Especialistas no campo da física fundamental (e agora, por definição, a teoria das partículas elementares, astrofísica relativística e cosmologia) costumam comparar o estado de sua ciência com a situação no final do século XIX. A física daquela época, que se baseava na mecânica newtoniana, na teoria maxwelliana do campo eletromagnético, na termodinâmica e na mecânica estatística de Boltzmann-Gibbs, explicava com sucesso quase todos os resultados experimentais. É verdade que também havia mal-entendidos - o resultado zero do experimento Michelson-Morley, a ausência de uma explicação teórica dos espectros de radiação do corpo negro, a instabilidade da matéria, manifestando-se no fenômeno da radioatividade. No entanto, eram poucos e não destruíram a esperança de um triunfo garantido das ideias científicas formadas - pelo menos,do ponto de vista da maioria absoluta dos cientistas conceituados. Quase ninguém esperava uma limitação radical da aplicabilidade do paradigma clássico e o surgimento de uma física fundamentalmente nova. E ainda assim ela nasceu - e em apenas três décadas. Por uma questão de justiça, vale a pena notar que a física clássica desde então expandiu tanto suas capacidades que suas realizações pareceriam estranhas a titãs de tempos passados como Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin e Lorenz. Mas essa é uma história completamente diferente.que suas realizações teriam parecido estranhas a titãs de tempos antigos como Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin e Lorenz. Mas essa é uma história completamente diferente.que suas realizações teriam parecido estranhas aos titãs dos velhos tempos como Faraday, Clausius, Helmholtz, Rayleigh, Kelvin e Lorenz. Mas essa é uma história completamente diferente.
Uma discussão detalhada das dificuldades da física fundamental moderna ocupará muito espaço e está além da minha intenção. Portanto, vou me limitar a algumas fraquezas bem conhecidas da teoria universal mais bem-sucedida do micromundo - o Modelo Padrão de partículas elementares. Ele descreve duas das três interações fundamentais - forte e eletrofraca, mas não afeta a gravidade. Esta teoria verdadeiramente grande tornou possível compreender muitos fenômenos usando o princípio da invariância de calibre. Porém, ela não explicou a presença de massa nos neutrinos e não revelou a dinâmica de quebra espontânea de simetria da interação eletrofraca, que é responsável pelo surgimento da massa devido ao mecanismo de Higgs. Não permitiu prever a natureza e as propriedades das partículas que podem ser consideradas candidatas ao papel de portadoras de matéria escura. Nem o Modelo Padrão foi capaz de estabelecer ligações inequívocas com teorias inflacionárias que estão no cerne da cosmologia moderna. E, finalmente, ela não esclareceu o caminho para a construção de uma teoria quântica da gravitação, apesar dos esforços verdadeiramente titânicos dos teóricos.
Não pretendo afirmar que os exemplos dados (e há outros) permitem julgar a transição da física fundamental para um estado instável, repleto de uma nova revolução científica. Existem diferentes opiniões sobre isso. Estou interessado em uma questão que não é tão global, mas não menos interessante. Muitas publicações contemporâneas questionam a aplicabilidade do critério de naturalidade de conceitos teóricos, que por muito tempo foi considerado um princípio orientador confiável e eficaz na construção de modelos de microcosmo (ver, por exemplo, GF Giuduce, 2017. The Dawn of the Post-Naturalness Era). É assim, qual é a naturalidade de uma teoria física e o que pode substituí-la? Para começar, conversei sobre isso com Sergei Troitsky, pesquisador-chefe do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências.
Sergey Vadimovich Troitsky, Membro Correspondente da Academia Russa de Ciências, Pesquisador Principal do Instituto de Pesquisa Nuclear da Academia Russa de Ciências. Foto de prof-ras.ru
Sergei, primeiro, vamos concordar no principal. Como você avalia o estado atual da física fundamental? Segundo a conhecida terminologia de Thomas Kuhn, é ciência normal, ciência em fase pré-crise ou apenas em crise?
