Физические явления, чтобы соответствовать реальности, не должны требовать тонкой настройки. Является ли естественность (naturalness) хорошим ориентиром для поиска объяснения, лежащего в основе явления?
Ключевые тезисы:
В теоретической физике часто возникают загадки, когда мы наблюдаем кажущиеся несвязанными величины, имеющие подозрительно близкие значения, либо кажущиеся связанными величины, но сильно различающиеся по масштабу или порядку величины.
Один из принципов, который мы используем для анализа, известен как естественность (naturalness): должен существовать какой‑то механизм, объясняющий, как эти величины приобрели свои значения, а не просто стали результатом тонкой настройки или случайного совпадения.
Однако это не абсолютное правило, ведь разные параметры просто имеют те значения, которые они имеют, и естественность лишь иногда служит полезным ориентиром, чтобы сделать следующей шаг в нашем понимании явления. Только время покажет, каким будет решение многих сегодняшних «неестественных» проблем.
Существует два вида проблем, о которых часто говорят физики и которые могут заставить нас подумать:
«Господи, да вам, физикам, никогда не угодишь, не так ли?»
Первая называется проблемой совпадений: когда вещи, которые, казалось бы, не имеют причин быть близкими друг к другу, на самом деле близки. Примеры включают:
плотности обычной материи и темной материи,
плотность материи во Вселенной и плотность темной энергии,
полную энергию состояния Хойла углерода-12, которая почти точно равна энергии покоя трех ядер гелия-4,
или совпадение больших чисел Дирака, где сила гравитации приблизительно равна обратному возрасту Вселенной с момента Большого взрыва.
Второй, противоположный тип проблемы, известный как проблема иерархии: когда кажется, что существует большой, неестественный, необъяснимый разрыв между вещами, которые (при прочих равных) можно было бы ожидать близкими. Примеры этого включают:
огромные различия между электрослабым масштабом и планковским масштабом,
огромную разницу в силе между гравитацией и электромагнетизмом,
большую разницу между массой большинства массивных частиц в Стандартной модели и крошечными массами нейтрино,
или проблему космологической постоянной, пожалуй, самое крупное по порядку величины несоответствие из всех.
Можно подумать, что наличие как проблем «совпадений», так и проблем «иерархии» просто означает, что физики всегда ищут новые проблемы на свою голову и никогда не бывают довольны. Но оба эти набора проблем просто являются крайними полюсами проблемы «тонкой настройки», и естественность — это один из часто (но не всегда) полезных подходов к ней. Вот в чем заключается эта идея.
.png){kind=link}
Изучение Вселенной, как с точки зрения фундаментальных законов, управляющих ею, так и с точки зрения составляющих ее компонентов, по определению является изучением природы. Предполагать, что мы, люди, можем интуитивно понять, что именно является «естественным», — это, в некоторой степени, проявление высокомерия с нашей стороны: природа просто является тем, чем она является, и мы, сами являясь продуктом природы, можем лишь надеяться выяснить, что это такое и как оно таковым стало. И все же, временами это был невероятно успешный подход. Идея «естественности» постулирует следующее:
Когда мы обнаруживаем две величины, близкие друг к другу, но, казалось бы, не связанные, мы спрашиваем, какие отношения могли бы привести к тому, что эти величины совпадают (или почти совпадают).
И когда мы находим две величины, которые, как мы ожидаем, будут близки, но которые вместо этого оказываются очень далеки друг от друга, мы спрашиваем, какой механизм мог бы привести к такому серьезному несоответствию?
Другими словами, идея естественности заключается в утверждении, что вместо того, чтобы Вселенная была просто такой, какая она есть: полной совпадений, огромных диспропорций и всевозможных «тонких настроек», должны существовать некие механизмы, которые привели бы к тому, что мы наблюдаем её именно такой.
На протяжении всей истории теоретической физики, и, в частности, на протяжении XX века, во время разработки Стандартных моделей физики частиц и космологии, этот подход часто оказывался невероятно полезным. В первые периоды развития квантовой физики учёные начали задавать вопросы об электрическом поле, окружающем электрон, и о том, как можно согласовать это с точечной частицей, что подтверждалось экспериментами. Если бы мы рассчитали полную электростатическую энергию, запасенную в электрическом поле, созданном заряженной «точкой», мы бы получили катастрофический ответ: бесконечное количество энергии.
