Правда ли, что теоретическая физика поломана, или она просто сложная?

Аксионы, одни из ведущих кандидатов на частицы тёмной материи, могут превращаться в фотоны (и наоборот) при соответствующих условиях. Если мы сможем вызывать и контролировать их превращение, мы, возможно, откроем первую частицу за пределами Стандартной модели и решим проблемы тёмной материи и проблему сохранения CP-инвариантности в сильных взаимодействиях.

Если послушать какого-нибудь современного разочарованного физика высоких энергий, можно прийти к выводу, что вся современная теоретическая физика не имеет смысла. В конце концов, XX век был веком теоретических триумфов: мы смогли разобраться во Вселенной как на субатомном, так и на космическом масштабе. Мы выяснили, что такое фундаментальные силы и взаимодействия, управляющие физикой, что такое фундаментальные составляющие материи, как они собираются вместе, чтобы сформировать мир, который мы наблюдаем и населяем, и как предсказать, какими будут результаты любого эксперимента, проведённого с этими квантами.

В совокупности Стандартная модель элементарных частиц и Стандартная модель космологии представляют собой кульминацию физики XX века. Но при этом эксперименты и наблюдения выявили ряд до сих пор нерешённых загадок, таких как тёмная материя, тёмная энергия, космическая инфляция, бариогенез, массивные нейтрино, проблема сильного CP и многие другие. И теоретики не смогли добиться значительного прогресса по всем этим вопросам за последние 25 с лишним лет. Неужели все они просто тратили своё время впустую?

Действительно, в XX веке случился целый ряд теоретических достижений, которые привели к значимым предсказаниям, и те впоследствии были проверены. Среди некоторых из них были предсказаны и открыты:

• позитроны: частицы антиматерии, аналоги электронов;
• нейтрино: субатомные частицы, переносящие энергию и импульс, участвующие в ядерных реакциях;
• кварки как составные части протона и нейтрона;
• дополнительные «поколения» кварков и лептонов;
• структура Стандартной модели с сильным ядерным взаимодействием, слабым ядерным взаимодействием и электромагнетизмом;
• электрослабое объединение и бозон Хиггса;
• Большой взрыв и реликтовое излучение;
• космическая инфляция и несовершенство реликтового излучения;
• холодная тёмная материя и её роль в формировании крупномасштабных структур во Вселенной.

Эти замечательные успехи привели к нашей сегодняшней общепринятой картине Вселенной: картине, которая в своей основе состоит из Стандартной модели элементарных частиц и Общей теории относительности, управляющей гравитацией.

С другой стороны, физика не закончилась с этими открытиями или с этой картиной, которая более-менее сложилась с начала 1980-х годов. Конечно, с тех пор были открыты детали, касающиеся космической инфляции, массивная природа нейтрино и существование тёмной энергии: триумфы, возможно, более скромного характера.

Но что дали нам последние работы в области теоретической физики сверх этой стандартной картины?

• Суперсимметрия частиц, которой, похоже, не существует.
• Теория наличия дополнительных измерений, предсказания которой не находят подтверждений в наших экспериментах и наблюдениях.
• Теория Великого объединения, существование которой не подтверждается никакими доказательствами.
• Теория струн, которая не дала нам ни одного проверяемого предсказания.
• Модификации гравитации, которые добавляют дополнительные параметры в уравнения, но не смогли создать последовательную картину, превосходящую общую теорию относительности.
• Модификации холодной, не испытывающей столкновений тёмной материи, которые, опять же, добавляют дополнительные параметры, которые совершенно не нужны и не смогли превзойти простейшие модели холодной тёмной материи.
• И модификации простейшей картины (постоянной) тёмной энергии, которые снова добавляют дополнительные параметры, но не могут предложить ничего сверх простейшей модели тёмной энергии.

Появились всевозможные способы, которыми люди пытались нарушить и исправить существующие законы физики за последние несколько десятилетий, и ни один из них не делает лучшей работы по объяснению того, что мы наблюдаем и измеряем, чем стандартная картина без каких-либо дополнительных модификаций.

Но на «провал» это совсем не похоже. Так выглядит теоретическая физика — и так всегда выглядела, по крайней мере, часть теоретической физики — когда у нас недостаточно данных, чтобы указать правильное направление, выводящее вас за пределы принятой в настоящее время картины реальности.

