В природе существует около 26 фундаментальных констант, и их значения позволяют нашей Вселенной существовать так, как она существует. Но откуда они берутся?
КЛЮЧЕВЫЕ ВЫВОДЫ
- В нашей Вселенной значения фундаментальных констант определяют поведение природы: величины различных сил, массы фундаментальных частиц, значение космологической постоянной и многое другое.
- В некоторых случаях эти значения могут существенно отличаться, и наша Вселенная изменится лишь незначительно; в других случаях даже незначительные различия приведут к неузнаваемой реальности. Так откуда же берутся значения этих фундаментальных констант? Есть ли за ними физический механизм или объяснение? Одно из возможных решений заключается в пузырьковых вселенных из-за инфляции, но верно ли это на самом деле?
от автора: Итан Сигел
В нашей Вселенной есть три основных свойства, которые привели к ее нынешнему развитию:
- законы физики, которые управляют всей природой,
- начальные условия, с которых началась наша Вселенная,
- и значения фундаментальных констант, применимых к частицам, полям и силам в нашей Вселенной.
Со временем это привело к нашему современному космосу: полному атомов, звезд, планет, галактик, галактических скоплений и большой космической паутины. На некоторых из этих планет возникла жизнь, и по крайней мере один пример разумной, технологически развитой жизни возник на планете, очень хорошо нам известной: Земля. Но что, если бы все было немного по-другому ? Возможно, даже при тех же законах природы и очень похожих начальных условиях версия нашей Вселенной, которая обладала бы другими фундаментальными константами, могла бы оказаться совершенно иной, чем наша. Так почему же у нашей Вселенной есть фундаментальные константы с такими значениями? Вот что хочет узнать Пьер Лоу, продолжая более раннюю статью Starts With A Bang, чтобы спросить:
«Ближе к концу вашей статьи Big Think от 26 февраля 2025 года вы написали: «Но есть ключевая вещь, о которой следует помнить: даже несмотря на то, что мы знаем все это и можем сплести из этого последовательную историю, мы все еще не знаем, почему природа имеет те ценности, которые она имеет». Можно ли это объяснить пузырями вселенных, созданными инфляцией, каждая из которых имеет разные ценности?»
Эта схема частиц и взаимодействий подробно описывает, как взаимодействуют частицы Стандартной модели в соответствии с тремя фундаментальными силами, которые описывает квантовая теория поля. Когда в смесь добавляется гравитация, мы получаем наблюдаемую Вселенную, которую мы видим, с законами, параметрами и константами, которые, как мы знаем, ею управляют. Однако многие из параметров, которым подчиняется природа, не могут быть предсказаны теорией, их необходимо измерить, чтобы узнать, и это «константы», которые требуются нашей Вселенной, насколько нам известно.
Существует множество возможных объяснений того, почему все так, как есть, и да, этот вариант стоит рассмотреть. Но является ли это убедительным объяснением? Давайте выясним.
Здесь, в нашей Вселенной, законы физики известны очень хорошо. Стандартная модель элементарных частиц и полей описывает электромагнитные и ядерные силы, а также известные нам кварки, лептоны и бозоны. Общая теория относительности — это наша теория гравитации, объясняющая все: от того, как расширяется Вселенная, до того, как работают орбиты, до свойств черных дыр и гравитационных волн. Мы также знаем частицы и другие формы энергии, обнаруженные в нашей Вселенной:
- кварки и лептоны, включающие в себя электрон, нейтрино и составляющие протонов и нейтронов,
- бозоны, которые являются посредниками фундаментальных сил, включая фотон, W- и Z-бозоны, бозон Хиггса и глюоны,
- какой бы ни была темная материя,
- плюс любая форма энергии, стоящая за ускоренным расширением Вселенной, часто принимаемая за космологическую константу, но всегда называемая темной энергией.
