Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

В нашем поиске новых идей красота играет много ролей. Она ориентир, награда, стимул. И она же – систематическая ошибка.

Невидимые друзья

Грузчики вынесли мои коробки, бо́льшую часть которых я так и не удосужилась открыть, зная, что здесь не останусь. Эхо прошлых переездов гуляет по пустым комнатам. Я звоню моему другу и коллеге Михаэлю Кремеру, профессору физики в Ахене (Германия).

Михаэль работает над суперсимметрией, или, если короче, над SUSY. SUSY предсказывает существование большого количества еще не обнаруженных элементарных частиц: партнеров каждой из уже известных частиц плюс еще нескольких. Среди предложенных новых законов природы SUSY на сегодняшний день самая популярная. Тысячи моих коллег посвящают ей свои карьеры. Но пока ни одной из тех дополнительных частиц не видать.

«Думаю, я начал работать над SUSY потому, что именно над ней люди работали в те времена, когда я был студентом, в середине и конце девяностых», – говорит Михаэль.

Математика SUSY очень похожа на математику уже доказанных теорий, и стандартная программа обучения физике хорошо подготавливает студентов для работы над SUSY. «Четко сформулированный подход, было легко», – объясняет Михаэль. Выбор оказался неплохим. Михаэль получил постоянную должность в 2004 году и сейчас руководит исследовательской группой «Новая физика» на Большом адронном коллайдере, которая финансируется Немецким научно-исследовательским обществом.

«А еще я люблю симметрии, что и сделало для меня SUSY заманчивой».

Как я уже упоминала, в своем стремлении понять, из чего сделан мир, мы обнаружили двадцать пять разных элементарных частиц. Суперсимметрия дополняет эту коллекцию набором пока не открытых частиц-партнеров, по одной на каждую из известных, и несколькими еще. Такое суперсимметричное довершение привлекательно, поскольку известные частицы делятся на два типа – фермионы и бозоны (названные так в честь Энрико Ферми и Сатиендры Бозе соответственно), – а суперсимметрия объясняет, как эти два типа частиц составляют одно целое.

Фермионы – страшные индивидуалисты. Как бы вы ни старались, вам не удастся добиться того, чтобы два фермиона делали одно и то же в одном и том же месте, – между ними всегда должно быть различие. Бозоны же не стеснены подобным ограничением и охотно присоединяются друг к другу в общем танце. Вот почему электроны, будучи фермионами, сидят на разных оболочках вокруг атомного ядра. Будь они бозонами, они бы вместо этого уселись рядышком на одной оболочке, лишив Вселенную химии – и химиков, ведь наше собственное существование зиждется на отказе маленьких фермионов жить под одной крышей.

Теория суперсимметрии постулирует, что законы природы не меняются при замене бозонов на фермионы и наоборот. Это означает, что каждый бозон должен иметь фермионного партнера, а всякий фермион – бозонного. Но, не считая различий в своей принадлежности к бозонам или фермионам, частицы-партнеры должны быть идентичными.

Поскольку никакие из уже известных частиц не подходят друг к другу таким образом, мы заключили, что среди них нет суперсимметричных пар, зато нужно ждать открытия новых частиц. Словно у нас есть гора кастрюль и крышек и мы убеждены, что недостающие предметы определенно должны быть где-то рядом.

К сожалению, суперсимметричные уравнения не говорят нам, какие у этих частиц-партнеров массы. Так как на получение более тяжелых частиц требуется больше энергии, частицу труднее обнаружить, когда ее масса большая. Пока мы поняли одно: суперпартнеры, если они существуют, настолько тяжелы, что энергия в наших экспериментах до сих пор недостаточно высока, чтобы их породить.

Суперсимметрия дерзает на многое. Помимо изобличения бозонов и фермионов как двух частей одного целого, SUSY еще помогает объединить фундаментальные взаимодействия, а также у нее есть потенциал объяснить некоторые численные случайности. Более того, некоторые из суперсимметричных частиц имеют нужные свойства, чтобы образовывать темную материю. Я расскажу об этом подробнее в следующих главах.

Суперсимметрия так тесно стыкуется с действующими теориями, что многие физики убеждены: она должна быть верна. «Несмотря на усилия многих сотен физиков, проводящих эксперименты в поисках этих частиц, никакие суперпартнеры никогда не наблюдались и не детектировались»², – пишет физик Дэн Хупер из Фермилаб[3]. И все же «это почти не обескуражило физиков-теоретиков, которые страстно ждут, что природа будет выражена таким образом – окажется суперсимметричной. Для многих из этих ученых идеи, стоящие за суперсимметрией, попросту слишком красивы и слишком элегантны, чтобы не быть частью нашей Вселенной. Они разрешают слишком много проблем и вписываются в наш мир слишком естественно. По мнению этих искренне верующих, частицы-суперпартнеры просто обязаны существовать».