Варианты эволюции Вселенной

Легко вернуться в XX век, указать на успехи и сказать: «Посмотрите, как хорошо мы предсказывали, что будет дальше!». Конечно — но с таким же успехом можно вернуться в XX век и выбрать любую из гораздо более многочисленных гипотез, которые, как оказалось, совсем не описывают нашу реальность. У всех нас включается избирательная память, когда мы оглядываемся назад на наши триумфы; мы упускаем из виду все попытки, которые не увенчались успехом:

• Мы помним модель кварков, а не модель Сакаты.
• Мы помним общую теорию относительности, а не модификации Ньюкомба-Холла к законам Ньютона.
• Мы помним квантовую хромодинамику, а не подход «угадай S-матрицу».
• Мы помним нейтрон, а не идею о существовании протон-электронных связанных состояний в ядре.
• Мы помним модель Хиггса, а не техницветовые модели.
• Мы помним расширяющуюся Вселенную, а не теорию старения света.
• Мы помним Большой взрыв, а не модель стационарной Вселенной.
• Мы помним космическую инфляцию, а не переменную скорость света.

Это первая проблема с подходом «все теоретики ошибаются»: когда мы растём в научном плане, мы принимаем как должное то, что было достигнуто в прошлом, и забываем то, как мы к этому пришли, и ошибки, сделанные на этом пути.

Вторая проблема заключается в следующем: теоретики не имеют возможности узнать, что будет дальше, когда экспериментальных и наблюдательных данных, которыми мы располагаем, недостаточно, чтобы осветить им путь. В течение XX века революционные данные поступали с пугающей скоростью, поскольку новые эксперименты по физике частиц проводились при всё более высоких энергиях, со всё лучшей статистикой и в новых условиях — например, за пределами атмосферы Земли. Аналогичным образом, в астрономии большие апертуры, прогресс в фотографии и спектроскопии, развитие многоволновой астрономии за пределами спектра видимого света и первые космические телескопы принесли новые данные, перевернувшие многие ранее существовавшие идеи.

• Более тяжёлый «кузен» электрона, мюон, был впервые обнаружен с помощью экспериментов на воздушных шарах, которые позволили нам обнаружить его присутствие среди космических лучей.
• Эксперименты по глубокому неупругому рассеянию — т. е. высокоэнергетические столкновения между частицами с точным измерением вылетающих осколков — показали, что протон и нейтрон являются составными частицами, а электрон — нет.
• В ядерных реакторах, где тяжёлые элементы превращаются в более лёгкие, выделяются антинейтрино, которые могут поглощаться атомными ядрами за пределами реактора, что и привело к их открытию.

Другими словами, причина успеха теоретической физики в XX веке заключается в следующем: эксперименты, измерения и наблюдения в конце концов достигли точки, когда данные, которые мы собирали, указывали путь вперёд, и мы могли сравнивать между собой конкурирующие идеи, и делать значимые, информативные выводы.

Если вы не раздвигаете границы того, что вы ищете, не выходите на неизведанные территории – например, не получаете более качественные и чистые данные, большую статистику, более высокие энергии, большую точность, меньшие масштабы расстояний и т. д. — вы не сможете найти ничего нового.

Иногда вы отправляетесь на неисследованную территорию и не находите ничего нового; это указывает на то, что преобладающие в настоящее время теории справедливы в большем диапазоне, чем вы предполагали ранее.

Иногда вы заходите на неисследованную территорию и действительно находите что-то новое: то, что вы предполагали, что там может быть. Одна новая идея (или набор идей) вдруг становится намного интереснее, чем раньше, поскольку теперь у них есть лучшая поддержка в виде экспериментальных данных и/или наблюдений.

Иногда вы вступаете на неисследованную территорию и не просто находите что-то новое — вы обнаруживаете такое, чего раньше не ожидали. Как говорят учёные, самая захватывающая фраза в науке — не «Эврика!», а скорее «Хм-м, а это забавно…».

А иногда вы хотите отправиться на неизведанную территорию, но недостаток финансирования, воображения, или и того, и другого, не позволяет вам сделать это.



Ограничения на солнечные аксионы, на магнитный момент нейтрино и на два различных варианта кандидатов в тёмную материю — все они ограничены последними результатами эксперимента XENONnT. Это лучшие подобные ограничения в истории физики, и они замечательно демонстрируют, насколько хорошо коллаборация XENON справляется со своей работой.

В отсутствие новых экспериментов или наблюдений, которыми мы могли бы руководствоваться, всё, что мы можем сделать — это реализовать собственные идеи, не противоречащие тем данным, которыми мы уже располагаем. Обычно это предполагает использование консервативного подхода: мы пытаемся добавить новый параметр, новую частицу, новое взаимодействие, заменить константу переменной, (немного) нарушить закон сохранения, (немного) нарушить симметрию и т. д. Изучение последствий выполнения любого из этих действий позволит вам понять, где находится теоретическая граница нашего пространства для манёвра: между тем, что остаётся возможным, и тем, что уже исключено.