Вы могли бы подумать, что если бы вы знали все это, плюс начальные условия Вселенной — что она была горячей, плотной, почти идеально однородной, быстро расширяющейся, заполненной материей, антиматерией и излучением, и была засеяна несовершенствами плотности из-за инфляции — то вы могли бы предсказать практически все, что возникнет в дальнейшем в космической истории. И это именно то, что мы можем сделать: это одно из главных достижений теоретической астрофизики и космологии в частности в конце 20-го и начале 21-го веков.
Квантовые флуктуации, присущие пространству, растянутые по Вселенной во время космической инфляции, породили флуктуации плотности, запечатленные в космическом микроволновом фоне, которые, в свою очередь, породили звезды, галактики и другие крупномасштабные структуры во Вселенной сегодня. Это лучшая картина того, как ведет себя вся Вселенная, где инфляция предшествует Большому взрыву и создает его. К сожалению, мы можем получить доступ только к информации, содержащейся внутри нашего космического горизонта, который является частью той же доли одного региона, где инфляция закончилась около 13,8 миллиардов лет назад.
Но есть еще один ингредиент, который нам нужен. Видите ли, Вселенная не просто управляется физическими законами и ингредиентами внутри нее; есть также важные параметры, которые входят в наши управляющие уравнения. К ним относятся:
- Константы сильной, слабой, электромагнитной и гравитационной связи, которые говорят нам о силе различных фундаментальных взаимодействий. Если вы слышали о числе 1/137 или о концепции постоянной тонкой структуры , они относятся к силе электромагнитного взаимодействия.
- Массы покоя каждой из фундаментальных, массивных частиц, от нейтрино до кварков, лептонов и т. д., которые также могут быть параметризованы связью с Хиггсом. Некоторые из них, как масса покоя электрона , привели бы к совершенно иной Вселенной, чем та, которую мы признаем нашей, если бы они были хоть немного другими.
- Параметры смешивания между кварками (заданными матрицей CKM ) и нейтрино (заданными матрицей PMNS ), которые определяют, как смешиваются частицы с одинаковыми квантовыми числами, необходимы для объяснения таких явлений, как слабые распады и осцилляции нейтрино.
- И есть еще один параметр, по крайней мере, для космологической постоянной , которая является нашим простейшим приближением того, чем может быть темная энергия.
В целом, это эквивалентно 26 фундаментальным константам , и это все еще оставляет неучтенными такие загадки, как темная материя, бариогенез и любые параметры, связанные с инфляцией. Важно то, что эти фундаментальные константы необходимы для воспроизведения Вселенной, которую мы имеем; если бы они были другими, наша Вселенная была бы соответственно другой.
Массы покоя фундаментальных частиц во Вселенной определяют, когда и при каких условиях они могут быть созданы, а также связаны с тем, как долго они могут выжить после своего создания во время горячего Большого взрыва. Чем массивнее частица, тем меньше времени она может спонтанно быть создана в ранней Вселенной и тем короче будет ее продолжительность жизни. Хотя мы можем объяснить массы частиц через связь с Хиггсом, у нас нет способа успешно предсказать их значения; они должны быть экспериментально измерены, чтобы быть определенными.
Насколько нам известно, эти константы действительно постоянны и неизменны в пространстве и во времени ; они, кажется, не меняются и не изменяются. Но как мы узнаем значения этих констант?
Возможно, к сожалению, мы не «знаем», каковы эти значения в каком-либо предсказательном смысле. У нас нет способа вычислить, какими они должны быть, и нет никакой связи или уравнения между ними, которые выдерживали бы какую-либо проверку. Было предложено множество связей, но ни одна из них не сработала, чтобы фактически дать значения любой из этих фундаментальных констант. Все, что мы можем сделать, если хотим определить, что они собой представляют, — это задать вопрос природе экспериментальным путем: выйти и измерить эти параметры напрямую. Вот как мы узнаем их значения: мы провели критические измерения, чтобы определить, что они собой представляют: не теоретическим путем, а чисто эмпирически. Когда я говорил о Вселенной в более ранней статье , и я сказал: «… хотя мы знаем все это и можем сплести из этого последовательную историю, мы все еще не знаем, почему природа имеет те значения, которые она имеет», именно это я и имел в виду: тот факт, что мы не можем предсказать эти значения, а можем только измерить их, чтобы определить, каковы они.
