Теория проигрывает эксперименту : новый кризис в физике высоких энергий?

21 Октября 2018

МОСКВА, 21 октября Сегодня теоретическая физика не в состоянии сформулировать ясную ситуацию того, что происходит в природе за пределами так нарекаемой Стандартной модели физики частиц, многократно подтвержденной экспериментами на БАКе и других установках.

Почему это вызывает беспокойство и близки ли мы к новой физике, рассказывает Андрей Старинец, известный физик-теоретик, научный сотрудник Центра абстрактной физики Оксфордского университета.

В минувшие вечерние он выступил с лекцией в рамках московского фестиваля Наука 0+, проходившем в стенах МГУ. Теоретик рассказал о том, как связаны между собой черные дыры и кварк-глюонная плазма – фаза основной материи Вселенной, которую сегодня ученые воссоздают, сталкивая не простые ионы на мощнейших ускорителях корпускул.

— В последние годы обострились споры вокруг примирения квантовой физики и общей теории относительности, частично связанные с отсутствием экспериментального подтверждения теории струн. Можно ли говорить, что нам придется сформировать новую физику, которая обменяла бы и то, и другое, или же пока об этом рано рассуждать?

— Безусловно, соврат такой есть, он очень большой. Прежде чем говорить о примирении квантовой механики и общей теории относительности, то есть о формулировке квантовой гравитации, давайте затронем вопрос о суперсимметрии.

У физиков были серьезные надежды на то, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры при тех энергиях, на которые он был изначально рассчитан, 7-13 ТэВ. Этого не произошло. Конечно, почему мы наберем больше статистики и данных, может оказаться, что суперсимметрия там где-то укрывается.

Но с каждым сезоном работы БАК надежды на это делается все меньше и меньше. С одной стороны, с точки зрения теории, не существует ничего страшного не происходит, так как никто не предсказывал, что суперсимметрия должна существовать именно на этих энергиях.

Вполне видимого, что она проявляется, скажем, при 20 или при 50 ТэВ. С другой стороны, это говорит об определенной слабости современных абстрактных представлений. На предыдущих этапах, например, при создании квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в 1960-70-е годы, теория довольно четко предсказывала, как, где и что следует искать к примеру, W или Z-бозоны или тяжелые кварки, или тот же бозон Хиггса, хотя масса последнего теоретически варьировалась в довольно широком интервале.

Отсутствие подобной ясности в вопросе суперсимметрии, на мой взгляд, очень ярко характеризует ситуацию в современной теоретической преподавателе высоких энергий. Тот факт, что мы не можем предсказать подобные вещи, говорит о слабости общей теории, о плохом понимании физики за пределами Стандартной модели.

В рамках сил, описываемых Стандартной моделью, все хорошо, но и здесь очень много работы: нужно постоянно повышать точность экспериментов и точность расчетов, приравнивать одно с другим, искать возможные отклонения от предсказаний. Но в целом пока все измерения совпадают с теоретическими выкладками.

О судьбе суперсимметрии трудно сейчас заметить что-то определенное. Может быть, ее вообще нет в природе. Может быть, она будет открыта на новом суперколлайдере, который, видимого, построят в Китае. Суперсимметрия важна для теории особенностей, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя правильная физическая теория.

У мечтателей есть еще чисто психологические моменты. Люди, которые никогда не изучали суперсимметрию, отмокают относится к ней скептически, но они же, исследовал предмет, с трудом готовы поверить, что природа обходится без такой красоты.

Конечно, на суперсимметрии или на теории особенностей свет клином не сошелся ученые разрабатывают и другие подходы к физике за пределами Стандартной модели. Но мне кажется, что в целом состояние отрасли, если держать в виду теорию, довольно плачевное.

— В чем это проявляется?

— С одной стороны, можно сказать, что в теоретической физике, как и сто лет назад, трудится немало уникально талантливых людей. С другой стороны, несмотря на все усилия, уяснения того, как устроен мир на энергиях, превышающих типичные значения для Стандартной модели, у нас по-прежнему нет.

Можно сравнить эту ситуацию с тем, как развивалась фундаментальная физика в 1950-е 70-е не один месяцы: сначала вел эксперимент, все более мощные ускорители постоянно открывали большое число новых корпускул, и совершенно непонятно имелось, как все это популярно объяснять и классифицировать. Старые подъезды не работали.

В 1959 не один месяцу, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля околел, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой преподаватели, но не так уж много физического содержания.

Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще повторённым в новых экспериментах. Последнее из этих подтверждений – обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, абстрактный привет из шестидесятых.

