Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Физикадағы шешілмеген мәселе – суперсимметриялық аномалия. Теориялық физикадағы иерархиялық мәселе – әлсіз күш және гравитация арасындағы үлкен айырмашылыққа қатысты мәселе. Мысалы, әлсіз күштің гравитациядан неге 1024 есе күшті екендігіне ғылыми консенсус жоқ.
Unsolved problem in physics
the supersymmetric anomaly
In theoretical physics, the hierarchy problem is the problem concerning the large discrepancy between aspects of the weak force and gravity. There is no scientific consensus on why, for example, the weak force is 1024 times stronger than gravity.
Техникалық анықтама
Иерархиялық проблема кейбір физикалық параметрлердің, мысалы, байланыс тұрақтысы немесе массаның, белгілі бір Лагранж функциясындағы түпкілікті мәні экспериментте өлшенетін тиімді мәннен күрт өзгеше болғанда туындайды. Бұл тиімді мән, ренормализация деп аталатын әдіс арқылы түпкілікті мәнмен байланысты, ол оған түзетулер енгізеді. Көбінесе параметрлердің ренормализацияланған мәні олардың түпкілікті мәндеріне жақын болады, бірақ кейбір жағдайларда түпкілікті шама мен кванттық түзетулер арасында нәзік тепе-теңдік болғандай көрінеді. Иерархиялық проблемалар, дұрыстауға қатысты проблемалармен және табиғилық принциптерімен байланысты. Соңғы он жылда көптеген ғалымдар иерархиялық проблеманың Байес статистикасының нақты қолданылуы екенін айтты. Иерархиялық проблемаларда ренормализацияны зерттеу қиын, себебі мұндай кванттық түзетулер көбінесе қуат заңы бойынша шексіздікке ұшырайды, яғни ең қысқа қашықтықтағы физика ең маңызды. Физикадағы ең қысқа қашықтықтар теориясының нақты ерекшеліктерін білмейміз, сондықтан екі үлкен шама арасындағы осы нәзік тепе-теңдік қалай пайда болатынын түсіндіре алмаймыз. Сондықтан зерттеушілер иерархиялық проблемаларды дұрыстау қажеттілігінсіз шешетін жаңа физикалық құбылыстарды болжауға бейім.
A hierarchy problem occurs when the fundamental value of some physical parameter, such as a coupling constant or a mass, in some Lagrangian is vastly different from its effective value, which is the value that gets measured in an experiment. This happens because the effective value is related to the fundamental value by a prescription known as renormalization, which applies corrections to it. Typically the renormalized value of parameters are close to their fundamental values, but in some cases, it appears that there has been a delicate cancellation between the fundamental quantity and the quantum corrections. Hierarchy problems are related to fine tuning problems and problems of naturalness. Over the past decade many scientists argued that the hierarchy problem is a specific application of Bayesian statistics. Studying renormalization in hierarchy problems is difficult, because such quantum corrections are usually power law divergent, which means that the shortest distance physics are most important. Because we do not know the precise details of the shortest distance theory of physics, we cannot even address how this delicate cancellation between two large terms occurs. Therefore, researchers are led to postulate new physical phenomena that resolve hierarchy problems without fine tuning.