Но это невозможно: мы знаем, что электрон имеет конечную наблюдаемую массу покоя, и поэтому полная энергия электрона не может превышать значение, задаваемое формулой E=mc2, где m — масса электрона. Эта загадка собственной энергии электрона привела к развитию совершенно новой области, квантовой теории поля, которая дала конечный численный ответ, а не неестественный бесконечный, который предсказывала классическая теория. Наряду с этим появилось новое предсказание — существование античастицы, позитрона, с противоположным электрону зарядом, и в конечном итоге это привело к развитию квантовой электродинамики.
В ядерной физике возникла загадка, касающаяся возникновения элементов во Вселенной: загадка углерода. Мы могли ещё в 1950-х годах измерить энергию покоя различных элементов и их изотопов, включая:
водород (с одним протоном в качестве ядра),
гелий (гелий-4, с двумя протонами и двумя нейтронами в качестве ядра, является наиболее распространенным),
и углерод (углерод-12, с шестью протонами и шестью нейтронами, является наиболее распространенной версией).
Но если звёзды были доминирующим источником углерода во Вселенной, то возникала проблема: масса углерода-12 принципиально не соответствовала (учитывая свойства звёздных недр), массе трех ядер гелия-4, объединенных вместе, которые должны участвовать в его создании.
Так как же тогда был создан углерод?
Размышляя в этом направлении, Фред Хойл выдвинул гипотезу о естественном решении этой проблемы и механизме, с помощью которого углерод-12 мог быть создан в необходимой пропорции: он предположил существование нового возбужденного состояния для ядер углерода-12, энергия которого была точно (или почти точно) равна энергии покоя трех объединенных ядер гелия-4. Это состояние, состояние Хойла, было позже обнаружено ядерным физиком Вилли Фаулером, что стало примечательным успехом для подхода, основанного на естественности. Если бы значение этого возбужденного состояния углерода-12, которое оказалось резонансом на уровне 7,654 МэВ, отличалось по энергии даже на 5%, наша Вселенная не произвела бы тот углерод, который сделал возможным наше существование.
Аргументы естественности снова и снова появлялись в попытках осмыслить загадки во Вселенной: объяснить наблюдаемые явления, которым не хватало очевидного объяснения. Иногда они были успешны в создании новых предсказаний, которые действительно подтверждались реальностью, в том числе:
Когда дело касалось разницы масс между определенными нейтральными каонами (включающими странные кварки и смешивание каонов), определенные квантовые расчеты должны были бы сократиться почти точно, при этом без какого‑либо объяснения или механизма. Это явление могло бы объяснить существование нового, еще более тяжелого кварка, и так были предсказаны существование и масса покоя очарованного кварка (charm quark): в 1970 году Шелли Глэшоу, Джоном Илиопулосом и Лучано Майани, через механизм, который стал известен как механизм GIM (Глэшоу‑Илиопулоса‑Майани). Четыре года спустя, в 1974 году, эксперименты открыли очарованный кварк именно там, где он был предсказан.
Хотя Стандартная модель отлично подходит для описания спектра наблюдаемых частиц (кварков, лептонов и калибровочных бозонов), существует проблема: изначально эти частицы имеют нулевую массу покоя. Однако мы измерили их массы экспериментально, и, за исключением фотона и глюонов, все они имеют ненулевую, положительную массу покоя. Так откуда же берется масса в Стандартной модели? Был предложен естественный механизм для её генерации, механизм Хиггса, в котором массы фундаментальных частиц могли быть сгенерированы посредством нового поля, нарушенной симметрии и нового массивного бозона: бозона Хиггса. Этот бозон, открытый на Большом адронном коллайдере ЦЕРН в 2012 году, завершил Стандартную модель.