ST: Você classifica a cosmologia como física fundamental. Isso é bastante razoável, mas não sou um especialista nisso e, portanto, abster-me-ei de avaliações. Mas se falamos sobre física de alta energia e o Modelo Padrão de partículas elementares como sua base teórica, então nesta área, de fato, tudo é muito difícil. Por muitos anos, o Large Hadron Collider (LHC) tem trabalhado no CERN e produzido resultados. Graças a ele, a situação na física de partículas tornou-se, por um lado, muito enfadonha e, por outro, extremamente interessante. Muitas vezes me lembro que não muito antes do lançamento do LHC, um físico teórico altamente respeitado previu que agora se abriria uma ampla estrada de pilares em nossa ciência, o que levaria rapidamente a grandes descobertas. Ele acreditava que literalmente nas primeiras horas de operação do colisor, ou, no máximo, dentro de um ano, parceiros de partículas já conhecidas seriam revelados,há muito previsto pela teoria da supersimetria. Eles foram considerados antecipadamente como partículas de matéria escura há muito esperadas que poderiam ser estudadas por muitos anos. Essa é a grande perspectiva de nossa ciência.
E o que aconteceu na prática? Não havia superparceiros, e não, e as chances de abri-los no futuro diminuíram muito. Seis anos atrás, o bóson de Higgs foi capturado no LHC e se tornou uma sensação mundial. Mas como você pode avaliar isso? Eu diria que esta é, em certo sentido, a conquista mais terrível do LHC, porque o Higgs foi previsto há muito tempo. Tudo seria muito mais interessante se não fosse possível abri-lo. E agora descobrimos que não temos nada além do Modelo Padrão, mesmo que esteja bem confirmado em experimentos. Milagres não aconteceram, descobertas que estão fora do escopo do Modelo Padrão não foram feitas. Nesse sentido, a situação é sim pré-crise, pois sabemos com certeza que o Modelo Padrão não está completo. Você já observou isso na introdução à nossa conversa.
Quando dois prótons colidem (não mostrado na figura), dois quarks (Quark) são formados, os quais, quando combinados, formam um bóson W (bóson vetorial fraco) - uma partícula carregando uma interação fraca. O bóson W emite o bóson de Higgs, que decai em dois quarks b (quark Bottom). Imagem do artigo: B. Tuchming, 2018. Deterioração do bóson de Higgs observada há muito tempo.
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Então vamos mais longe. Quão importante é o princípio da naturalidade na teoria das partículas, e o que é? Não é um simples respeito pelo bom senso, é?
ST: Eu vejo isso como uma espécie de critério estético, mas esclarecimentos são necessários aqui. O modelo padrão possui três componentes. Primeiro, é a lista de partículas que ele contém. Todos eles já foram descobertos, o bóson de Higgs foi o último. Em segundo lugar, há um grupo de interações que ela descreve. Mas também há uma terceira parte - um conjunto de parâmetros livres. São dezenove números que só podem ser determinados experimentalmente, uma vez que não são calculados dentro da estrutura do próprio modelo (ver S. V. Troitsky, 2012. Unsolved Problems of Elementary Particle Physics).
E é aqui que surgem as dificuldades. Em primeiro lugar, existem muitos desses parâmetros. Dezenove é um número estranho que não parece seguir de lugar nenhum. Além disso, seus significados são muito diferentes e, portanto, difíceis de explicar. Digamos que o número de parâmetros livres inclua as massas dos léptons - elétron, múon e partícula de tau. Um múon é cerca de duzentas vezes mais pesado que um elétron e um tau é quase vinte vezes mais pesado que um múon. É o mesmo com os quarks - suas massas diferem em ordens de magnitude e todo o resto é o mesmo.
As massas de todas as partículas do Modelo Padrão estão espalhadas por uma faixa muito ampla. No modelo padrão, essa hierarquia de massa não é explicada de forma satisfatória. Imagem da seção Dificuldades do Modelo Padrão do projeto do Grande Colisor de Hádrons de Igor Ivanov.
Outro exemplo é o valor do parâmetro adimensional, que caracteriza a violação da invariância CP em interações fortes. Seu valor exato é desconhecido, mas as experiências mostram que, em qualquer caso, é inferior a 10-9. Novamente, isso é estranho. Em geral, os parâmetros livres do Modelo Padrão variam muito em magnitude e parecem quase aleatórios.
Um dos métodos de registro experimental de axions. A figura em azul mostra o fluxo estimado de axions emitidos pelo Sol, que são então convertidos no campo magnético da Terra (vermelho) em raios X (laranja). Esses raios podem ser detectados pelo telescópio espacial de raios-X XMM-Newton. Ainda não se sabe onde procurar os áxions: eles podem ser partículas de matéria escura ou se manifestar na evolução das estrelas.