Сейчас мы опять в теоретическом тупике, поэтому, наверное, неудивительно, что снова процветает жонглирование красивыми математическими конструкциями. Само по себе это нормально, но вопрос о том, заменится ли эта фаза реальным ростом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым.

Прошлые успехи не гарантируют оглушительный успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная действительная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много эмпирических данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель пошли бы новую физику, тогда дело бы пошло веселей.

А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами – мы строим коллайдер, он, к счастью, разместит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров.

Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации… И это все при том, что острые незаконченные вопросы еще у нас бывает. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе.

— Сможет ли человечество когда-либо выдаться на уровень энергий, необходимых теории великого объединения, и стоит ли это делать, учитывая кризис в теории и их возможную стоимость?

— В данном случае я придерживаюсь оптимистических позиций. Мне кажется, что вопрос нужно ли идти дальше? будет серьезно рассматриваться всегда, вне зависимости от состояния экономики и политики. Я верю в то, что тяга к фундаментальному знанию будет существовать до тех пор, пока существует человечество.

Не думаю, что апокалипсическая картина общества всеобщего потребления, которую нам часто рисуют футуристы, будет воплощена в жизнь до такой степени, что фундаментальная наука станет никому не нужна и ее полностью прервут финансировать.

С другой стороны, есть сильного примеров саморазрушительной динамики на уровне индивидуумов и сообществ, поэтому гарантий тут нет. Что касается чисто технической стороны, то в последнее время большое внимание уделяется разработке новых смыслов ускорения частиц.

Если прогресс в этом направлении будет достигнут, вовсе необязательно строить ускоритель размером с половину континента. В любом случае, пока экспериментаторы проводят в изучении физики частиц, мы будем двигаться в этом направлении.

За пределами Стандартной модели сейчас находится своеобразная полоса незнания, побуждающая экспериментаторов строить новые машинки и копаться в ней. Это копание проявляется в двух вещах – мы сталкиваем частицы на все более высоких энергиях, надеясь найти что-то новое, и более отличного промеряем параметры их взаимодействий.

Это тоже очень большая работа, которая, может быть, не принесет каких-то громких фундаментальных открытий, но крайне важна для понимания общей картины устройства мира. Иными словами, я пока не готов окончательно запрятывать ни экспериментальную, ни теоретическую физику высоких энергий.

При этом меня очень раздражает то, что мы уже несколько десятилетий топчемся на одном месте и так и не можем сформулировать доказательного обобщения всего, что имелось открыто за последние годы и того, что лежит за пределами Стандартной модели. Я бы сказал, что абстрактная физика высоких энергий находится в кризисе, причем достаточно актуальном.

— В последние годы участились атаки на теорию струн со стороны скептиков. С чем они связаны?

— Некоторое давление на сообщество струнных теоретиков есть, но тут, скорее, играют роль определенные социологические фотоэффекты. Когда развитие замедляется, то, как правило, начинаются поиски злодеев, которые довели нас до такой жизни.

Нужно раздвигать теорию феноменологию корпускул и теорию струн, чье отношение к реальной физике пока не до конца определено. Есть огромное число моделей, которые никак с ней не связаны, и многие применимые вопросы тоже ее не затрагивают и не зависят от нее.

— Схожая критичная ситуация сложилась в конце 19 века, когда учитель Макса Планка посоветовал ему не заниматься физикой, так как все уже почти открыто. Ожидает ли нас такая же смена, сопоставимая по масштабам с созданием квантовой физики?

— Многие надеются на то, что нечто подобное произойдет. В каком-то смысле современная ситуация и то, что происходило в конце 19 времени, очень похожи друг на друга. В то веко мы достигли пределов классической преподаватели, но еще не начали замечать квантовых эффектов.

Всем казалось, что фундаментальная наука закончилась, и что остались лишь разные мелочи и прикладная физика. Но потом появился Планк и его открытия, и ситуация резко изменилась.

Можно ли ожидать некоего эпохального открытия в экспериментальной преподавателе или, что не менее важно и возможно, в космологии? Не стоит забывать, что космос – это гигантская лаборатория по изучению физики частиц на самых высоких энергиях. Вполне возможно, что гравитационные волны помогут нам заглянуть в самые ранние эры жизни Вселенной, когда она еще не была прозрачной для света.

Может быть, наши коллеги найдут там что-то, что перевернет не только космологию, но и выведет физику корпускул на новый уровень. Как показывают примеры темной материи и темной энергии, проблемы макро- и микромира неразрывно связаны между собой.