И в космологии было много необъяснимых загадок о Большом взрыве. Существовала проблема горизонта, или загадка того, как Вселенная приобрела однородную температуру в таких различных областях пространства, если не было времени для обмена сигналами между ними. Существовала проблема плоскостности, или загадка того, как Вселенная пришла к тому, что ее плотность энергии и начальная скорость расширения были так идеально сбалансированы, что даже сегодня не породили пространственной кривизны. И существовала проблема монополей, или загадка того, что если Вселенная достигала крайне высоких температур и плотностей в прошлом, то почему в сегодняшней Вселенной не осталось высокоэнергетических реликтов? Космическая инфляция, решение, мотивированное этими аргументами «естественности», предоставила ответ, и множество линий наблюдательных данных с тех пор её подтвердили.
Очевидно, что при наилучших обстоятельствах естественность может быть чрезвычайно мощным подходом к поиску лежащего в основе механизма в отношении кажущихся магическими совпадений в нашей Вселенной.
Но естественность лишь руководящий принцип; это не правило или закон, которому Вселенная обязана подчиняться. Иногда совпадения просто оказываются совпадениями, без лежащего в их основе объяснения. В других случаях вещи, которые, как мы ожидаем, должны быть близки по масштабу, но не являются таковыми, просто таковы, какие они есть во Вселенной, вопреки нашим ожиданиям и без лежащего в их основе механизма, который бы привел их в такое положение. Естественность — это один из возможных подходов к череде таинственных загадок, но подход к проблеме с аргументами естественности вовсе не гарантирует успеха!
Мы можем рассмотреть, например, кажущееся неестественным несоответствие между «естественным» масштабом массы, который мы получаем, комбинируя фундаментальные константы G (гравитационная постоянная), c (скорость света) и h (постоянная Планка), который является планковской массой, и фактическими массами фундаментальных частиц, которые на 17 и более порядков меньше! Мы можем попытаться объяснить это, прибегнув к новому типу симметрии — симметрии между бозонами и фермионами, известной как SUSY (суперсимметрия), и как часть теории мы даже получаем кандидата на роль темной материи и путь к объединению сильного взаимодействия с электрослабым. Однако, насколько бы привлекательной ни была эта идея, данные просто не подтверждают актуальность суперсимметрии для нашей Вселенной.
Мы можем посмотреть на нейтрино и подумать: как странно, что их массы настолько крошечны по сравнению с массами всех других частиц Стандартной модели. Например, самая тяжёлая частица Стандартной модели, топ‑кварк, с массой 173 ГэВ/c2, в то время как самая легкая (не нейтринная) частица, электрон, с массой покоя всего 511 кэВ/c2: разница почти в 340 000 раз. Но массы нейтрино, которые осциллируют от одного типа к другому, не могут превышать доли одного электрон‑вольта, при этом каждая масса нейтрино находится где‑то между сотой и десятой долей эВ: разница в несколько миллионов раз с массой электрона!
Существует соблазнительное естественное объяснение, которое можно предложить: механизм качелей (seesaw‑механизм). Идея состоит в том, что существует некоторый очень высокий масштаб масс, например, около масштаба великого объединения (GUT) (около 1015 ГэВ), где нейтрино являются не только левыми (left‑chiral), как мы видим в нашей Вселенной, но существует и правая (right‑chiral) версия. Затем, поскольку нейтрино смешиваются, можно предположить, что они имеют «естественную» массу, аналогичную массам других тяжелых частиц, возможно, на уровне ~100 ГэВ или около того, но механизм качелей подавляет массу тех, что в нашей Вселенной, на коэффициент, равный квадрату этого нормального масштаба масс, деленному на масштаб GUT, что приводит к электронвольтным нейтрино.
Это привлекательный вариант, теоретически, и по многим причинам. Во‑первых, он может объяснить мизерность масс нейтрино. Он приводит к тому, что нейтрино являются майорановскими частицами (а не дираковскими), которые обладают особым набором свойств, позволяющих им в некоторых случаях действовать как свои собственные античастицы. Он позволяет создать начальную лептонную асимметрию, которая может быть преобразована в барионную асимметрию и объяснить происхождение того, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Он даёт нам кандидата на роль тёмной материи в виде сверхтяжёлого правого нейтрино, кандидата на роль темной материи типа WIMPzilla (вимпзилла), который теоретически очень привлекателен во многих отношениях.