Então, existem muitos parâmetros livres do Modelo Padrão, seus valores parecem desmotivados e excessivamente dispersos. Mas o que a naturalidade tem a ver com isso?
S. T.: E acabamos de abordá-la. Na física de partículas elementares, o princípio da naturalidade dos modelos teóricos tem um significado muito específico. Requer que todos os parâmetros livres adimensionais sejam iguais a zero, ou a ordem de magnitude não seja muito diferente de um - digamos, na faixa de um milésimo a mil. Os parâmetros do Modelo Padrão claramente não atendem a este critério. Mas há também uma condição adicional, que foi formulada em 1980 pelo notável físico teórico holandês Gerard 't Hooft, um dos criadores do Modelo Padrão. Ele postulou que um valor muito pequeno de qualquer parâmetro livre recebe uma explicação natural apenas se seu zeramento estrito levar ao aparecimento de simetria adicional, à qual as equações da teoria obedecem. De acordo com 't Hooft,A “proximidade” de tal simetria serve como uma espécie de escudo protegendo a escassez desse parâmetro de grandes correções devido a processos quânticos envolvendo partículas virtuais. Quando eu era estudante e estudante de pós-graduação, toda a nossa ciência literalmente floresceu com esse postulado. Mas isso ainda é um enfraquecimento do princípio da naturalidade, que estamos discutindo.
Gerard 't Hooft, físico teórico holandês, um dos fundadores do Modelo Padrão. Foto do site sureshemre.wordpress.com
O que acontece se você for além do Modelo Padrão?
ST: Aqui também surge o problema da naturalidade, embora de tipo diferente. O parâmetro dimensional mais importante do Modelo Padrão é a média do vácuo do campo de Higgs. Ele determina a escala de energia da interação eletrofraca e as massas das partículas dependem dela. Fora do modelo padrão, há apenas um parâmetro igualmente fundamental da mesma dimensão. Essa, é claro, é a massa de Planck, que define a escala de energia para os efeitos quânticos associados à gravidade. O campo de Higgs tem cerca de 250 GeV, que é o dobro da massa do bóson de Higgs. A massa de Planck é de aproximadamente 1019 GeV. Portanto, sua proporção é um número muito pequeno ou um número gigantesco, dependendo do que colocar no numerador e no denominador. Na verdade, outras escalas interessantes fora do Modelo Padrão estão sendo discutidas,mas também são incomensuravelmente maiores do que o campo de Higgs. Portanto, também aqui estamos lidando com uma estranheza óbvia, em outras palavras, uma falta de naturalidade.
Então, talvez seja melhor considerar o princípio como uma relíquia natural da ciência do século XX e abandoná-lo por completo? Não é à toa que alguns cientistas falam sobre o início da era pós-natural
ST: Bem, mesmo uma recusa total não resolverá todos os nossos problemas. Como eu disse, o princípio da naturalidade é algo do campo da estética. Mas também existem problemas experimentais que não levarão a lugar nenhum. Digamos que agora se saiba com certeza que o neutrino tem massa, enquanto as simetrias do Modelo Padrão exigem que seja estritamente zero. O mesmo acontece com a matéria escura - no Modelo Padrão não é, mas na vida, aparentemente, é. É possível que, se as dificuldades experimentais puderem ser razoavelmente resolvidas, nada terá que ser abandonado. Mas, repito, todo esse complexo de problemas é bastante real e indica a natureza de crise da situação atual na física fundamental. É possível que a saída desta crise seja uma revolução científica e uma mudança no paradigma existente.
Sergei, o que o princípio da naturalidade significa para você pessoalmente? Talvez até emocionalmente?
ST: Para mim, é, em certo sentido, o princípio da computabilidade. Podemos não apenas tirar do experimento, mas também calcular todos esses 19 parâmetros? Ou pelo menos reduzi-los ao único parâmetro verdadeiramente livre? Isso seria bom para mim. Mas até agora essa possibilidade não é visível. A propósito, em certa época muitos esperavam que as principais dificuldades do Modelo Padrão pudessem ser resolvidas com base no conceito de supersimetria. No entanto, mesmo as generalizações supersimétricas mínimas do Modelo Padrão contêm até 105 parâmetros livres. Isso já é muito ruim.