Мы не можем слишком сильно изменить ситуацию, иначе новую идею уже на старте отметут старые данные. Мы также не можем просто вводить слишком много новых параметров без достаточной мотивации, иначе мы излишне усложним ситуацию, не получив никакого существенного представления о возможных ограничениях. В такую ловушку всегда попадает учёный, решающий не выбирать из двух гипотез, а принять сразу обе. И мы не можем придавать слишком большое значение одному новому, неподтверждённому экспериментальному результату сомнительной значимости.

Вот несколько неудобных истин для теоретиков: как профессионалов, так и любителей:

• Большинство идей, которые у вас появятся, когда дело дойдёт до замены наших известных и принятых теорий – это не новые идеи, они уже существуют в литературе.
• Большинство новых идей, которые у вас появятся, при дальнейшем рассмотрении окажутся фатально ошибочными по любой из ряда причин – проще говоря, они окажутся плохими идеями.
• Окажется, что большинство новых, хороших идей, которые у вас есть, какими бы интересными они ни были, вообще не описывают нашу реальность, поскольку природа не обязана соответствовать даже лучшим из наших идей.
• И наконец, если вы не проделали тяжёлую работу по количественному описанию физических эффектов, которые возникнут в результате вашей новой идеи, то у вас вообще нет теории: у вас есть непроработанная догадка.

Придумать новую, хорошую идею, которая действительно делает чёткие предсказания, которые можно проверить, а затем сравнить результаты с альтернативами, включая ранее преобладавшую теорию, — это очень сложная задача. Но это препятствие необходимо преодолеть, чтобы новая идея была принята. Как однажды сказал лорд Кельвин:

«Я часто говорю, что когда вы можете измерить то, о чём говорите, и выразить это в цифрах, то вы что-то об этом знаете. Но когда вы не можете выразить это в цифрах, ваши знания скудны и неудовлетворительны; это может быть началом знаний, но вы едва ли продвинулись в своих мыслях до стадии науки, о чём бы ни шла речь».

Это не значит, что теоретики обязательно и всегда делают что-то более серьёзное, чем просто продвигаются наощупь в темноте. У нас есть множество кусочков головоломки, не совсем подходящих друг к другу:

• В слабом взаимодействии в некоторых системах (но не во всех) мы видим распады, нарушающие CP-инвариантность, и мы не знаем, как предсказать величину этого нарушения.
• Мы не видим нарушающих CP-инвариантность распадов в сильных взаимодействиях, хотя Стандартная модель не запрещает их, и мы не понимаем, что подавляет или предотвращает их.
• Мы знаем, что поле Хиггса, соединяясь с массивными частицами, придаёт им массу покоя, но мы не знаем, как вычислить, какой должна быть эта масса.
• Из астрофизических наблюдений мы знаем, что существует некая невидимая форма энергии, которая ведёт себя так, будто имеет положительную массу покоя, но не имеет ничего общего со светом или обычной материей, и мы не знаем, какова её природа.
• Мы знаем, что существуют квантовые поля, пронизывающие пустое пространство, но мы не знаем, как вычислить энергию нулевой точки этих полей. Мы также знаем, с астрофизической точки зрения, что Вселенная расширяется, как будто существует положительная, ненулевая энергия, присущая самому пространству, но мы можем только измерить её.
• Мы знаем, что во Вселенной больше материи, чем антиматерии, но не знаем, как она образовалась.
• Мы знаем, что нейтрино имеют ненулевую массу покоя, но не знаем, что придаёт им эту массу.

И всё же этих подсказок недостаточно для того, чтобы мы пришли к ответам, подтверждённым экспериментами или измерениями. Мы успешно проанализировали ряд возможных сценариев, но ни для одного из этих эффектов пока не найдена окончательная причина.

Однако мы знаем, что вернее всего область теоретической физики сможет продвинуться вперёд, за пределы наших нынешних ограничений, не благодаря увеличению объёмов теоретической работы, а благодаря увеличению количества и усложнению экспериментов и наблюдений. Теория зашла настолько далеко, насколько это возможно без экспериментальных данных; если бы мы получили больше подсказок из самой Вселенной, мы бы повысили наши шансы сделать следующий критический прорыв, который выведет нас за рамки Стандартной модели физики частиц и за пределы инфляционной ΛCDM-модели нашего космоса. Это означает, что учёным нужны новые обсерватории, новые эксперименты и новые коллайдеры. Если мы хотим двигаться вперёд, нам нужно больше информации лучшего качества, которая будет направлять нас.

Автор статьи: valisak.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх 🕹️