МІСТЕР ОБ’ЄДНУВАЧ

Багато років космос і атом перебувають у конфлікті. Якщо хтось із фізиків і може примирити їх, то це Стівен Вайнберг. Одного разу, коли Стівен Вайнберг (Steven Weinberg) сидів за кермом свого червоного Camaro, йому на думку спала гарна ідея, яка згодом знайшла втілення у статті «Модель лептонів» на двох із половиною сторінках, включно з посиланнями та подяками. У 1967 р. на неї мало хто звернув увагу. Однак згодом ця стаття стала однією з найбільш цитованих робіт із фізики й допомогла Вайнбергу отримати в 1979 р. Нобелівську премію разом з Абдусом Саламом (Abdus Salam) і Шелдоном Глешоу (Sheldon Glashow).

На цих двох з половиною сторінках Вайнберг показав, що дві з чотирьох відомих фундаментальних взаємодій елементарних частинок — електромагнітна і слабка, які на перший погляд здаються цілком різними, можуть бути лише різними проявами однієї «електрослабкої» взаємодії. Ця теорія передбачала існування ще однієї нейтральної частинки серед проміжних бозонів, що здійснюють слабку взаємодію. І Вайнберг показав, що природна симетрія електромагнітної взаємодії виявляється прихованою, або, як кажуть фізики, «спонтанно порушеною», через що ми й сприймаємо електромагнітну і слабку взаємодії як різні. Процес порушення симетрії породжує такі частинки, як кварки з ненульовою масою спокою.

Стівен Вайнберг зробив внесок і в теорію третього виду фундаментальних взаємодій — сильної. Сьогодні обидві теорії становлять основу найвизнанішого пояснення матеріального світу — Стандартної моделі фізики елементарних частинок.

Вайнберг продовжує досліджувати глибинні таємниці природи, пропонуючи теорії, які виходять за межі Стандартної моделі й дають надію на створення повної єдиної теорії, яка охоплюватиме не лише електромагнітну і ядерні взаємодії, а й гравітаційну. Він виконав одну з перших робіт у галузі теорії струн — найімовірнішого кандидата на роль єдиної теорії. Крім того, Вайнберг пише книжки для широкого кола читачів. Остання з них — збірка есе під назвою Lake Views («Види на озеро»). Редакція журналу Scientific American попросила фізика Аміра Акселя з Бостонського університету поговорити зі Стівеном Вайнбергом про перспективи цих теорій, як вони постають сьогодні, коли на Великому адронному колайдері (ВАК) — гігантському прискорювачі в CERN поблизу Женеви — ведуться пошуки бозона Гіґґса та інших частинок.

— Великий адронний колайдер працює вже понад пів року і викликає підвищений інтерес. Дехто навіть вважає, що отримані на ньому дані стануть передумовою для революції, подібної до тієї, що відбулася у XX ст. після створення квантової теорії та теорії відносності. А яка ваша думка?

— Я думаю, очікування сильно завищені. Не виключено, що будуть отримані дані, здатні здійснити переворот у нашому уявленні про фізику, але підстав для цього немає. Причиною революції такого масштабу може бути лише щось цілком непередбачене, а отже, я не можу цього очікувати!

Ми намагаємося зробити наступний крок за межі Стандартної моделі й досягти точки, де зможемо впевнено говорити про те, що відбувалося на ранніх етапах утворення Всесвіту. На це, ймовірно, знадобиться час. Крім того, ми сподіваємося об’єднати дані, щоб отримати теорію, яка охоплює всі частинки і всі взаємодії. І поки нам невідомо, який вигляд вона матиме.

Я думаю, що коли ми досягнемо справді всеосяжного розуміння природи на найфундаментальнішому рівні, воно проникне в усе суспільство. Теорія буде, ймовірно, дуже насичена математикою, і широкі верстви населення не скоро її сприймуть — адже навіть учені довго не розуміли теорію Ньютона, хоча зрештою ньютонівська картина світу справила величезний вплив на загальне уявлення людей про світ і людське життя. Вона вплинула на економіку, біологію, політику та релігію. Я гадаю, що якщо ми справді створимо всеосяжну теорію природи, може статися щось подібне.

Мені здається, що наша картина світу охоплює дедалі більше його сторін, і те, що раніше здавалося незбагненним, наприклад природа сил, які утримують частинки всередині атома, сьогодні добре вивчене. Але на місці колишніх уже з’явилися нові запитання — скажімо, чому частинки в Стандартній моделі мають саме такі властивості. Таємниці, що знайшли своє пояснення, ще довго змінюватимуться новими. Хотілося б висловити припущення, що ми зрештою прийдемо до ситуації, коли нових загадок такого роду вже не буде. І це стане справді визначним поворотним моментом в інтелектуальній історії людства.

Компактний мюонний соленоїд, один із детекторів Великого адронного колайдера, призначений для пошуку бозона Гіґґса, існування якого передбачив Стівен Вайнберг

— Частинку Гіґґса часто називають головною метою Великого адронного колайдера, маючи на увазі, що на колайдері Теватрон лабораторії ім. Фермі її не буде відкрито. Наскільки залежать від цієї частинки електрослабка уніфікація та Стандартна модель?