Mas, para tal cálculo, você precisa confiar em algo. Como diz o ditado, você não supõe nada - você não ganha nada
S. T.: Esse é exatamente o ponto. Idealmente, eu gostaria de ter uma teoria unificada abrangente, que, pelo menos em princípio, permitirá que todos os cálculos necessários sejam realizados. Mas onde conseguir isso? Por muitos anos, a teoria das cordas foi proposta como candidata a esse fundamento universal. Foi criado há quase 50 anos, uma idade bastante respeitável. Talvez esta seja uma construção teórica maravilhosa, mas ainda não ocorreu como uma teoria unificada. Claro, ninguém está proibido de esperar que isso aconteça. No entanto, na história da física, raramente aconteceu que uma teoria se desenvolveu durante meio século sobre promessas de sucessos futuros e, então, de repente e de fato explicou tudo. Eu duvido de qualquer maneira.
É verdade que há uma certa sutileza aqui da teoria das cordas, que implica a existência de cerca de 10.500 vácuos com diferentes leis físicas. Falando figurativamente, cada vácuo deve ter seu próprio Modelo Padrão com seu próprio conjunto de parâmetros livres. Numerosos adeptos do princípio antrópico argumentam que nosso próprio conjunto não requer explicação, uma vez que em mundos com física diferente não pode haver vida e, portanto, ciência. Do ponto de vista da lógica pura, tal interpretação é aceitável, exceto que a escassez do parâmetro θ não pode ser derivada do princípio antrópico. Este parâmetro poderia muito bem ter sido mais - daí as chances do surgimento de vida inteligente em nosso planeta não diminuiriam de forma alguma. Mas o princípio antrópico apenas anuncia a possível existência de um conjunto quase infinito de mundos e é realmente limitado a isso. Não pode ser refutado - ou, para usar a terminologia, falsificado. Isso não é mais ciência, pelo menos no meu entendimento. Parece-me incorreto abandonar o princípio da falseabilidade do conhecimento científico em favor de uma teoria que, de fato, nada pode explicar.
Eu não posso discordar. Mas vamos mais longe. Como você pode sair da crise - ou, se quiser, da pré-crise da física fundamental? Quem está com a bola agora - os teóricos ou os experimentadores?
S. T.: Logicamente, a bola deve estar do lado dos teóricos. Existem dados experimentais confiáveis sobre a massa dos neutrinos, e há observações de astrônomos que confirmam a existência de matéria escura. Parece que a tarefa é óbvia - apresentar os fundamentos de uma nova abordagem teórica e construir modelos específicos que permitam a verificação experimental. Mas até agora essas tentativas não deram em nada.
Novamente, não está claro o que esperar do Grande Colisor de Hádrons após sua modernização planejada. É claro que muitos dados serão recebidos nesta máquina, e mesmo agora, nem todas as informações coletadas por seus detectores foram processadas. Por exemplo, há evidências de que elétrons e múons não são inteiramente idênticos em suas interações. Esta seria uma descoberta muito séria, possivelmente explicando a diferença em suas massas. Mas esta evidência ainda é fraca, você pode confiar neles ou não pode confiar neles. Essa questão provavelmente será resolvida em experimentos subsequentes no LHC. No entanto, vale a pena lembrar que as equipes de físicos experimentais que trabalham nele relataram mais de uma vez indícios de grandes descobertas fora do Modelo Padrão e, posteriormente, esses anúncios foram refutados.
O que sobrou? Pode-se esperar superaceleradores que serão construídos algum dia, mas com eles tudo ainda não está claro - pelo menos para uma perspectiva de 10-20 anos. Portanto, a bola está realmente do lado dos astrofísicos. Um avanço verdadeiramente radical pode ser esperado desta ciência.
Por quê?
ST: A questão é que não é possível encontrar novas partículas envolvidas em interações fortes. Isso significa que precisamos procurar por partículas de interação fraca que estão ausentes no modelo padrão. Se interagirem fracamente, significa que raramente interagem, e as manifestações de tais interações precisam esperar o tempo suficiente. Não podemos esperar muito pelos experimentos em aceleradores. Mas o Universo está esperando há quase 14 bilhões de anos, e os efeitos de até mesmo interações muito raras podem se acumular todo esse tempo. É possível que tais efeitos sejam encontrados por astrofísicos. E já existem exemplos disso - afinal, a presença de oscilações de neutrinos, demonstrando a massa diferente de zero dessa partícula, foi descoberta no estudo dos neutrinos solares. Essas esperanças são ainda mais justificadas,que a base de observação da astronomia e astrofísica está em constante expansão devido a novos telescópios terrestres e espaciais e outros equipamentos. Digamos que, um ano após o primeiro registro direto das ondas gravitacionais, ficou comprovado que elas se propagam com a mesma velocidade da radiação eletromagnética. Este é um resultado muito importante que fala muito para os teóricos.
