[Перевод] Может ли природа быть неестественной?

Десятилетия приводящих в растерянность экспериментов заставляют физиков рассматривать поразительную возможность: вероятно, что вселенная не имеет смысла

Облачным днём в конце апреля преподаватели физики и их студенты набились в аудиторию, украшенную деревянными панелями, в Колумбийском университете, чтобы послушать доклад Нима Аркани-Хамеда, заметного физика-теоретика, работавшего в институте передовых исследований в соседнем Принстоне. Аркани-Хамед, с длинными, по плечи, волосами, уложенными за уши, демонстрировал двойственные, и, на первый взгляд, противоречивые выводы из результатов недавних экспериментов, проводившихся на Большом адронном коллайдере.

«Вселенная неизбежна, – объявил он. – Вселенная невозможна».

Впечатляющее открытие бозона Хиггса в июле 2012 года подтвердило почти 50-летнюю теорию того, как элементарные частицы получают массу, что позволяет им формировать такие структуры, как галактики или людей. «То, что его нашли примерно там, где ожидали, явилось триумфом эксперимента, триумфом теории и признаком работоспособности физики», – рассказал Аркани-Хамед толпе.

Однако же, чтобы масса, или эквивалентная энергия, бозона Хиггса имела физический смысл, нужно было обнаружить ещё целую тучу частиц. Но ни одной из них так и не нашли.

Открыв только одну частицу, эксперимент на БАК углубил и без того глубокую проблему физики, назревавшую уже несколько десятилетий. Современные уравнения с потрясающей точностью отражают реальность и правильно предсказывают значения множества природных констант и существования частиц вроде бозона Хиггса. Но несколько констант – включая массу бозона Хиггса – экспоненциально отличаются от того, что предсказывают эти проверенные законы, так, что никакой жизни во Вселенной и возникнуть бы не могло, если только в ней не существует невообразимое количество подстроек и взаимно уничтожающихся величин.

Под угрозу попало понятие «естественности», мечта Альберта Эйнштейна о том, что законы природы безукоризненно прекрасны, неотвратимы и самодостаточны. Без него выходит, что эти законы – просто произвольный и беспорядочный результат случайных флуктуаций ткани пространства-времени.

БАК снова стал сталкивать протоны в 2015 году в поисках ответов. Но в работах и интервью Аркани-Хамед и другие выдающиеся физики уже сталкиваются с возможностью того, что Вселенная может быть неестественной. При этом идут жаркие споры о том, что нужно сделать для доказательства этого.

«10-20 лет назад я твёрдо верил в естественность», – говорит Нэйтан Сейберг, физик-теоретик Института, в котором сам Эйнштейн преподавал с 1933 по 1955, до года своей смерти. «Теперь я не уверен в этом. Надеюсь, что чего-то мы ещё не учли, иного механизма, объясняющего все эти вещи. Не знаю, что бы это могло быть».

Физики утверждают, что если вселенная неестественна, а величины всех констант, делающие жизнь возможной, чрезвычайно маловероятно подобраны, тогда должно существовать огромное количество вселенных, в которых реализовываются другие варианты. Иначе, почему бы нам так повезло? Неестественность могла бы дать большой толчок гипотезе мультивселенной, в которой наша Вселенная – всего лишь один пузырёк в бесконечной недоступной пене. Согласно популярной, но спорной платформе под названием «теория струн», количество возможных типов вселенных, которые могут возникнуть в мультивселенной, стремится к 10⁵⁰⁰. В некоторых из них случайные совпадения могут привести к появлению наблюдаемых нами странных констант.

В такой картине не всё, что связано со вселенной, неизбежно, а значит, кое-что и непредсказуемо. Эдвард Уиттен, специалист по теории струн в Институте, ответил мне по почте: «Я был бы счастлив, если бы теория мультивселенной не подтвердилась, частью из-за того, что она ограничивает наши возможности понимания законов физики. Но при создании вселенной ни с кем из нас не посоветовались».

«Некоторые её просто ненавидят», – говорит Рафаэль Буссо [Raphael Bousso], физик из Калифорнийского университета в Беркли, который помог разработать сценарий мультивселенной. «Не думаю, что мы можем проводить анализ на эмоциях. Это логическая возможность, к которой в отсутствие естественности в БАК склоняются всё больше».

То, что ещё откроют или не откроют на БАК, поддержит одну из двух возможностей: либо мы живём в чрезмерно сложной, но уникальной, Вселенной, или же мы живём в атипичном пузыре мультивселенной. «Через 5-10 лет мы будем гораздо умнее благодаря БАК», – говорит Сейберг. «Это так здорово. Нужно только протянуть руку».