Есть, конечно, и более пессимистический сценарий – не исключено и то, что мы просто достигли пределов человеческого знания и способности понимать мир. Кто-то из великих физиков, кажется, Леонард Сасскинд, любит говорить, что коту можно объяснять квантовую механику до посинения, но он никогда не поймет, как решать уравнение Шредингера.

Мне вот кажется, что котик просто отлично понимает, что его покормят колбаской и без каждого уравнения Шредингера. Лично я, как простой советский мужчина, усердно конспектировавший Материализм и эмпириокритицизм, верю в бесконечность познания и неисчерпаемость наших возможностей расширять пределы науки.

— Могут ли очки опыты на коллайдерах помочь нам пояснить природу черных дыр, и наоборот – позволят ли наблюдения за черными дырами показать тайны микромира?

— Если бы БАК обнаружил микроскопичные черные дыры, то это сильно помогло бы в изучении природы гравитации, в том числе и на квантовом урезе. К сожалению, это такого не произошло и не понятно, произойдет ли в будущем. Вероятность этого, на мой взгляд, крайне скромная, но экспериментаторы скрипят зубцами, но продолжают эти поиски.

Что касается гравитационных волн от астрофизических черных дыр, ситуация тут сложнее, так как эти волны больше касаются классической преподаватели, нежели квантовой гравитации. Могут ли они дать нам что-то принципиально новое в смысле обобщений теории гравитации, я не знаю.

Их изучение было бы интересным, однако тут мы столкнемся с теми же ограничениями и проблемами, которые складываются теорией струн и отсутствием хороших предсказаний.

К примеру, если попытаться оценить космологическую постоянную Эйнштейна из соображений размерности она обратно пропорциональна квадрату планковской длины, то у нас получится значение, на 120 порядков превышающее то, что мы видим в реальности. Это, как часто говорят, недостаточнейшее предсказание теоретической физики за всю ее историю.

Почему это так, и почему космологическая постоянная так мала, но не равна нулю, мы не знаем, и это еще одна из демонстраций того, что теоретическая физика высоких сил находится в кризисе.

Кстати, в этом году Кумрун Вафа, знаменитый физик-теоретик из Гарвардского университета, и его коллеги подали работу, из которой вроде бы следует, что теория струн не совместима с существованием космологической модели с положительной космологической постоянной. К их числу относится и наша Вселенная. Правда, там бывает разные допущения. Жаркие хватким по этому поводу сейчас трясут научное сообщество.

— Десять лет назад вы шли с предложением построить коллайдер ILC в России. Этого не произошло, и сама судьба коллайдера сейчас стала довольно непонятной. С другой стороны, сейчас в Дубне строится установка NICA. Почему ILC?

— Наш главный мотив в 2008 году заключался не собственно в идее постройки некий конкретной установки, будь то ILC или NICA, а в том, чтобы хотя бы одна из знаковых и нужных мировой науке установок появилась в России.

Иными словами, нам хотелось перенести хотя бы часть переднего края науки на территорию нашей страны. Сам факт существования подобной установки очень сильно стимулирует развитие науки и новых технологий. В последние 30 лет сложилась ситуация, при которой во многих сферах научного знания реальные открытия и их обсуждение происходит где-то там, а не здесь, в России. Это демотивирует всех и прежде всего начинающих ученых.

Наши молодые специалисты, обрёл великолепное базовое образование, устраиваются в аспирантуру и обнаруживают, что реальная научная работа на переднем крае происходит не в их институте, а где-то в Калифорнии. Естественно, что они уезжают – не потому, что они Родину не любят, а ради работы на этом любом переднем крае научных поисков.

Поэтому крайне важно, чтобы хотя бы в некоторых отраслях данный передний край находился здесь. Постройка коллайдера представлялась нам одним из самых удобных и надежных способов заполучить подобное лидерство.

Если говорить о научной стороне вопроса, я думаю, что ILC рано или поздно построят, так как такая машина допускает очень чисто, лучше, чем на БАКе, смерить параметры взаимодействий частиц, о которых я говорил нормальнее.

Даже если его не построят в Японии, вполне возможно, что он появится в США, в ЦЕРНе или Китае. Конечно, его можно было бы построить и в Дубне за эти десять лет, но и NICA, несмотря на ее более застенчивые масштабы и несколько иные удачливости, полезна и критически сановная для выживания и развития русской науки.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Теория проигрывает эксперименту : новый кризис в физике высоких энергий?

комментарии (0)

Другие интересные новости

Умер актер из украинского сериала "Слуга народа"