Palestra de Sergei Troitsky “O Universo como Laboratório de Física de Partículas”, proferida em 8 de outubro de 2017 na Universidade Estadual de Moscou. M. V. Lomonosov no Festival de Ciências:
Sergei, já que você mencionou espaço, vamos nos lembrar de Johannes Kepler. Em 1596, ele notou que os raios médios das órbitas planetárias de Mercúrio a Saturno calculados por Copérnico eram 0,38: 0,72: 1,00: 1,52: 5,2: 9,2. A distância entre Marte e Júpiter parecia para Kepler muito grande e, portanto, não natural. Ele presumiu que havia um planeta ainda desconhecido e, em última análise, estava certo. Na véspera de Ano Novo de 1801, Giuseppe Piazzi descobriu Ceres nesta zona, que agora é reconhecida como um planeta anão. Claro, agora sabemos que não existe um planeta, mas todo um cinturão de asteróides. Kepler não fazia ideia sobre ele, mas acho que dificilmente ficaria muito surpreso. Em geral, com base no critério da naturalidade, foi feita uma previsão muito específica, que a princípio foi justificada literalmente, e depois, se quiser, com juros. Algo semelhante é possível na física fundamental hoje?
S. T.: Isso não está excluído. Se aplicarmos o critério de naturalidade para explicar a hierarquia das massas fermiônicas, é quase certo que alguma nova simetria aparecerá. Geralmente, até o momento, vários candidatos foram propostos para essa função, mas nem todos eles nos satisfazem. Se tal simetria puder ser encontrada, isso pode nos levar a partículas ainda desconhecidas. É verdade que predizê-los diretamente, como o de Kepler, não funcionará, mas aprenderemos algo útil. No entanto, é possível que, também neste caso, as instruções úteis sejam um tanto vagas, com um conjunto colossal de opções. Por exemplo, o axion é previsto apenas com base na nova simetria proposta por Peccei e Quinn. No entanto, esse mecanismo permite uma liberdade muito grande na escolha dos parâmetros e, portanto, não temos indicação de onde procurar o áxion. Pode ser uma partícula de matéria escuraou pode se manifestar na evolução das estrelas ou em outro lugar - simplesmente não sabemos.
Bem, o tempo dirá. E muito obrigado pela conversa
Também conversei com Gia Dvali, professora de física nas Universidades de Nova York e Munique e codiretora do Instituto Max Planck de Física (aliás, este renomado centro científico foi criado em 1914 como o Instituto de Física Kaiser Wilhelm, e seu primeiro diretor foi Albert Einstein). Naturalmente, falamos sobre o mesmo assunto.
Georgiy Dvali, professor de física do Centro de Cosmologia e Física de Partículas da Universidade de Nova York e da Universidade Ludwig-Maximilian de Munique, diretor do Instituto Max Planck de Física de Munique. Foto do site astronet.ge
Guia, como você interpreta o problema da naturalidade do Modelo Padrão?
GD: Em geral, posso repetir o que o Sergei disse. As equações do Modelo Padrão incluem um conjunto de parâmetros livres que ele não pode prever. Os valores numéricos desses parâmetros diferem muito uns dos outros, mesmo se estivermos falando de objetos aparentemente semelhantes. Considere, digamos, um neutrino, um elétron e um quark t. Todos eles são férmions, mas a massa do neutrino, provavelmente, não excede uma fração de um elétron-volt, a massa do elétron é aproximadamente igual a quinhentos mil elétron-volts e a massa do t-quark é 175 GeV - 175 bilhões de elétron-volts. Essas diferenças podem, de fato, parecer pouco naturais.