Хупер не единственный, кто подчеркивает силу этой убежденности. «Многим физикам-теоретикам трудно поверить, что суперсимметрия не играет никакой роли где-нибудь в природе»3, – замечает физик Джефф Форшоу. А в статье 2014 года, опубликованной в журнале Scientific American под заголовком «Суперсимметрия и кризис в физике», специалисты по физике элементарных частиц Мария Спиропулу и Джозеф Ликкен разделяют надежду на то, что доказательства в конце концов появятся, – с формулировкой «без преувеличения можно сказать: большинство специалистов по физике элементарных частиц во всем мире верят, что суперсимметрия должна быть верной»4 (выделение авторов статьи).

Привлекательности SUSY добавляет то, что симметрия, касающаяся бозонов и фермионов, долго считалась невозможной из-за математического доказательства, которое ее вроде бы запрещало ⁵[4]. Но ни одно доказательство не лучше, чем его допущения. Оказалось, что если ослабить допущения того доказательства, суперсимметрия, напротив, становится максимально возможной симметрией, способной согласовываться с действующими теориями ⁶[5]. И как же природа могла не воспользоваться настолько красивой идеей?

«Для меня самой красивой особенностью SUSY всегда было то, что это максимально возможная симметрия, – вспоминает Михаэль. – Мне это очень импонирует. Когда я узнал об этой исключительности, то подумал: “О, интересно!” – поскольку мне казалось, что такая идея – вы налагаете симметрии и находите правильные законы природы, даже если не понимаете точно, почему это работает, – выглядит сильным принципом. Так что заниматься SUSY мне казалось делом стоящим».

Когда я была студенткой, в конце 1990-х годов, простейшие SUSY-модели уже вступили в противоречие с данными и начался процесс разработки более сложных, но все еще жизнеспособных моделей[6]. Мне эта область виделась такой, где нельзя сказать ничего нового, пока не обнаружат предсказанные частицы. Я решила держаться от SUSY подальше до тех пор, пока это не произойдет.

Этого не произошло. Никаких доказательств SUSY не обнаружилось на Большом электрон-позитронном коллайдере, функционировавшем до 2000 года. Ничего не нашли и на Тэватроне, коллайдере, в котором достигались более высокие энергии, чем на Большом электрон-позитронном, и который работал до 2011 года. Еще более мощный Большой адронный коллайдер, использующий туннель Большого электрон-позитронного, запущен в 2008 году, но SUSY так и не проявилась.

И я до сих пор переживаю, что совершила большую ошибку, не выбрав направление исследований, которое столь многие мои коллеги расценивали – и продолжают расценивать – как очень перспективное.

Долгие годы легенда гласила, что нечто новое должно проявиться в Большом адронном коллайдере, потому что иначе лучшее из существующих описаний физики элементарных частиц – Стандартная модель – не будет естественным, согласно тем критериям, которые были введены, среди прочих, Джаном Франческо Джудиче. Те математические формулы, позволяющие измерить естественность, основываются на убеждении, что теория с очень большими или очень маленькими числами не симпатична.

В последующих главах этой книги мы выясним, обоснованно ли подобное убеждение. Пока достаточно сказать, что оно широко распространено. В статье 2008 года Джудиче объяснил: «Понятие естественности… развилось в результате “коллективного движения” сообщества, которое все больше подчеркивало… важность [этого понятия] для существования физики за пределами Стандартной модели»⁷. И чем больше физики изучали естественность, тем тверже убеждались: скоро должны воспоследовать новые открытия, иначе не избежать ужасных численных случайностей.

«По прошествии времени кажется удивительным, сколько значения придавалось этому аргументу о естественности, – говорит Михаэль. – Если вспомнить, люди повторяли один и тот же аргумент, снова и снова, не очень-то раздумывая над ним. Они говорили одно и то же, одно и то же десять лет. Правда удивительно, что это служило основной движущей силой для такой большой доли работ по построению моделей. Оглядываясь назад, я нахожу это странным. Я все еще думаю, что естественность привлекательна, но больше не убежден, что это обещает нам новую физику в Большом адронном коллайдере».