Здесь, в нашей собственной Солнечной системе, одна звезда удерживает систему, где внутренние, каменистые планеты, пояс астероидов средней дальности, а затем более далекие газовые гигантские планеты в конечном итоге уступают место поясу Койпера и облаку Оорта. Только вокруг звезд, которые сформировались с достаточно большой долей тяжелых элементов из жизней и смертей предыдущих поколений звезд, могут возникнуть каменистые миры, единственный дом для жизни, о котором мы знаем. Без этих ключевых ингредиентов разумные наблюдатели были бы невозможны в нашей Вселенной.
Но что, если мы не удовлетворены этим ответом, как наш спрашивающий на этой неделе? Что бы мы сделали; какие есть варианты, и как бы мы определили, была ли какая-то глубинная причина того, что эти константы имеют те значения, которые они имеют? Другими словами, как они приобрели те ценности, которые мы им приписываем?
В физике мы постоянно сталкиваемся с этой ситуацией: мы наблюдаем что-то, мы учимся измерять это очень точно и аккуратно, и мы определяем об этом как можно больше. И как только мы это делаем, мы идем дальше и задаем следующий вопрос: «Как это стало иметь те свойства, которые оно имеет?»
Вот где теоретики процветают: в придумывании правдоподобных механизмов, которые могут объяснить и объяснить явления, которые мы видим. В общем, мы называем эти классы проблем проблемами тонкой настройки: поскольку мы можем представить, что любой такой параметр, константа или значение могли бы быть повсюду на карте, и что существенно отличающиеся возможности привели бы к совершенно разным результатам. Вселенная с:
- гораздо более слабая электромагнитная сила ,
- гораздо большая масса для верхних и нижних кварков,
- или гораздо большая космологическая постоянная,
никогда бы не привело к образованию звезд и галактик, не говоря уже о каменистых планетах, сложных молекулах и возможности жизни.
Balanced Rock, представленный здесь на фотографиях до 1975 года (черно-белые) и после 1976 года (цветные), демонстрирует, как выветривание и эрозия могут привести к обрушению сооружений с течением времени. Справа, структура, когда-то известная как «Chip off the Old Block», упала зимой 1975-1976 годов, и когда-нибудь Balanced Rock тоже рухнет. Однако она была создана естественными процессами, даже если так не кажется; понимание того, как это происходит, является ключом к решению того, что на первый взгляд кажется проблемой тонкой настройки.
Тот факт, что что-то кажется тонко настроенным на определенный результат, по крайней мере на поверхности, не обязательно указывает на какую-либо тонкую настройку вообще. Возьмите приведенный выше пример того, что выглядит как естественный пример гигантского валуна в неустойчивом равновесии: где небольшой толчок может его опрокинуть. Если вы обнаружили что-то подобное, вы можете подумать:
- это было крайне маловероятно, чтобы произошло естественным путем,
- что его, должно быть, специально туда поместили и тщательно сбалансировали,
- или что должен быть какой-то механизм, даже если он не сразу очевиден, для создания этой конфигурации.
Из этих трех мыслей только третья считается научным подходом к проблеме. Идея о том, что это не могло произойти естественным путем, является простой мыслью, но она предполагает, что не существует физического механизма, который мог бы создать эту конфигурацию посредством естественных процессов. Вторая мысль также возможна; конечно, люди (и, в меньшей степени, другие существа) действительно изменяют свою среду преднамеренно и часто глубоко.
Но это не было создано человеком или каким-либо разумным создателем; это произошло естественным образом: через процесс неравномерной эрозии и выветривания, воздействующих на осадочную породу с разной твердостью в разных слоях. Научный подход требует, чтобы существовал базовый механизм, который объясняет, как вещи стали такими, какие они есть.