Mas este é apenas o lado externo. Para entender melhor tudo, é necessário levar em consideração a sensibilidade ultravioleta desses parâmetros. Estamos falando de sua dependência de um aumento na escala de energias - ou, o que é o mesmo, de uma diminuição na escala espacial. Digamos que primeiro medamos a massa de um elétron em um laboratório e depois vejamos o que acontece com ele nas distâncias de Planck. Com esta abordagem, os parâmetros são divididos em vários grupos. A sensibilidade ultravioleta máxima é demonstrada pela densidade de energia do vácuo físico. Na região de Planck, é proporcional ao quarto grau de mudança de escala. Se a massa de Planck for duplicada, o valor da energia do vácuo aumentará 16 vezes. Para a massa do bóson de Higgs, essa dependência não é tão grande: não a quarta, mas apenas a segunda. As massas dos férmions mudam muito fracamente - apenas de acordo com a lei logarítmica. Finalmente, o parâmetro θ praticamente não percebe mudanças na escala de Planck. Embora sua sensibilidade não seja zero, é tão pequena que pode ser desconsiderada.
O que isso se espalha no grau de sensibilidade dos parâmetros livres do Modelo Padrão? Várias opções são possíveis aqui. Por exemplo, pode-se supor que a massa do bóson de Higgs não merece o status de uma quantidade fundamental. Essa suposição se estende automaticamente às massas das partículas, que dependem da massa de Higgs. Então, a dispersão em seus valores não parecerá mais estranha do que, por exemplo, a diferença nos tamanhos de moléculas e galáxias. Nem um nem outro fingem ser fundamentais e, portanto, não faz sentido avaliar seu tamanho em termos de naturalidade.
Se essa analogia parece muito rebuscada, aqui está outro exemplo. Conhecemos bem a energia característica de interação forte, sua ordem é 1 GeV. E também sabemos que a escala de interações fortes não é fundamental, então seu pequeno valor em relação à massa de Planck não surpreende ninguém. Em geral, se aceitarmos que, em termos de naturalidade ou não naturalidade, é razoável comparar quantidades exclusivamente fundamentais, então para os parâmetros do Modelo Padrão esse problema realmente desaparecerá.
Curiosamente, a mesma lógica funciona para os defensores do princípio antrópico. Eles acreditam que existe uma grande variedade de vácuos com diferentes leis físicas, que normalmente são chamados de multiverso. Nosso próprio universo emergiu de um desses vácuos. Se tomarmos este ponto de vista, então em geral não há problema de naturalidade dos parâmetros do Modelo Padrão. Mas não gosto dessa abordagem, embora admita que tem seus apoiadores.
Portanto, abandonar a suposição de que os parâmetros do Modelo Padrão são fundamentais remove o problema da naturalidade. Este é o fim da discussão ou podemos ir mais longe?
GD: Claro, é possível - e necessário. Em minha opinião, é muito mais importante e mais interessante falar não sobre a naturalidade do modelo, mas sobre sua autoconsistência. Por exemplo, todos nós trabalhamos dentro da estrutura da teoria quântica de campos. A propósito, isso se aplica não apenas ao Modelo Padrão, mas também à teoria das cordas. Todas as implementações fisicamente significativas desta teoria devem ser baseadas na teoria da relatividade especial, de modo que suas equações devem ter a mesma aparência em todos os referenciais inerciais. Essa propriedade é chamada de invariância relativística da teoria ou invariância de Lorentz. Existe um teorema segundo o qual todas as teorias quânticas de campo invariantes de Lorentz devem ser invariantes em CPT. Isso significa que suas equações básicas não devem mudar com a substituição simultânea de partículas por antipartículas, inversão de coordenadas espaciais e reversão do tempo. Se essa invariância for violada, a teoria não será autoconsistente e nenhuma quantidade de naturalidade ajudará a construí-la. Em outras palavras, a teoria quântica de campos autoconsistente é forçada a ser invariante em CPT. Portanto, ao discutir a naturalidade, deve-se tomar cuidado para não confundi-la com autoconsistência. Essa estratégia abre muitas possibilidades interessantes, mas discuti-las nos levará longe demais.
Wilhelm de Sitter, o astrônomo holandês que criou um dos primeiros modelos cosmológicos relativísticos (o modelo de de Sitter). Fonte: Arquivo Fotográfico da Universidade de Chicago
Gia, é possível pelo menos um exemplo?