Шолу
Физикалық модель физикалық ғаламның кейбір аспектілеріне қатысты болжамдар жасауға қабілетті, өте жоғары сапалы жұмыс моделін құру үшін төрт параметрді қажет етеді дейік. Егер тәжірибелер арқылы параметрлердің мәндері мынадай екенін анықтасақ: 1.2, 1.31, 0.9 және 404,331,557,902,116,024,553,602,703,216.58 (шамамен 4×1029). Ғалымдар мұндай сандардың қалай пайда болатынын ойластыруы мүмкін. Бірақ, әсіресе, үш мән бірге жақын болса, ал төртіншісі мүлдем басқаша болатын теорияға қызығушылық танытуы мүмкін; яғни, біздің бірінші үш параметр мен төртіншісі арасында байқалатын зор тепесіздік. Сондай-ақ, егер бір күш басқаларына қарағанда өте әлсіз болса, оны 4×1029 есе арттыру қажет болуы мүмкін, бұл оның олармен әсерлер тұрғысынан байланысуына мүмкіндік береді. Онда біздің ғалам күштері пайда болған кезде қалай осылай дәл тепе-теңдікке ие болды? Қазіргі кездегі бөлшектер физикасында кейбір параметрлер арасындағы айырмашылық одан да зор, сондықтан бұл сұрақ одан да маңыздырақ. Философтардың берген жауаптарының бірі – антропостық принцип. Егер ғалам кездейсоқ пайда болған болса, және көптеген басқа ғаламдар бар болған немесе болған болса, онда физикалық тәжірибелер жүргізе алатын тіршілік тек кездейсоқ түрде өте теңгерімді күштерге ие ғаламдарда ғана пайда болды. Күштері теңдессіз ғаламдарда бұл сұраққа жауап бере алатын тіршілік дамымады. Егер адам сияқты тіршілік формалары мұндай сұрақтар қоюға қабілетті болса, онда адамдар теңгерімді күштерге ие ғаламда пайда болған болуы керек, ол қаншалықты сирек болса да. Екінші мүмкін жауап – бізде қазір жоқ физиканың тереңірек түсінігі бар. Физикалық тұрақтыларды тудыратын, тепесіздігі аз параметрлер болуы мүмкін, немесе параметрлері аз модель болуы мүмкін.
Suppose a physics model requires four parameters to produce a very high quality working model capable of generating predictions regarding some aspect of our physical universe. Suppose we find through experiments that the parameters have values: 1.2, 1.31, 0.9 and 404,331,557,902,116,024,553,602,703,216.58 (roughly 4×1029). Scientists might wonder how such figures arise. But in particular, might be especially curious about a theory where three values are close to one, and the fourth is so different; in other words, the huge disproportion we seem to find between the first three parameters and the fourth. We might also wonder if one force is so much weaker than the others that it needs a factor of 4×1029 to allow it to be related to them in terms of effects, how did our universe come to be so exactly balanced when its forces emerged? In current particle physics, the differences between some parameters are much larger than this, so the question is even more noteworthy. One answer given by philosophers is the anthropic principle. If the universe came to exist by chance, and perhaps vast numbers of other universes exist or have existed, then life capable of physics experiments only arose in universes that, by chance, had very balanced forces. All of the universes where the forces were not balanced did not develop life capable of asking this question. So if lifeforms like human beings are aware and capable of asking such a question, humans must have arisen in a universe having balanced forces, however rare that might be. A second possible answer is that there is a deeper understanding of physics that we currently do not possess. There might be parameters that we can derive physical constants from that have less unbalanced values, or there might be a model with fewer parameters.
Хиггс массасы
Бөлшек физикасындағы ең маңызды иерархиялық мәселе – әлсіз күштің неге гравитациядан 1024 есе күшті екендігі туралы сұрақ. Бұл екі күш те табиғат тұрақтыларын қамтиды: әлсіз күш үшін Ферми тұрақтысы және гравитация үшін Ньютонның гравитация тұрақтысы. Әрі, егер Стандартты модель Ферми тұрақтысының кванттық түзетулерін есептеу үшін қолданылса, Ферми тұрақтысы күтпегендей үлкен болып көрінеді және Ферми тұрақтысының бастапқы мәні мен оған жасалған кванттық түзетулердің арасындағы нақты тепестік болмаса, Ньютон тұрақтысына жақын болуы керек. Техникалық тұрғыдан алғанда, мәселе Хиггс бозонының Планк массасынан (немесе ұлы біріктіру энергиясынан, немесе ауыр нейтрино массасының шкаласынан) неге соншалықты жеңіл екендігінде. Хиггс бозонының массасының квадратына үлкен кванттық үлестер әлбетте массаны үлкен етіп, жаңа физиканың пайда болатын деңгейімен салыстыруға болатын мәнге жеткізер еді, егер квадраттық радиациялық түзетулер мен бастапқы масса арасындағы керемет дәлдікпен тепестік болмаса. Мәселені тіпті Стандартты модельдің қатаң шеңберінде тұжырымдау мүмкін емес, себебі Хиггс массасын есептеуге болмайды. Бір қырынан, мәселе – болашақтағы фундаментальды бөлшектер теориясында Хиггс бозонының массасын есептеуге болатын жағдайда, оның шамадан тыс дәлдікпен тепестірілуіне қатысты алаңдаушылық.