— Я б сказав, що вони повністю залежать від припущення про порушення симетрії за електрослабкої взаємодії. Але якщо ви запитаєте, чому порушується симетрія, то відповіді на це запитання поки немає. Механізм порушення симетрії, що входить до нашої із Саламом теорії електрослабкої взаємодії, вимагає існування певної нової частинки, яка дістала назву частинки (бозона) Гіґґса. Наша проста картина дала змогу передбачити співвідношення мас проміжних бозонів, яке, схоже, успішно підтвердилося.

Але є й інша можливість: симетрія порушується поки що невідомими силами без участі частинки Гіґґса. Такі нові сили мають бути дуже великими, набагато більшими за відомі сили сильної взаємодії. Ленні Сасскінд (Lenny Susskind) і я незалежно працюємо над створенням теорії, якій вирішили дати назву «Техніколор» (Technicolor). Вона має дати ті самі передбачення мас проміжних бозонів, що й первісна теорія електрослабкої взаємодії, але має труднощі з поясненням мас кварків. Над теорією «Техніколор» продовжують працювати й деякі інші теоретики, які вірять, що вона перспективна. І це можливо. Тоді ВАК має знайти їй підтвердження. Сили, передбачені теорією «Техніколор», породять цілий зоопарк нових частинок. Тому, навіть якщо ВАК і не виявить бозон Гіґґса, він може виявити щось інше, що відіграє ту саму роль, наприклад «Техніколор». І справді, можна показати, що якщо взагалі не вводити жодних нових частинок, ми прийдемо до математичних суперечностей.

— Ще один принцип, який фізики сподіваються підтвердити за допомогою ВАК, — це суперсиметрія, ідея якої полягає в тому, що «частинки сил», проміжні бозони, і частинки речовини, електрони та кварки, глибоко взаємопов’язані. Деякі фізики переконані в існуванні суперсиметрії не менше, ніж Ейнштейн був упевнений у своїй теорії відносності. Ви теж так думаєте?

— Ні. Спеціальна теорія відносності дуже добре узгоджувалася з усім, що вже було відомо з теорії та експериментів, — з електромагнітною теорією Максвелла і з тим, що ніхто не зміг виявити «етер», в існування якого вірили люди. І якби мені випало щастя створити в 1905 р. спеціальну теорію відносності, я б, як і Ейнштейн,
не сумнівався в її правильності.

Щодо суперсиметрії я такої впевненості не маю. Вона має низку невеликих досягнень. Вона дала змогу уточнити передбачення значень ключових параметрів Стандартної моделі та надала природних кандидатів на роль частинок темної матерії (див. Тродден М., Фен Дж. Темні світи). І вона має прекрасну рису — це єдиний мислимий вид симетрії, який дозволяє об’єднати такі частинки, як проміжні бозони, з електронами. Але це непереконливо.

— Ви працюєте над антропним принципом, ідеєю про те, що наш Всесвіт не має глибшого пояснення, ніж те, що ми живемо в особливій придатній для життя частині більшої області. Зокрема, ви стверджуєте, що антропний принцип дає найкраще пояснення густини темної енергії, таємничого чинника, який змушує розширення Всесвіту прискорюватися. Чи можете ви щось розповісти про це?

— Ми багато міркуємо про речі, які вважаємо фундаментальними, такі як маси частинок, різні види сил і той факт, що ми живемо у трьох просторових і одному часовому вимірах. Однак можливо, що все це визначається лише наявними умовами. Всесвіт може бути набагато більшим, ніж ми собі уявляємо, і містити щось більше, ніж наслідки Великого вибуху. Можуть існувати різні «частини» Всесвіту, що мають цілком інші властивості; у них те, що ми називаємо законами природи, може бути цілком іншим. Відмінними можуть бути навіть числа вимірів простору та часу. Має існувати якийсь основний закон, що описує все суще, але ми можемо бути набагато далі від його відкриття, ніж нам здається сьогодні.

Коли я вперше написав про це у 1987 р. (і це залишається правильним і сьогодні), я був відкритий до сприйняття різних уявлень про те, що Всесвіт може складатися з частин, у яких такі властивості, як густина темної енергії, можуть бути різними. Одне з таких уявлень — теорія хаотичної інфляції Всесвіту Андрія Лінде, згідно з якою в різний час у різних місцях відбувалося багато великих вибухів, і кожному з них відповідали свої значення таких величин, як густина темної енергії.

Як пояснює Стівен Гокінг (див.: Млодинов Л., Хокинг С. Не уловимая единая теория всего // ВМН, № 11-12, 2010 – скоро на нашому сайті), Всесвіт може являти собою суперпозицію квантових станів, подібно до знаменитого кота Шредінгера. Як цей кіт може перебувати одночасно у двох станах, в одному з яких він живий, а в іншому мертвий, так і Всесвіт може перебувати одночасно в кількох станах. У тому стані, де кіт живий, він знає, що живий, а в тому стані, де він мертвий, він нічого не знає. Подібним чином можуть існувати такі стани Всесвіту, в яких живуть учені, що досліджують те, що видається їм усім Всесвітом, а можуть бути й інші, де Всесвіт, можливо, надто малий або проходить свою історію надто швидко і де немає вчених, які помітили б, який вигляд мають ці стани.