И, возможно, самое захватывающее, он открывает дверь для проверки с помощью захватывающей экспериментальной сигнатуры: возможности наблюдения нового типа ядерного распада, безнейтринного двойного бета‑распада, при котором два нейтрона распадаются на два протона и два электрона, но без испускания двух антинейтрино, потому что майорановские нейтрино могли бы действовать как своя собственная античастица.
Конечно, были предприняты попытки поиска именно этого варианта распада, и хотя двойной бета‑распад с двумя нейтрино действительно наблюдался, у нас нет доказательств безнейтринной версии и, следовательно, для этого сценария физики частиц.
Мы также можем посмотреть на «естественный» масштаб для космологической постоянной, который снова включает использование планковской массы в качестве естественного масштаба масс (в четвертой степени) для того, каким должно быть значение космологической постоянной. Ответ неверен, и на невероятную величину: на 120 порядков, что делает его худшим предсказанием в истории науки. Но если мы можем заменить планковскую массу на наблюдаемую массу нейтрино, это напряжение исчезает полностью, и внезапно всё сходится. Означает ли это естественную связь между космологической постоянной и сектором нейтрино?
Именно аргумент естественности привел к идее о том, что соотношение сил гравитационного и электромагнитного взаимодействий эволюционирует со временем (в космических масштабах времени), достигнув своих текущих огромных несоответствий. Но это противоречит наблюдениям ранней Вселенной.
Аргумент естественности привел к идее теорий великого объединения (grand unified theories, GUT), предложивших решение для создания асимметрии материи и антиматерии в ранней Вселенной. Но это принесло с собой новое предсказание, распад протона, которое эксперименты просто не подтвердили. Верно, что эксперименты по поиску распада протона положили начало нейтринной астрономии, но для идеи естественности в анализе нашей Вселенной необнаружение распада протона всё равно остаётся поражением.
Даже сегодня аргументы естественности часто привлекаются при рассмотрении достоинств того или иного сценария. В этом есть смысл: при отсутствии каких‑либо доказательств соображения естественности позволяют нам подумать о том, является ли механизм жизнеспособным или нет, требует ли он множества тонких настроек. В общем, если у нас есть два больших числа, назовем их A и B, то разница между ними, A‑B, также будет большим числом. Если это не так, то это либо удивительное совпадение, либо существует какая‑то скрытая связь между A и B, которая объясняет, почему их разница мала.
Однако бывают случаи, когда совпадения действительно происходят просто так, естественно, без скрытой связи или объяснения. Чем больше вещей вы отслеживаете или рассматриваете, тем больше вероятность заметить корреляции, которые на самом деле являются ложными и носят случайный характер. Существует целый веб‑сайт, посвященный регистрации тысяч таких ложных корреляций, включая:
годовые расходы США на алкоголь и количество работников канализационных служб в Нью‑Гэмпшире,
потребление маргарина на душу населения и уровень разводов в штате Мэн.
Естественность может быть ориентиром, но не всегда надежным руководством к тому, каков наилучший путь вперед при столкновении в физике с загадкой или тайной. Как и бритва Оккама, она весьма убедительна, но не является законом или правилом. Она может привести нас к прорыву или сбить с толку. Она также может привести нас к отвержению идей, которые в конечном итоге оказываются правильными, просто потому что они казались непривлекательными с точки зрения естественности.
Однако, когда нам больше некуда обратиться, естественность часто может служить путеводным светом в том, что делать дальше. Карл Саган восхвалял использование человеческого воображения, но естественность часто может переносить нас в миры, которых никогда не было. Но и без неё мы бы никогда не попали во многие великие и глубокие области знаний, куда она уже успела нас привести.
engine9
Мне кажется, что антропный принцип великолепно объясняет всё. В тех бесконечных вариантах Вселенной где константы иные, там не формируются разумные наблюдатели. А там где формируются, им кажется что всё невероятным образом сбалансировано.
avshkol Автор
Это если предположить существование множества вариантов Вселенных... И то на основе той самой "естественности": "ну не могло же так само собой совпасть - значит, нужен механизм, где генерируется множество Вселенных с разными константами"...