In particle physics, the most important hierarchy problem is the question that asks why the weak force is 1024 times as strong as gravity. Both of these forces involve constants of nature, the Fermi constant for the weak force and the Newtonian constant of gravitation for gravity. Furthermore, if the Standard Model is used to calculate the quantum corrections to Fermi's constant, it appears that Fermi's constant is surprisingly large and is expected to be closer to Newton's constant unless there is a delicate cancellation between the bare value of Fermi's constant and the quantum corrections to it. More technically, the question is why the Higgs boson is so much lighter than the Planck mass (or the grand unification energy, or a heavy neutrino mass scale): one would expect that the large quantum contributions to the square of the Higgs boson mass would inevitably make the mass huge, comparable to the scale at which new physics appears unless there is an incredible fine tuning cancellation between the quadratic radiative corrections and the bare mass. The problem cannot even be formulated in the strict context of the Standard Model, for the Higgs mass cannot be calculated. In a sense, the problem amounts to the worry that a future theory of fundamental particles, in which the Higgs boson mass will be calculable, should not have excessive fine tunings.
Теориялық шешімдер
Көптеген тәжірибелі физиктер көптеген шешімдер ұсынған.
There have been many proposed solutions by many experienced physicists.
Қалыпты
Суперсимметриясыз, иерархиялық мәселенің шешімі тек Стандартты модельді қолдану арқылы ұсынылған. Бұл идеяның түбін Хиггс өрісіндегі, қайта нормалау кезінде бақыланбайтын квадраттық түзету тудыратын квадраттық мүшеге дейін іздеуге болады. Егер Хиггс өрісінің массалық мүшесі болмаса, онда иерархиялық мәселе туындамайды. Бірақ Хиггс өрісіндегі квадраттық мүшенің жоқтығын ескере отырып, нөлдік емес вакуумдық күту мәні арқылы электрожұқ және әлсіз симметрияның бұзылуын қалпына келтірудің жолын табу қажет. Бұл, кванттық түзетулерден туындайтын Хиггс потенциалындағы мүшелерді қолдана отырып, Вайнберг-Коулман механизмі арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Осылайша алынған масса, үдеткіштерде байқалатын массадан әлдеқайда кішкентай, сондықтан конформды Стандартты модельге бірнеше Хиггс бөлшегі қажет. Бұл ұсынысты 2006 жылы Кшиштоф Антони Мейснер және Герман Николай жасаған, қазіргі таңда осы ұсыныс зерделенуде. Бірақ, егер LHC-де бұрын байқалғаннан басқа қоздырулар табылмайтын болса, бұл модельді қабылдаудан бас тартуға тура келеді.
Without supersymmetry, a solution to the hierarchy problem has been proposed using just the Standard Model. The idea can be traced back to the fact that the term in the Higgs field that produces the uncontrolled quadratic correction upon renormalization is the quadratic one. If the Higgs field had no mass term, then no hierarchy problem arises. But by missing a quadratic term in the Higgs field, one must find a way to recover the breaking of electroweak symmetry through a non null vacuum expectation value. This can be obtained using the Weinberg–Coleman mechanism with terms in the Higgs potential arising from quantum corrections. Mass obtained in this way is far too small with respect to what is seen in accelerator facilities and so a conformal Standard Model needs more than one Higgs particle. This proposal has been put forward in 2006 by Krzysztof Antoni Meissner and Hermann Nicolai and is currently under scrutiny. But if no further excitation is observed beyond the one seen so far at LHC, this model would have to be abandoned.