Антропні аргументи передбачають, що для можливості утворення галактик густина темної енергії має бути достатньо малою, але не набагато меншою, ніж у нашій Галактиці, оскільки галактики з набагато меншою густиною темної енергії трапляються рідко. Розрахунки, які я провів у 1998 р. спільно з астрофізиками Г'юго Мартелом (Hugo Martel) і Полом Шапіро (Paul R. Shapiro) з Техаського університету в Остіні, привели до висновку, що темну енергію можна буде виявити найближчим часом лише за умови, що вона достатньо велика. Невдовзі астрономи її виявили.

– Ви пов'язуєте дві спільноти фізиків: тих, хто займається космологією та загальною теорією відносності, і тих, хто присвятив себе фізиці частинок і квантовій теорії. Чи думаєте ви, що ваш досвід в обох цих галузях допоможе їх об'єднати?

– Поки що я не бачу напрямку для такого об'єднання. Звичайно, я дуже хотів би його знайти. У мене є деякі ідеї щодо можливих шляхів цього об'єднання, засновані на досвіді роботи в галузі фізики елементарних частинок. Але говорити про те, чи мають ці ідеї стосунок до реального світу, ще надто рано.

Часто вважають, що теорія струн – єдина можливість позбутися нескінченностей у квантовій теорії гравітації, але є альтернативи, засновані на квантових теоріях поля того самого загального типу, який використовується у Стандартній моделі і який я називаю асимптотичною безпекою. За великих енергій інтенсивність сил прямує до певного скінченного значення, що запобігає їхньому необмеженому зростанню, забезпечуючи «безпеку».

Довгий час ця ідея здавалася безперспективною, оскільки показати, чи є теорії асимптотично безпечними, досить складно. Я провів деякі попередні розрахунки, які, на мою думку, обнадіюють, але справа просувалася з великими труднощами, і я переключився на інші теми. Потім незадовго до 2000 р. тему підхопила низка вчених у Європі. Вони підтвердили асимптотичну безпеку в різних наближеннях і показали, що ці теорії математично визначені так само добре, як Стандартна модель.

– Чим ці підходи відрізняються від теорії струн?

– Вони їй протилежні. У теорії струн ви відмовляєтеся від стандартної квантової теорії поля і винаходите щось нове. Асимптотична безпека виходить із положення, що добра квантова теорія, подібна до тієї, над якою ми працювали 60 чи 70 років, – це все, що нам потрібно.

Я не беруся категорично стверджувати, що асимптотична безпека – саме той шлях, яким слід іти. Якщо виявиться, що теорія струн істинна, я не здивуюся. Вона математично красива і цілком може бути правильним рішенням. Асимптотична безпека – лише можливість, варта серйозного дослідження. Досі жоден із підходів не привів до скільки-небудь серйозного прориву, такого як розрахунок математичних параметрів Стандартної моделі, тобто чисел, які модель приймає як даність без реального пояснення. Справжньою перевіркою буде, наприклад, з'ясування того, чому співвідношення мас частинок саме такі, якими вони є. Розгляд цих мас дещо нагадував вивчення давніх текстів на кшталт лінійного письма А: у вас є весь текст, але ви не знаєте, про що він.

– Як ви знаходите час писати про щось, крім фізики?

– Я люблю фізику і справді не хотів би повернути час назад, щоб вибрати інший життєвий шлях. Але це дуже холодна і замкнута професія, особливо для теоретиків на кшталт мене, які мало працюють спільно з іншими. Робота, якою я займаюся, ніяк не пов'язана з повсякденними турботами. Людські інтереси й почуття не проникають у неї. Зрозуміти мене може лише дуже вузьке коло професіоналів.

Щоб покинути свою вежу зі слонової кістки, я люблю думати про інші речі й писати про них. Крім того, як і більшість учених, я зацікавлений у тому, щоб суспільство підтримало мою роботу. А якщо ми не пояснюватимемо людям, чим займаємося і що сподіваємося зробити, заручитися їхньою підтримкою буде нелегко.

Переклад: І. Є. Сацевич

Інтерв'ю: Амір Аксель

ДОДАТКОВА ЛІТЕРАТУРА

• Dreams of a Final Theory. Steven Weinberg. Vintage, 1994.
• The Asymptotic Safety Scenario in Quantum Gravity. Max Niedermaier and Martin Reuter in Living Reviews in Relativity, Vol. 9, No. 5; 2006.www.livlngreviews.org/lrr-2006-5
• Lake Views: This World and the Universe. Steven Weinberg. Belknap Press, 2010.
• Present at the Creation: The Story of CERN and the Large Hadron Collider. Amir D. Aczel. Crown, 2010.

Лише зареєстровані користувачі можуть залишати коментарі. Увійдіть або зареєструйтеся.