Есть и другие варианты решения этой проблемы:
теория, что наш мир - это симуляция,
теория божественного творения (от теории симуляции отличается тем, что симулянтов может быть сорок сороков иерархий),
теория, что разум изначально присутствует во Вселенной, и мы - лишь одно из его воплощений,
теория, что Вселенная, каковы бы ни были её константы, всегда эволюционирует до создания разумного наблюдателя, который её и наблюдает и таким образом "подтверждает",
теория, что все объекты с количеством связанных частей больше n (как наш мозг), автоматически обладают сознанием (так, холодильник, состоящий из n молекул, обладает сознанием, ведь эти молекулы, как нейроны в нашем мозгу, тоже могут обмениваться электромагнитными сигналами),
и т.д.
engine9
Антропный принцип всё равно лаконичнее и он, парадоксально, не антропоцентричный. Он не утверждает, что Вселенная создана под нас, скорее мы как плесень, возникли в случайно получившихся благоприятных условиях.
pda0
Антропный принцип это научная замена для "так захотел Бог". Т.е. то, что стоит рассматривать лишь в самом последнем случае, потому что без этого можно просто пропустить существующий ответ.
Ну и как написали, неплохо бы убедиться в реальном существовании множества Вселенных.
kauri_39
Есть такая теория, которая доказывает существование множества вселенных. Принимаем два постулата: в нашей Вселенной есть множество цивилизаций, и в вечном и бесконечном мире есть множество расширяющихся вселенных. Анализируем ход вселенской эволюции материи и выводим общий закон эволюции материи. Согласно ему, развитые цивилизации обретают сверхсветовую связь и объединяются в систему - очередную форму материи: разумную Вселенную. При расширении вселенных они переходят во взаимно сжатое состояние, и разумные вселенные в такой среде могут обмениваться между собой информацией, используя принцип своей внутренней сверхсветовой связи.
Возможно, что открытое DESI торможение ускоренного расширения нашей Вселенной есть следствие начального давления на её физический вакуум таких же плотных сред соседних вселенных, которые расширяются навстречу друг другу. Тогда можно предположить механизм образования вселенных одного масштаба пространства и времени из вселенных предыдущего масштаба. Исходные вселенные с неполной эволюцией материи, переходя во взаимно сжатое состояние, становятся квантами плотной среды - вакуума вселенной следующего масштаба. А вселенные с полной эволюцией - разумные вселенные - становятся квантами материи новой вселенной, её фотонами. Образование вакуума новой вселенной идёт как инфляционный процесс, который сопровождается ростом плотности вакуума и завершается его Большим взрывом.
Чтобы проверить эту гипотезу, достаточно предсказать естественное поведение разумных вселенных в плотной квантованной среде и подтвердить это предсказание фактами. Как известно из биологии, любой живой и разумный объект стремится к выживанию - в настоящем времени и в будущем. Поэтому разумные вселенные, снижая давление внешней среды, будут её постоянно разрежать. Допустим, ликвидируя перед собой кванты вакуума - уже безжизненные взаимно сжатые вселенные. При этом они будут постоянно перемещаться на освобождающиеся места под давлением плотного вакуума сзади. Их постоянное перемещение в вакууме вмещающей их вселенной совпадает с таким же поведением фотонов в нашей Вселенной. Это совпадение уже доказывает, что фотоны - это разумные вселенные предыдущего масштаба.
Но кроме поведения, нацеленного на текущее выживание разумных вселенных, им должно быть присуще и поведение, нацеленное на их выживание в будущем. Лучшее и стабильное будущее им гарантирует превращение вмещающей их вселенной в фотон для вселенной очередного масштаба пространства и времени. Для этого им нужно спланировать и провести в своей вселенной успешную эволюцию материи. У них есть такая возможность: наличие мгновенной информационной связи друг с другом (относительно хода времени во вмещающей их вселенной). Поэтому они могут создать вселенскую информационную сеть и рассчитать параметры будущих частиц материи. Если разумные вселенные - это фотоны во вселенной очередного масштаба, то их системы - это кварки и антикварки. Так решается вопрос об аналогичной настройке фундаментальных параметров нашей Вселенной при её образовании. Существование у фотонов мгновенной связи доказывается её проявлением в нелокальной корреляции запутанных фотонов.