Большой адронный коллайдер завершил первый цикл своей работы в феврале 2013 года, а затем закрылся на модернизацию. Второй запуск на более высоких энергиях произошел в апреле 2015-го. Сейчас октябрь 2015-го, и в ближайшие месяцы мы ожидаем увидеть предварительные результаты второго запуска.

«Тебе стоит поговорить с Аркани-Хамедом, – советует Михаэль. – Он сторонник естественности, очень интересный парень. Настоящий авторитет, особенно в США. Потрясающе: он работает над чем-нибудь некоторое время, обрастая последователями, а затем, в следующем году, переключается на что-то другое. Десять лет назад он занимался моделью естественной SUSY и говорил о ней так убедительно, что все бросились ее изучать. А потом, два года спустя, он пишет статью о неестественной SUSY!»

Нима Аркани-Хамед заработал себе имя в конце 1990-х годов, предположив, вместе с Савасом Димопулосом и Гией Двали, что наша Вселенная может иметь дополнительные измерения, свернутые до небольших радиусов, но все-таки достаточно внушительных для того, чтобы быть экспериментально проверяемыми на ускорителях частиц ⁸. Идея о существовании дополнительных измерений не нова – она датируется еще 1920-ми годами[7]. Гениальность Аркани-Хамеда и его соавторов выразилась в другом. Они заявили: эти измерения такие большие, что вскоре могут стать поддающимися проверке, – это предположение вдохновило тысячи физиков на вычисления и обнародование дополнительных пояснений. Аргументом в пользу того, что Большой адронный коллайдер должен выявить дополнительные измерения, служила естественность. «Естественность требует, чтобы выход в дополнительные измерения не мог быть отложен сильно дальше масштабов энергий порядка ТэВ[8]», – заявили авторы в своей первой работе по ADD-модели, как ее теперь называют по начальным буквам их фамилий. К настоящему времени эта статья процитирована больше пяти тысяч раз. Что делает ее одной из самых высокоцитируемых статей по физике – за всю историю существования последней.

В 2002 году, когда я увязла в собственноручно выбранной теме диссертации – варианте гипотезы 1920-х годов о дополнительных измерениях, – научный руководитель убедил меня, что лучше переключиться на ее современную инкарнацию. И поэтому я тоже написала несколько статей о проверке существования дополнительных измерений на Большом адронном коллайдере. Однако коллайдер не регистрировал ничего, что говорило бы в пользу этих дополнительных измерений. Я начала сомневаться в аргументах, основанных на понятии естественности. Нима Аркани-Хамед перешел от больших дополнительных измерений к SUSY, и сейчас он профессор физики в Институте перспективных исследований в Принстоне.

Я мысленно делаю заметку: надо поговорить с Нимой.

«Конечно, с ним гораздо сложнее связаться, чем со мной. Вряд ли он так легко отвечает по электронной почте, – говорит мне Михаэль. – Он заправляет всей областью физики элементарных частиц в США. И считает, что для того, чтобы подвергнуть проверке естественность, нам нужен коллайдер, способный достичь 100 ТэВ. Может, китайцы построят ему коллайдер, кто знает».

По мере того как становится все очевиднее, что Большой адронный коллайдер не даст нам ожидаемых доказательств более красивых законов природы, специалисты по физике элементарных частиц в очередной раз перекладывают свои надежды на следующий, еще больший коллайдер. Нима – один из главных агитаторов в поддержку строительства нового кольцевого ускорителя частиц в Китае.

[3] Фермилаб – сокращенное название Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Иллинойс, США). – Прим. перев.

[4] Это теорема Коулмена – Мандулы. – Здесь и далее, если не указано иное, прим. автора.

[5] Допущения можно ослабить еще больше, но ничего физически интересного из этого, похоже, не выходит; см., например, Lykken J. 1996. Introduction to supersymmetry. FERMILAB-PUB-96/445-T. arXiv:hep-th/9612114.

[6] К примеру, ограничения на нейтральные токи с изменением аромата и электрический дипольный момент. См., например, Cohen A. G. et al. 1996. The more minimal supersymmetric standard model. Phys. Lett. B. 388: 588–598. arXiv: hep-ph/9607394.

[7] Или восходит еще к Нурдстрёму в 1905 году, хотя обычно приписывается Калуце и Клейну, поскольку Нурдстрём не работал с общей теорией относительности, которая на тот момент еще не была известна.

[8] Аббревиатура «эВ» означает «электронвольт», единицу энергии. 1 ТэВ = 1012 эВ (триллион электронвольт). Большой адронный коллайдер способен создать максимально около 14 ТэВ. Поэтому говорят, что он может работать с энергиями масштаба ТэВ.