Три нерешенные проблемы фундаментальной физики

Нобелевскую премию по физике присудили американским ученым Райнеру Вайссу, Кипу Торну и Барри Баришу за открытие гравитационных волн.

Премия совершенно заслуженная. В прошлом году премию за этот результат просто не успели бы вручить, так как о первом прямом детектировании гравитационных волн было объявлено только в феврале, когда нобелевский процесс 2016 года уже был запущен. Но неопределенность насчет 2017 года оставалась, потому что в некоторых случаях награду ждут дольше: например, экспериментаторам, открывшим бозон Хиггса, Нобелевскую премию пока не дали.

Но важно не только открыть гравитационные волны, но продолжить использовать их для изучения гравитации и разных астрофизических объектов. Уже сейчас гравитационные волны — это одно из самых серьезных доказательств существования черных дыр. И в ближайшем будущем с помощью детекторов LIGO и VIRGO мы узнаем много интересного об этих объектах.

Но в фундаментальной физике, в отличие от математики, есть всего лишь три основные нерешенные проблемы, которыми занимаются фактически все ученые из этой области науки, — это проблема космологической постоянной, проблема конфайнмента кварков и проблема квантовой гравитации.

Проблема космологической постоянной

Представьте себе лунку, в которой лежит шарик. Если его пошевелить, он начнет колебаться и без трения будет колебаться вечно — получится классический осциллятор. Но если шарик не трогать, то он будет просто лежать на дне.

Однако квантовая частица — это не шарик, а волна. А потому основное состояние квантового осциллятора имеет ненулевую энергию. Это волна с единственным гребнем внутри лунки. То есть квантовая частица колеблется даже в основном состоянии. Это так называемые нулевые колебания. Они происходят в любой квантовой системе, в том числе в квантовой теории поля.

В квантовой теории поля вакуум — это не пустота. Он состоит из нулевых колебаний. Если нет гравитации, то энергию рассчитывают от полной энергии этих нулевых колебаний. Их как бы отбрасывают. И все частицы в квантовой теории поля — это возбуждение над нулевыми колебаниями.

Однако в присутствии гравитации нулевые колебания отбросить нельзя. Они ведь что-то «весят», то есть искривляют пространство-время. Поэтому возникает проблема.

Теоретически предсказано, что нулевые колебания составляют огромную вакуумную энергию. Однако наблюдения показывают, что вакуумная энергия в нашей Вселенной очень мала. Это то, что сейчас называется темной энергией в космосе. Она приводит к ускоренному расширению Вселенной, так как что-то «весит». Именно в этом и заключается проблема космологической постоянной: с одной стороны, квантовая теория поля предсказывает, что она огромная, а с другой стороны, наблюдаем очень маленькую. Куда девается огромная вакуумная энергия, предсказанная квантовой теорией поля? И какова тогда природа темной энергии?

Проблема конфайнмента кварков

Известно, что ядро состоит из протонов и нейтронов. Они взаимодействуют друг с другом при помощи ядерных сил. Если сталкивать протоны, наращивая энергию, мы увидим рождение огромного многообразия новых частиц — адронов.

Все адроны описываются одним способом: они состоят из кварков. Это наблюдают, рассеивая электрон на протоне при очень высоких энергиях. Оказывается, что при этом электрон рассеивается практически так же, как альфа-частицы на атомах. Последнее было изучено Резерфордом в начале ХХ века: он увидел, что альфа-частица рассеивается на очень концентрированном центре ядра, которое имеет очень маленький размер. Оказывается, что точно так же электрон рассеивается на протоне, но с одной оговоркой: у протона как будто есть три центра с соответствующими зарядами.

Внутри протона действительно находятся три кварка. Но по непонятной причине отдельно эти кварки мы получить не можем, мы всегда их видим только в составе адронов. Теорию кварков мы знаем, и это квантовая хромодинамика, которая описывает кварки и глюоны. Последние переносят взаимодействие между кварками, точно так же как фотоны между электрическими зарядами. Квантовую хромодинамику мы хорошо понимаем при высоких энергиях. Тогда она действительно описывает физику адронов. Но при низких энергиях электрон рассеивается на адронах как на целом. Как переходит одно описание, при помощи практически свободных кварков, к другому — в виде адронов как связанных состояний из кварков? И почему кварки не существуют по отдельности? В этих вопросах и состоит суть проблемы конфайнмента.

Проблема квантовой гравитации

У квантовой теории поля есть проблемы с существованием бесконечных частот. Грубо говоря, поле можно гнуть как угодно, со сколь угодно высокой точностью. Из-за этого возникают так называемые расходимости, а именно: при вычислении различных физических величин в квантовой теории поля мы получаем бесконечные вклады. Во всех ныне разработанных квантовых теориях поля, с которыми мы имеем дело, эти расходимости могут быть устранены переопределением нескольких констант связи, таких как заряды и массы частиц, например.

При этом для того, чтобы устранить похожую проблему при квантовании гравитации, приходится переопределять бесконечное количество констант связи. При повышении энергии теорию нужно усложнять все больше и больше. Это говорит о том, что теория гравитации является применимой только при низких энергиях, а в ее основе должна лежать более фундаментальная (высокоэнергетическая) теория, которую мы пока не знаем.

Эмиль Ахмедов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики имени А. И. Алиханова, профессор кафедры теоретической физики МФТИ

Большинство из самых обсуждаемых тем в современной физике переходят в сферу философии, и одной из основных таких тем является характер времени. Хотя большинство фундаментальных физических законов не изменяется при изменении времени, существует несколько классов явлений в природе, которые имеют одностороннее направление времени. Поскольку большинство подсистем во вселенной не могут считаться изолированными, эти различные стрелки времени указывают в одном направлении. Возникает вопрос, существует ли одна главная стрелка времени, лежащая в основе всех этих стрелок. Предварительным ответом является «да». Уже Людвиг Больцманн сделал предположение о возможном фундаменте второго закона термодинамики из космологии: это огромный температурный градиент между горячими звездами и холодным пространством, который обеспечивает энтропическую способность, которая необходима для увеличения энтропии.

Исторически сложилось так, что состояния Вселенной в будущем редко представляло научный интерес. Как заметил в 1985 году британский астрофизик Малькольм Лонгэйр: «Будущее нашей Вселенной - прекрасная тема для разговоров после ужина». То, что называется «физическая эсхатология», началось только в 1970-х годах с работы Мартина Риса, Джамала Ислама и некоторых других. То, что сделали эти физики - это экстраполирование нынешнего состояния Вселенной в далекое будущее, предполагая, что известные в настоящее время законы физики останутся неизменными. Предпочтительный сценарий в этом виде исследований обычно начинался с вымирания звезд и их последующего превращения в нейтронные звезды или черные дыры.

В некоторых исследованиях вселенной будущего мира были высказаны предположения о выживании разумной жизни - либо людей, либо их предположительно более интеллектуальных потомков (которые могут быть самовоспроизводящимися роботами, а не существами из плоти и крови)...