Итак, теория верна, её исходные постулаты и гипотезы подтверждены. Расширение вселенных и рост плотности их вакуума (пространства как квантованной среды) при их переходе во взаимно сжатое состояние объясняется в рамках 4-мерной космологии (без тёмной материи и тёмной энергии).
pda0
tl;dr; Какая разница какие теории есть? Чтобы обращаться к антропному принципу надо не теории выдвигать, а доказать, что вселенных много (или бесконечно). Или всерьёз заявлять, что возникла единственная вселенная, в которой очень удачно безо всякой причины совпали константы.
kauri_39
Ну так выше изложенная теория и доказывает, в частности, множественность вселенных. Не думаю, что можно доказать их существование другим способом. Увидеть их в телескоп или в микроскоп не получится.
pda0
Голая теория ничего не доказывает. Наблюдегия нужны. Опыт, хоть что-то, что показалобы что это так, а не иначе.
kauri_39
Почему теория голая? Она строится на одной части фактов и даёт предсказания, которые подтверждаются другой частью фактов. Это же классический научный метод. Только в применении не к физической, а к философской теории. Нужны наблюдения? Они уже проведены - это постоянное движение фотонов, их широкий разброс по частоте (энергии), их распад пополам в магнитном поле ядра атома, прямой и обратный эффект Комптона. Всё это соответствует предсказанию теории о способах выживания разумных вселенных в плотной квантованной среде. Они дают следствия, которые внешним наблюдателем - жителем вселенной следующего масштаба - воспринимаются как свойства фотонов. А наличие у фотонов мгновенной связи, которая проявляется в их нелокальной корреляции, доказывает, что они - это множества разумных вселенных предыдущего масштаба.
Если нужны новые факты, которые появились после создания философской теории - эволюционной модели мира, то один из них уже есть. Это торможение ускоренного расширения нашей Вселенной. Его можно объяснить разными теориями, но как следствие перехода вселенных от свободного расширения к взаимно сжатому состоянию его предсказывает эволюционная модель мира, впервые описанная в 1991 году.
pda0
Потому что то, что вы написали это философское эссе на тему "я считаю, что так будет правильно".
Когда Бор вводил свои постулаты у него были опытные наблюдения прошлых этапов. Он из опытов знал, что атомы существуют. Что электроны снаружи, а положительное ядро внутри. Что электроны подвижны. Что они не излучают. Его постулат это "мы не знаем почему так, по этому просто примем, что то, что мы видим это то, что мы есть".
А вы сколько цивилизаций наблюдаете? Можете в контакт вступить или точно показать, что это разумные существа, а не мёртвая материя?
А дальше начинается самореференция. Мы предполагаем, что разумные цивилизации существуют. Предполагаем, что это фотоны. Видим фотоны. делаем вывод, что исходные предположения верны. Вариант того, что фотоны это только фотоны рассматривать не будем.
Кстати, пока я писал это, на моей сетчатке закончили своё существование триллионы разумных сверхцивилизаций...
Дальше идут выдуманные термины вроде "кванты вакуума - уже безжизненные взаимно сжатые вселенные"; попытки выдать естественное, без, следов разума, поведение "прямой и обратный эффект Комптона" за разумное; неверное описание процессов "распад пополам в магнитном поле ядра атома" - х.з. про что это, если про образование электрон-позитронной пары, то фотон не распадается на них, у него нет массы покоя, ему некуда распадаться, он не состоит из склеенных электрона и позитрона; заимствования из научной фантастики "наличие у фотонов мгновенной связи, которая проявляется в их нелокальной корреляции" квантовая запутанность не позволяет сверхсветовую передачу информации, все фотоны не запутаны друг с другом. И даже если бы передача была это ничего бы не доказывало. Если молния излучит радиоволну, а кусок метеоритного железа поглотит её, то связь как бы прошла. Но никаким разумом там и не пахнет.