika berbeda tidak dapat eksis sama sekali. Alasannya sederhana: alam semesta seperti itu tidak bisa stabil. Semua dunia de Sitter yang eksotis harus berubah menjadi kontinua ruang-waktu kosong dengan geometri Minkowski datar. Vakum adalah satu-satunya yang stabil hanya dengan geometri ini. Dapat ditunjukkan bahwa densitas energi vakum harus dapat diabaikan dibandingkan dengan skala Planck. Persis seperti inilah yang terjadi di alam semesta kita. Dunia kita belum mencapai dunia Minkowski, jadi energi vakum bukan nol. Itu berubah, dan pada prinsipnya, perubahan ini dapat dideteksi secara eksperimental dan dengan pengamatan astrofisika. Jadi tidak ada yang tidak wajar dalam kecilnya energi vakum,dan nilainya yang diamati sejalan dengan ekspektasi teoretis.
Prediksi sangat spesifik lainnya dibuat atas dasar pendekatan baru. Jadi, mengikuti dari itu pasti ada sumbu. Kesimpulan ini juga terkait dengan masalah kealamian. Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa ahli teori pernah menemukan partikel ini untuk menjelaskan nilai kecil yang tidak wajar dari parameter θ. Sekarang kita katakan bahwa realitas sumbu ditentukan oleh persyaratan konsistensi diri dari persamaan kita. Dengan kata lain, jika axion tidak ada, teori tersebut tidak konsisten dengan dirinya sendiri. Ini adalah logika prediksi teoretis yang sama sekali berbeda. Jadi sebagai kesimpulan, saya dapat mengulangi apa yang telah saya katakan: prinsip kealamian telah digantikan oleh prinsip konsistensi diri yang lebih kuat, dan ruang lingkup penerapannya terus berkembang, dan batasannya belum diketahui. Ada kemungkinan bahwa berdasarkan itu dimungkinkan untuk menjelaskan hierarki massa partikel elementer,merepresentasikan masalah yang begitu sulit untuk prinsip kealamian. Apakah memang demikian, kami tidak tahu. Secara umum, Anda harus bekerja.
Jadi, berikut adalah pendapat dari dua fisikawan teoritis brilian yang, menurut pengakuan mereka sendiri, telah banyak merenungkan tentang masalah kealamian model teoretis fisika fundamental. Dalam beberapa hal mereka serupa, dalam beberapa hal berbeda. Namun, Sergei Troitsky dan Gia Dvali tidak mengesampingkan bahwa sekarang prinsip kealamian, jika tidak sepenuhnya melampaui kegunaannya, maka, bagaimanapun juga, telah kehilangan kredibilitas sebelumnya. Jika demikian, maka fisika fundamental memang memasuki era postnaturalisme. Mari kita lihat ke mana arahnya.
Untuk mengakhiri diskusi dengan layak, saya meminta salah satu pendiri teori string, Edward Witten, profesor di Princeton Institute for Fundamental Research, untuk berbicara sesingkat mungkin tentang masalah kealamian dalam fisika fundamental. Inilah yang dia tulis:
Edward Witten, profesor di Princeton Institute for Basic Research, salah satu pendiri teori string. Foto dari situs wikipedia.org
“Jika seorang fisikawan atau ahli kosmologi sampai pada kesimpulan bahwa beberapa nilai yang dapat diamati memiliki nilai ekstrim, dia mencari interpretasi yang masuk akal. Misalnya, massa elektron 1800 kali lebih kecil dari massa proton. Perbedaan yang begitu serius tentunya menarik perhatian dan perlu penjelasan.
Dalam hal ini, penjelasan yang masuk akal - atau, dengan kata lain, alami - adalah bahwa ketika massa elektron dikosongkan, persamaan Model Standar menjadi lebih simetris. Secara umum, kita kemudian menganggap kesimetrian yang tepat atau perkiraan itu wajar, ketika ada alasan untuk berharap bahwa jika kita tidak tahu hari ini mengapa itu ada di alam, maka kita berharap menemukan penjelasan pada tingkat pemahaman yang lebih dalam tentang realitas fisik. Menurut logika ini, massa kecil elektron tidak menimbulkan masalah yang tidak menyenangkan bagi prinsip kealamian.
Sekarang mari beralih ke kosmologi. Kita tahu bahwa ukuran alam semesta sekitar 1030 kali panjang gelombang foton tipikal radiasi latar gelombang mikro. Hubungan ini tidak berubah seiring dengan evolusi alam semesta, dan karena itu tidak dapat begitu saja dikaitkan dengan usianya. Perlu penjelasan yang berbeda, yang dapat diperoleh atas dasar model kosmologis inflasi.
Perhatikan contoh dari jenis yang berbeda. Diketahui bahwa nilai energi gelap setidaknya 1060 kali lebih kecil dari nilai yang dihitung secara teoritis berdasarkan pengetahuan tentang konstanta fundamental lainnya. Tentu saja, fakta ini juga membutuhkan penjelasan. Namun, masih belum ada interpretasi yang masuk akal untuk itu - selain, mungkin, yang mengikuti dari hipotesis multiverse dan prinsip antropik. Saya salah satu dari mereka yang lebih suka penjelasan lain, tetapi belum ditemukan. Begitulah keadaannya sekarang."
Sebagai kesimpulan, saya tidak dapat menyangkal kesenangan saya mengutip artikel terbaru oleh Profesor Witten (E. Witten, 2018. Symmetry and Emerge), yang, menurut pendapat saya, akan menjadi kesimpulan yang sangat bagus untuk diskusi tentang kealamian teori-teori fisika fundamental:
“Secara umum, simetri pengukur tidak lebih dari properti untuk mendeskripsikan sistem fisik. Arti simetri gauge dalam fisika modern adalah bahwa proses fisik diatur oleh hukum yang sangat halus yang secara inheren bersifat "geometris". Sangat sulit untuk memberikan definisi yang tegas tentang konsep ini, tetapi dalam praktiknya itu berarti bahwa hukum Alam menolak setiap upaya tak terbantahkan untuk menemukan ekspresi eksplisit untuk mereka. Kesulitan mengungkapkan hukum-hukum ini dalam bentuk alami dan non-redundan adalah alasan untuk memperkenalkan simetri pengukur."
Arkady dan Boris Strugatsky.
Jadi tiga orang - tiga pendapat. Sebagai kesimpulan - kutipan dari kisah Strugatsky bersaudara "Ugly Swans" (1967):
"Alam selalu primitif," lanjut Bol-Kunats antara lain, "dan manusia adalah makhluk yang kompleks, kealamian tidak cocok untuknya."
Apakah itu sesuai dengan teori fisika fundamental? Itulah pertanyaannya.
Alexey Levin, PhD dalam bidang Filsafat