Когда симметрия восстанавливается (желтый шар вверху), все становится симметричным, и нет никакого предпочтительного состояния. Когда симметрия нарушается при более низких энергиях (синий шар внизу), та же свобода, что и все направления, больше не присутствует. В случае электрослабой (или Хиггсовской) симметрии, когда она нарушается, происходит спонтанный процесс, дающий массу частицам во Вселенной.
Итак, каковы же возможные «механизмы» определения фундаментальных констант, придающих нашей Вселенной наблюдаемые нами свойства?
Мы можем представить это так же, как мы представляем себе спонтанное нарушение симметрии, проиллюстрированное выше. Что в какой-то момент Вселенная находилась в более симметричном состоянии, чем сейчас, и такие значения не только не были определены, но, возможно, даже законы физики тогда были другими. Это то, что соответствовало бы «восстановленному» состоянию симметрии, или где шар находится на «верху» потенциала, показанного выше.
Но очевидно, что так будет не всегда; это пример неустойчивой точки равновесия. Чтобы определить, является ли что-то стабильным или нестабильным, достаточно просто представить, что вы слегка подталкиваете его: толчок в любом направлении, который отдаляет его от текущего состояния. В любом направлении толчок заставит этот мяч скатиться вниз по склону той стороны, куда его подталкивают, а затем он скатится в долину внизу.
Эта диаграмма отображает структуру Стандартной модели (таким образом, что ключевые взаимосвязи и закономерности отображаются более полно и менее вводяще в заблуждение, чем в более привычном изображении, основанном на квадрате частиц 4×4). В частности, эта диаграмма отображает все частицы Стандартной модели (включая их буквенные названия, массы, спины, хандасность, заряды и взаимодействия с калибровочными бозонами: т. е. с сильными и электрослабыми силами). Она также отображает роль бозона Хиггса и структуру нарушения электрослабой симметрии, показывая, как ожидаемое значение вакуума Хиггса нарушает электрослабую симметрию и как вследствие этого изменяются свойства остальных частиц. Массы нейтрино остаются необъясненными.
Это приводит к состоянию «нарушенной симметрии»: когда она опускается в одном конкретном направлении и в конечном итоге оседает в долине, которая соответствует состоянию с более низкой энергией. В этом состоянии законы физики теперь могут быть другими, фундаментальные константы могли принять определенные значения, которые раньше могли даже не иметь смысла, и где возврат к состоянию «восстановленной симметрии» потребовал бы огромного количества энергии; это не произойдет спонтанно.
В физике есть много примеров этого: теории великого объединения, теория струн, другие теории всего и т. д. Мы всегда можем выдвинуть гипотезу о дополнительных симметриях в более раннем, более высокоэнергетическом состоянии, а затем придумать механизмы, с помощью которых эти симметрии нарушаются. Если бы мы придумали хороший физический механизм, он бы не только объяснил, почему фундаментальные константы приняли те значения, которые они приняли, но и привел бы к конкретным предсказаниям с непосредственно наблюдаемыми последствиями; это то, что мы обычно требуем от хорошей физической теории.
Однако, то, что было задано, касается другой идеи: решения без механизма. Вместо этого был предложен следующий сценарий:
- произошла космическая инфляция,
- что инфляция заканчивается в одном конкретном регионе,
- породив нашу Вселенную и наш горячий Большой Взрыв,
- и в регионе, где мы сейчас живем, фундаментальные константы приняли те же значения, что и здесь,
- тогда как другие места, где заканчивается инфляция, могут давать значения фундаментальных констант, кардинально отличающиеся от наших.
К сожалению, это не четко определенный механизм с конкретными предсказаниями. Это всего лишь идея, основанная на идее струнного ландшафта: утверждение, что фундаментальные константы определяются ожидаемыми значениями вакуума струнных вакуумов, что эти значения были неопределенными до и во время космической инфляции, и что акт окончания инфляции затем определяет эти струнные вакуумы (и, по ассоциации, значения фундаментальных констант) случайным образом для каждой вселенной-ребенка/пузыря, которая создается в конце инфляции.