Бран әлемінің үлгілері
1998 жылы Нима Аркани Хамед, Савас Димопулос және Дья Двали ADD моделін ұсынды, ол үлкен қосымша өлшемдері бар модель ретінде де белгілі, және бұл басқа күштерге шаққанда гравитацияның әлсіздігін түсіндірудің баламалы жолы. Бұл теория бойынша Стандартты модельдің өрістері төрт өлшемді мембранамен шектелген, ал гравитация Планк масштабына қарағанда үлкен бірнеше қосымша кеңістіктік өлшемдерде тарайды. 1998–99 жылдары Мераб Гогобрашвили arXiv-те (кейіннен рецензияланған журналдарда) бірнеше мақала жариялады, онда ол Әлемді 5 өлшемді кеңістікте кеңейіп жатқан жұқа қабық (математикалық түрде "бран" деп аталады) ретінде қарастырса, 5 өлшемді космологиялық тұрақты мен Әлемнің қалыңдығына сәйкес келетін бөлшектер теориясының бір масштабын алуға болады және осылайша иерархия мәселесін шешуге болады екенін көрсетті. Сондай-ақ, Әлемнің төрт өлшемділігі тұрақтылық талабының нәтижесі екендігі дәлелденді, себебі Эйнштейннің өріс теңдеулерінің қосымша компоненті материя өрістері үшін локальді шешім береді, бұл тұрақтылық шарттарының бірімен сәйкес келеді. Содан кейін иерархия мәселесіне өз шешімдерін ұсынған, осыған ұқсас Рэндалл-Сандрум сценарийлері ұсынылды.
In 1998 Nima Arkani Hamed, Savas Dimopoulos, and Gia Dvali proposed the ADD model, also known as the model with large extra dimensions, an alternative scenario to explain the weakness of gravity relative to the other forces. This theory requires that the fields of the Standard Model are confined to a four dimensional membrane, while gravity propagates in several additional spatial dimensions that are large compared to the Planck scale. In 1998–99 Merab Gogberashvili published on arXiv (and subsequently in peer reviewed journals) a number of articles where he showed that if the Universe is considered as a thin shell (a mathematical synonym for "brane") expanding in 5 dimensional space then it is possible to obtain one scale for particle theory corresponding to the 5 dimensional cosmological constant and Universe thickness, and thus to solve the hierarchy problem. It was also shown that four dimensionality of the Universe is the result of stability requirement since the extra component of the Einstein field equations giving the localized solution for matter fields coincides with one of the conditions of stability. Subsequently, there were proposed the closely related Randall–Sundrum scenarios which offered their solution to the hierarchy problem.
УФ/ИФ араластыру
2019 жылы зерттеушілер жұбы ИЖ/УФ араласуы тиімді кванттық өріс теориясының бұзылуына алып келіп, иерархиялық мәселені шеше алады деген гипотезаны ұсынды. 2021 жылы зерттеушілердің тағы бір тобы УФ/ИЖ араласуының струн теориясындағы иерархиялық мәселені шеше алатынын көрсетті.
In 2019, a pair of researchers proposed that IR/UV mixing resulting in the breakdown of the effective quantum field theory could resolve the hierarchy problem. In 2021, another group of researchers showed that UV/IR mixing could resolve the hierarchy problem in string theory.
Космологиялық тұрақты
Физикалық космологияда, жылдамдаған ғаламды қолдайтын қазіргі бақылаулар, өте шағын, бірақ нөлден өзге космологиялық тұрақтының болуын көрсетеді. Бұл мәселе космологиялық тұрақты мәселесі деп аталады, және ол Хиггс бозонының массалық мәселесіне өте ұқсас иерархиялық мәселе болып табылады, себебі космологиялық тұрақты кванттық түзетулерге де өте сезімтал, бірақ жалпы салыстырмалылықтың қажетті түрде қатысуымен күрделенеді. Космологиялық тұрақты мәселесін шешуге ұсынылған тәсілдерге гравитацияны өзгерту және/немесе кеңейту, нөлдік емес қысымы бар материяны қосу, сондай-ақ Стандартты модель мен гравитациядағы УФ/ИҚ араласу кіреді. Кейбір физиктер космологиялық тұрақты мәселесін шешу үшін антропоморфтық ойлауға жүгінді, бірақ антропоморфтық ойлаудың ғылыми екендігі күмәнді.
In physical cosmology, current observations in favor of an accelerating universe imply the existence of a tiny, but nonzero cosmological constant. This problem, called the cosmological constant problem, is a hierarchy problem very similar to that of the Higgs boson mass problem, since the cosmological constant is also very sensitive to quantum corrections, but it is complicated by the necessary involvement of general relativity in the problem. Proposed solutions to the cosmological constant problem include modifying and/or extending gravity, adding matter with unvanishing pressure, and UV/IR mixing in the Standard Model and gravity. Some physicists have resorted to anthropic reasoning to solve the cosmological constant problem, but it is disputed whether anthropic reasoning is scientific.