GD: - Claro. Como você sabe, o espaço do nosso Universo está se expandindo em uma taxa crescente - como dizem os cosmologistas, vivemos no mundo de De Sitter. Essa aceleração geralmente é atribuída à presença de energia positiva do vácuo, também chamada de energia escura. Sua densidade medida é extremamente baixa, aproximadamente 10-29 g / cm3. Se assumirmos que a gravidade pode ser descrita na estrutura da teoria quântica de campos, então é natural esperar que o valor da energia do vácuo seja muitas dezenas de ordens de magnitude maior do que esse valor. Visto que não é assim, o critério da naturalidade obviamente não funciona. No entanto, agora temos cada vez mais fundamentos para pensar que o pequeno valor da energia do vácuo pode ser justificado com base no critério de autoconsistência.
Mas ainda não acabou. No quadro da nova abordagem, a conclusão sugere que a energia do vácuo muda com o tempo. Se você não introduzir premissas adicionais, a escala de tempo de tais mudanças é inimaginavelmente grande - 10.132 anos. No entanto, se associarmos essas mudanças à presença de um determinado campo escalar, essa escala será comparável ao tempo de Hubble, que é um pouco mais de dez bilhões de anos. Conclui-se dos cálculos que ele pode exceder o tempo de Hubble apenas várias vezes, e não muitas ordens de magnitude. Para ser honesto, não estou totalmente impressionado com esta conclusão, mas é bastante lógica. Existem outras opções, mas são completamente exóticas.
Vamos resumir. Em geral, como você vê o problema da naturalidade dos modelos da física fundamental e quais soluções você acha que são ótimas?
GD: Alexey, deixe-me começar com uma perspectiva histórica, não vai doer. Nas últimas décadas, os pontos de vista de nossa comunidade, a comunidade daqueles que se dedicam à física fundamental, têm oscilado fortemente. Na década de 1990, embora o princípio antrópico fosse discutido, em geral, ninguém estava particularmente interessado. Então, a opinião predominante era que os fundamentos da estrutura do universo já eram conhecidos na pessoa da teoria das cordas. Esperávamos que fosse ela quem desse a única solução correta para descrever o nosso Universo.
No final da última década, essa crença mudou. Cientistas muito sérios, por exemplo, Alex Vilenkin e Andrey Linde, começaram a defender ativa e convincentemente o princípio antrópico. Em algum momento, houve uma virada na consciência da comunidade, algo como uma transição de fase. Muitos teóricos viam no princípio antrópico a única saída para as dificuldades associadas ao problema da naturalidade. Claro, eles também tinham oponentes, e nossa comunidade estava dividida nessa questão. É verdade que Linde, entretanto, admitiu que nem todos os parâmetros do Modelo Padrão encontram uma interpretação natural no contexto do princípio antrópico. Sergey já notou essa circunstância em relação ao parâmetro θ.
Andrey Linde (à esquerda) e Alexander Vilenkin. Foto do site vielewelten.de
Nos últimos anos, a opinião coletiva mudou novamente. Agora vemos que um conjunto quase infinito de universos com diferentes leis físicas não pode existir. A razão é simples: tais universos não podem ser estáveis. Todos os mundos de Sitter exóticos devem se transformar em contínuos de espaço-tempo vazios com geometria plana de Minkowski. O vácuo é o único estável apenas com esta geometria. Pode ser mostrado que a densidade de energia do vácuo deve ser insignificante em comparação com a escala de Planck. Isso é exatamente o que acontece em nosso universo. Nosso mundo ainda não atingiu o mundo de Minkowski, então a energia do vácuo é diferente de zero. Ele muda e, em princípio, essas mudanças podem ser detectadas experimentalmente e com observações astrofísicas. Portanto, não há nada de anormal na pequenez da energia do vácuo,e seu valor observado está em linha com as expectativas teóricas.
Outras previsões muito específicas são feitas com base na nova abordagem. Portanto, segue-se que certamente deve haver um áxion. Essa conclusão também está relacionada ao problema da naturalidade. Deixe-me lembrar a você que os teóricos uma vez inventaram essa partícula para explicar o valor anormalmente pequeno do parâmetro θ. Agora dizemos que a realidade do áxion é ditada pela exigência de autoconsistência de nossas equações. Em outras palavras, se o áxion não existe, a teoria não é autoconsistente. Esta é uma lógica completamente diferente de previsão teórica. Portanto, para concluir, posso repetir o que já disse: o princípio da naturalidade foi substituído por um princípio muito mais forte de autoconsistência, e o escopo de sua aplicabilidade está em constante expansão e seus limites ainda não são conhecidos. É possível que com base nela seja possível explicar a hierarquia das massas das partículas elementares,representando um problema tão difícil para o princípio da naturalidade. Se é assim, não sabemos. Em geral, você tem que trabalhar.