Ландшафт струн может быть увлекательной идеей, полной теоретического потенциала, но он не может объяснить, почему значение такого тонко настроенного параметра, как космологическая постоянная, начальная скорость расширения или полная плотность энергии, имеет те значения, которые они имеют. Каждый «карман» ландшафта струн имеет свое собственное уникальное значение вакуумного ожидания, которое соответствует значению фундаментальной константы во Вселенной.
Однако совершенно не ясно, так ли это. Это предположение, и по многим оценкам, довольно неудачное. Ожидается, что теория струн станет актуальной при энергиях, близких к планковской шкале: при энергиях ~10 19 ГэВ или около того, возможно, всего на один или два порядка ниже этого значения. Но существует верхний предел максимальных энергий, достигнутых в горячем Большом взрыве, который более чем в 1000 раз ниже планковской энергии, что говорит о том, что нет, динамики инфляции должно быть недостаточно для отбора различных струнных вакуумов.
Однако, поскольку у нас нет квантовой теории гравитации и поскольку у нас есть лишь элементарное понимание динамики, которая произошла в конце инфляции, любое обсуждение того, какой «механизм» может играть роль, в настоящее время является принципиально спекулятивным. Поэтому многие физики делают упрощающее предположение — которое не обязательно является верным — что все возможные значения всех различных струнных вакуумов (и, следовательно, фундаментальных констант, которые возникают) одинаково вероятны, и, следовательно, инфляционная мультивселенная с ее различными младенческими/пузырьковыми вселенными внутри нее (только одна из которых становится нашей), принимает все эти возможные значения. И поэтому, когда речь заходит о вопросе «Почему константы в нашей Вселенной имеют именно те значения, которые они имеют?», ответ прост: «Потому что мы, наблюдатели, которые могут измерять Вселенную, могли возникнуть только во Вселенной, которая приняла значения, делающие физически возможным возникновение разумных наблюдателей».
Это изображение, на котором Эйнштейн читает лекцию группе студентов в Университете Линкольна в 1946 году, было сильным актом антирасизма в то время. Мир, в котором люди разных рас могут объединиться, возможен только во Вселенной, фундаментальные константы которой имеют значения, допускающие существование разумных наблюдателей как возможность. Однако этот факт, хотя и верен, не является убедительным или удовлетворительным объяснением того, почему константы принимают те значения, которые они, как наблюдают, имеют.
Как вы относитесь к такому объяснению?
Некоторых людей это вполне устраивает. Это пример антропного рассуждения : признание того, что если бы все было настолько по-другому, что разумные наблюдатели (такие как мы) не были бы физически допустимой возможностью, то в такой Вселенной не было бы никого, кто бы мог это наблюдать. Хотя это, безусловно, так, это не очень удовлетворительный и не очень научный подход к проблеме с точки зрения большинства физиков. Если мы хотим понять природу реальности — по-настоящему понять, как вещи стали такими, какие они есть — вот что действительно требуется: понимание механизма, с помощью которого вещи приобрели свойства, которыми они обладают сегодня. Если мы хотим понять, почему у нас есть протоны и нейтроны вместо кварк-глюонной плазмы, нам нужно понять фазовый переход КХД; если мы хотим понять, почему у нас есть электромагнитное и слабое ядерное взаимодействие, нам нужно понять нарушение электрослабой симметрии. Аналогично, если мы хотим понять свойства нашей Вселенной, которые мы в настоящее время не понимаем, например, как наша Вселенная стала доминировать над материей или как фундаментальные константы получили значения, которыми они обладают в настоящее время , мы не должны быть «удовлетворены», пока не поймем лежащий в основе механизм.
Итак, вкратце, да, значения фундаментальных констант можно объяснить пузырьковыми вселенными, созданными инфляцией, но это объяснение вряд ли удовлетворительно с научной точки зрения. Оно может оказаться правильным компонентом истории, но пока мы не поймем, как это произошло, наше физическое понимание останется неудовлетворительным и неполным, даже в лучшем случае.
Отправляйте свои вопросы в рубрике «Спросите Итана» на адрес startswithabang at gmail dot com !