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

То, что математика дает ошибочный результат для массы хиггсовского бозона, легко исправить. Можно внести поправку в теорию посредством вычитания нужного члена – так, чтобы оставшаяся разность давала наблюдаемую массу. Подобная поправка возможна, поскольку ни один из членов по отдельности не измерить, измерима лишь разница между ними. Однако, производя такое действие, нужно аккуратно подобрать вычитаемый член, чтобы почти, но не полностью аннулировать вклад квантовых флуктуаций.

Для такого деликатного устранения требуется число, идентичное тому, что обуславливают квантовые флуктуации, в четырнадцати разрядах, а затем отличающееся в пятнадцатом. Но то, что пара таких близких чисел могла возникнуть случайно, кажется крайне маловероятным. Представьте, что вы дважды запускаете руку в огромную коробку, где лежат лотерейные билеты со всеми возможными пятнадцатизначными номерами. Если вы вытянете два билета с абсолютно одинаковыми, за исключением последней цифры, номерами, то подумаете, что этому должно быть объяснение – либо билеты плохо перемешаны, либо кто-то вас разыграл.

Физики чувствуют то же по поводу подозрительно маленькой разности двух больших чисел, необходимой, чтобы придать правильную массу бозону Хиггса, – это словно бы требует объяснения. Но поскольку, когда речь идет о законах природы, мы не вытягиваем номера из коробки, мы лишены возможности сказать, насколько это вероятно или невероятно. Следовательно, то, что масса хиггсовского бозона требует объяснения, на самом деле ощущение, а не факт.

Число, будто бы нуждающееся в объяснении, физики называют «тонко настроенным» (fine-tuned), а теорию без тонко настроенных чисел – «естественной»[33]. Часто естественную теорию еще описывают как ту, которая использует только числа, близкие к единице. Эти два определения естественности одинаковы, ведь если два числа близки друг к другу, то разность между ними много меньше единицы.

Итак, числа очень большие, очень маленькие и очень близкие неестественны. В рамках Стандартной модели масса бозона Хиггса неестественна, что делает эту модель некрасивой.

Суперсимметрия значительно улучшает ситуацию, поскольку предохраняет от непомерно больших вкладов квантовых флуктуаций в массу хиггсовского бозона. Так происходит потому, что суперсимметрия обеспечивает необходимое аккуратное устранение заметных вкладов сама по себе, без необходимости осуществлять тонкую настройку. Остаются только более умеренные вклады от масс суперпартнеров. Условие, что все массы естественны, означает, что первые суперпартнеры должны появиться при энергиях, не слишком далеких от тех, при которых появляется сам бозон Хиггса. Ведь если суперпартнеры существенно тяжелее хиггсовского бозона, их вклады должны быть устранены тонкой настройкой, чтобы дать меньшую массу бозона Хиггса. И хотя подобное возможно, кажется абсурдным выполнять тонкую настройку SUSY, раз одно из главных привлекательных ее свойств в том, что она обходится без тонкой настройки.

Если вдруг я потеряла вас на квантовой математике, суть такова: нам не нравятся маленькие числа, поэтому мы изобрели способ обходиться без них, и если это правильно, то мы должны увидеть новые частицы. Это не предсказание, а желание. Однако же эти доводы стали настолько обыденными, что в физике элементарных частиц используются без колебаний.

То, что тяжелые суперпартнеры снова вызовут проблемы с естественностью, было основной причиной, по которой многие физики верили: новые частицы должны объявиться в Большом адронном коллайдере. «Если SUSY существует, многие из важнейших причин ее использования требуют некоторых SUSY-частиц в области ТэВ» – фраза из цикла лекций, прочитанного в 2005 году Карлосом Вагнером в Институте Энрико Ферми в Чикаго ⁵⁰. Цитирую эти слова единственно для того, чтобы показать, что я слышала на десятках семинаров. «Теоретики любят SUSY за ее элегантность, – написал Леон Ледерман незадолго до того, как заработал Большой адронный коллайдер. – Большой адронный коллайдер позволит нам установить, существует SUSY или нет: даже если «скварки» и «глюино» [два типа суперпартнеров] имеют такую большую массу, как 2,5 ТэВ, Большой адронный коллайдер найдет их»⁵¹.

Бозон Хиггса был обнаружен с массой примерно 125 ГэВ. Но никаких суперпартнеров не выявилось, да и вообще ничего такого, что не могла бы объяснить Стандартная модель. Как мы теперь знаем, это означает, что, если суперпартнеры существуют, их массы должны быть тонко настроены. Похоже, естественность попросту неверна.

Поскольку аргументы о естественности оказались ошибочными, специалисты по физике элементарных частиц в растерянности: как быть дальше? Проводник, которому верили больше всего, кажется, подвел их.

Первый цикл Большого адронного коллайдера был запущен в 2008 году. Сейчас декабрь 2015-го, никаких признаков суперсимметрии найдено не было, что вопиюще противоречит предсказанию Горди 2001 года. Однако после двухгодичной модернизации коллайдер вновь заработал в начале текущего года, на этот раз на энергии 13 ТэВ, и мы пока не видели результатов второго запуска, так что надежда все еще теплится[34].

На конференции во время перерыва мне удается спросить мнение Горди о нынешней ситуации: «Что вы подумали, когда суперпартнеры в Большом адронном коллайдере не обнаружились?»

«Не было никаких причин ожидать их появления в первом цикле, – говорит Горди. – Ни единой, кроме этого наивного аргумента о естественности. Но если вы на самом деле ищете теорию, которая дает предсказания, то это теория струн. Суперпартнеры и не должны возникнуть в первом цикле. Они могут проявиться во втором».