Então, aqui estão as opiniões de dois brilhantes físicos teóricos que, como eles próprios admitem, têm refletido muito sobre o problema da naturalidade dos modelos teóricos da física fundamental. Em alguns aspectos, eles são semelhantes, em alguns aspectos diferentes. No entanto, Sergei Troitsky e Gia Dvali não excluem que agora o princípio da naturalidade, se não completamente obsoleto, então, em qualquer caso, perdeu sua credibilidade anterior. Nesse caso, então a física fundamental está de fato entrando na era do pós-naturalismo. Vamos ver aonde isso leva.
Para encerrar a discussão de maneira digna, pedi a um dos fundadores da teoria das cordas, Edward Witten, professor do Instituto de Pesquisa Fundamental de Princeton, que falasse o mais brevemente possível sobre o problema da naturalidade na física fundamental. Aqui está o que ele escreveu:
Edward Witten, professor do Instituto de Pesquisa Básica de Princeton, cofundador da teoria das cordas. Foto do site wikipedia.org
“Se um físico ou cosmólogo chega à conclusão de que algum valor observável tem um valor extremo, ele procura uma interpretação razoável. Por exemplo, a massa de um elétron é 1800 vezes menor que a de um próton. Essa diferença séria certamente chama a atenção e precisa de uma explicação.
Nesse caso, uma explicação razoável - ou, em outras palavras, natural - é que quando a massa do elétron é zerada, as equações do Modelo Padrão se tornam mais simétricas. Em geral, então consideramos a simetria exata ou aproximada natural, quando há razão para esperar que, se hoje não sabemos por que ela existe na natureza, então esperamos encontrar uma explicação em um nível mais profundo de compreensão da realidade física. Segundo essa lógica, a pequena massa do elétron não cria problemas desagradáveis para o princípio da naturalidade.
Agora, vamos prosseguir para a cosmologia. Sabemos que o tamanho do universo é cerca de 1030 vezes o comprimento de onda de um fóton típico de radiação de fundo de microondas. Essa relação não muda conforme o universo evolui e, portanto, não pode ser simplesmente atribuída à sua idade. É necessária uma explicação diferente, que pode ser obtida com base em modelos cosmológicos inflacionários.
Considere um exemplo de um tipo diferente. Sabe-se que o valor da energia escura é pelo menos 1060 vezes menor que o valor calculado teoricamente com base no conhecimento de outras constantes fundamentais. Claro, esse fato também exige uma explicação. No entanto, ainda não há uma interpretação razoável para isso - a não ser, talvez, aquela que se segue da hipótese do multiverso e do princípio antrópico. Estou entre aqueles que prefeririam uma explicação de outro tipo, mas ainda não foi encontrada. É assim que as coisas estão agora."
Concluindo, não posso negar a mim mesmo o prazer de citar um artigo recente do Professor Witten (E. Witten, 2018. Symmetry and Emergence), que, em minha opinião, será uma excelente conclusão para a discussão sobre a naturalidade das teorias da física fundamental:
“Em termos gerais, a simetria de calibre nada mais é do que uma propriedade de descrever um sistema físico. O significado de simetrias de calibre na física moderna é que os processos físicos são governados por leis extremamente sutis (sutis), que são inerentemente "geométricas". É muito difícil dar uma definição estrita deste conceito, mas na prática isso significa que as leis da Natureza resistem a qualquer tentativa incontestável de encontrar uma expressão explícita para elas. A dificuldade de expressar essas leis de uma forma natural e não redundante é o motivo da introdução da simetria de calibre."
Arkady e Boris Strugatsky.
Então, três pessoas - três opiniões. Em conclusão - uma citação da história dos irmãos Strugatsky "Ugly Swans" (1967):
“O natural é sempre primitivo”, continuou Bol-Kunats entre outras coisas, “e o homem é um ser complexo, a naturalidade não combina com ele”.
Isso se encaixa nas teorias da física fundamental? Essa é a questão.
Alexey Levin, PhD em Filosofia