Вот она – способность адаптироваться к новым обстоятельствам, отличающая настоящего ученого.

«А что, если их не будет и во втором цикле?»

«Тогда эта модель ошибочна. Не знаю, мне пришлось бы ломать голову над тем, что происходит. Поскольку предсказания модели такие общие, я действительно ожидаю, что суперпартнеры проявятся. [В противном случае] я бы точно отнесся к данным серьезно и размышлял, что в модели можно изменить. Не знаю, я бы тогда хотел какое-то время повозиться и посмотреть, не возникло ли чего-то такого, что можно поменять».

По истечении первых дней конференции в Мюнхене мне стало ясно, что ни у кого здесь нет дельных советов, как быть дальше. Возможно, я ожидала от философов слишком многого.

Зато я поняла следующее: идея Карла Поппера о том, что научные теории должны быть фальсифицируемы, уже давно стала устаревшим критерием. И я рада, так как это принцип, который никто в науке никогда не мог применить, кроме как в качестве риторического приема. Редко возможно по-настоящему опровергнуть идею, ведь та всегда может быть видоизменена или распространена на поступающие новые данные, чтобы им соответствовать. Следовательно, вместо того чтобы фальсифицировать теории, мы делаем их неправдоподобными: непрерывно перестраивающаяся теория становится все сложнее и мудренее – если не сказать некрасивее, – и в конце концов ее сторонники теряют к ней интерес. Сколько требуется времени, чтобы сделать идею неправдоподобной, зависит от толерантности к многократной подгонке теории под противоречивые данные.

Я спрашиваю Горди: «Думаете ли вы, что элегантность теории – это что-то такое, чему теоретики уделяют внимание и о чем им следует заботиться?»

«Да, они уделяют этому внимание. Я уделял, – отвечает он. – Потому что так приятнее работать, это распаляет». Он ненадолго замолкает. «Не уверен насчет “следует”. Условно говоря, мне следует делать то, чем мне нравится заниматься. Но “следует” – больше ощущение, чем логический принцип. Если есть способ лучше, кому-то другому следует им заняться. Но я сомневаюсь, что есть способ лучше, а этот хорош».

Глава 3

Союзное положение

Мир согласно физикам

Самый потрясающий факт о физике высоких энергий состоит в том, что вы можете преуспеть, ничегошеньки о ней не зная.

Возьмем кальций, один из элементов наших костей. Атом кальция состоит из 20 нейтронов и 20 протонов, которые связаны вместе в атомном остове – также называемом «ядро», – окруженном 20 электронами. Электроны являются фермионами и образуют отдельные оболочки вокруг ядра. Именно структура этих оболочек и определяет химические свойства кальция (рис. 2).

Вместе с тем протоны и нейтроны в ядре не сидят смирно, они постоянно в движении: перемещаются и сталкиваются друг с другом, испуская и поглощая особые частицы – переносчиков взаимодействия, – которые удерживают их вместе. Покоя в субатомном мире не бывает никогда. И тем не менее, невзирая на непрерывное движение, все атомы кальция ведут себя одинаково. К счастью для вас – ведь в противном случае ваши кости могли бы развалиться.

Рис. 2. Оболочечная модель атома, в которой электроны (e) располагаются на отдельных оболочках вокруг атомного ядра, состоящего из протонов (p) и нейтронов (n). Это пример разделения масштабов. Что делают частицы внутри ядра – не влияет на электронные оболочки и химические свойства атома.

Интуитивно вы всю свою жизнь знали: что бы ни делали нейтроны внутри атомов, все это не может быть таким уж важным, иначе вы бы об этом слышали. Однако по существу подобное отсутствие влияния совершенно поразительно. Учитывая превеликое множество отдельных компонентов, почему вся эта подструктура атома не порождает поведение, которое чрезвычайно сложно объяснить? Почему все атомы так похожи? Многочисленные частицы, из которых те состоят, каждая занимается своим делом, однако же атомы подчиняются удивительно простым законам – настолько простым, что атомы могут быть четко сгруппированы в периодической таблице, построенной исключительно на структуре электронных оболочек.

Похоже, природа безмерно доброжелательно относится к нашей жажде понять. Что бы ни происходило в ядре – остается в ядре; мы видим только суммарный эффект. Некоторые атомы связываются с водородом, другие нет – но то, что конкретно происходит в ядре, не имеет отношения к этой связи. Одни атомы формируют правильные кристаллические решетки, другие нет – и то, что творится в ядре, не влияет на строение кристаллической решетки.

Наша возможность игнорировать, что конкретно происходит с отдельными компонентами, относится не только к атомам. Свойства сложных частиц, таких как нейтроны и протоны, также почти не замечают движения их составляющих – кварков и глюонов. И когда мы описываем, например, как атомы шпыняют пыльцевые зерна на поверхности воды (броуновское движение), достаточно думать об атомах как о самостоятельных частицах и просто не учитывать, что они содержат что-то более мелкое. На еще больших масштабах все то же: планетные орбиты не зависят от строения планет, а – отодвигаемся еще дальше – на космологических масштабах даже с галактиками можно обращаться словно с частицами без составных элементов.

[33] Термин «тонкая настройка» имеет несколько иное значение в космологии. Мы обсудим это дальше.

[34] По состоянию на сентябрь 2020 года принципиально, увы, ничего не изменилось. У физиков по-прежнему нет доказательств существования суперсимметрии. – Прим. перев.