Космическое совпадение

Эйнштейн писал, что для учёного «религиозное чувство приобретает форму восторженного изумления гармонией естественных законов», и что «это чувство – направляющий принцип его работы и жизни». И действительно, в XX-м веке глубоко укоренившаяся вера в гармонию законов природы – в «естественность» – показала себя надёжным проводником в поисках истины.

«На счету естественности много открытий», – сказал Аркани-Хамед в интервью. На практике требуется, чтобы физические константы (массы частиц и другие фиксированные свойства Вселенной) возникали непосредственно из законов физики, а не из маловероятных сокращений. Каждый раз, когда константа выглядит точной подстройкой, будто бы её изначальное значение было волшебным образом установлено так, чтобы изменять другие эффекты, физики подозревали, что что-то упускают. Они искали и находили некую частицу или свойство, отвечавшее за величину константы, что устраняло необходимость точных подстроек.

Но сейчас самовосстанавливающиеся свойства Вселенной подводят нас. У бозона Хиггса масса составляет 126 ГэВ, но взаимодействия с другими известными частицами должны добавлять около 10 000 000 000 000 000 000 ГэВ к её массе. Это значит, что «голая масса» бозона, или стартовое её значение, должна быть отрицательным значением такой астрономической величины, и почти идеально обнулять её, оставляя лишь небольшую часть её массы: 126 ГэВ.

Физики использовали уже три поколения ускорителей частиц в поисках новых частиц, предсказываемых теорией суперсимметрии, которая должна уменьшить массу бозона Хиггса ровно на столько, на сколько её увеличивают известные частицы. Но пока что они ничего не обнаружили.

Даже если обновлённый БАК и найдёт новые частицы, они определённо будут слишком тяжёлыми для того, чтобы влиять на массу Хиггса нужным образом. Хиггс будет всё ещё в 10-100 раз легче, чем нужно. Физики спорят, приемлемо ли это для естественной и уникальной вселенной. «Небольшая подстройка – может быть, такое просто случается», – говорит Лиза Рэндал, профессор из Гарвардского университета. Но по мнению Аркани-Хамеда, «немножко подстроенная – это как немножко беременная. Такого не бывает».

Если новых частиц не появится, и Хиггс останется астрономически точно подстроенным, тогда гипотеза мультивселенной выходит в центр внимания. «Это не значит, что она правильная, – говорит Буссо, давний приверженец идеи мультивселенной, – это значит, что больше вариантов нет».

Алессандро Струмиа (справа) и Дэвид Кёртин обсуждают идею «модифицированной естественности» на форуме 2013 года в Брукхейвене

Некоторые физики – например, Джо Ликкен из Национальной лаборатории ускорителя Ферми, и Алессандро Струмиа из Пизанского университета в Италии – видят третий вариант. Они говорят, что физики неправильно измеряют эффекты влияния других частиц на массу Хиггса, и что при других методах подсчётов масса выглядит естественной. Эта «модифицированная естественность» ломается, если в подсчёты включить дополнительные частицы, например, тёмную материю – но подобный нестандартный путь может породить и другие идеи. «Я не агитирую за идею, я просто хочу обсудить её последствия», – сказал Струмиа во время доклада в Национальной лаборатории Брукхейвена.

Но модифицированная естественность не решает большей проблемы, существующей в физики: то, что космос не аннигилировал благодаря своей энергии сразу же после Большого взрыва.

Тёмная энергия

Энергия, присущая вакууму (известная, как энергия вакуума, тёмная энергия или космологическая константа) в непостижимое количество, триллион триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов раз меньше, чем расчётная естественная, хотя и самоуничтожающаяся, величина. Пока нет теории, которая бы могла исправить эту громадное несоответствие. Ясно, что космологическая константа должна быть чрезвычайно сильно подстроена, чтобы у жизни был шанс.

Идея мультивселенной, объясняющая такое абсурдное везение, набирала популярность среди космологов последние несколько десятилетий. Она увеличила достоверность в 1987, когда нобелевский лауреат Стивен Вайнберг, теперь преподающей в Техасском университете в Остине, подсчитал, что в сценарии с мультивселенной возникает и космологическая константа. Из всех возможных вселенных, способных поддерживать жизнь – а только их можно обозревать и наблюдать – в нашей меньше всего точных подстроек. «Если бы космологическая константа была бы ощутимо больше наблюдаемого значения, например, раз в 10, тогда у нас не было бы галактик, – объясняет Александр Виленкин, космолог и теоретик, изучающий теорию мультивселенной в Тафтском университете. – Сложно представить, как в такой вселенной могла бы существовать жизнь».

Большинство специалистов по физике частиц надеялись, что будут найдены более проверяемые объяснения для проблемы космологической константы. Но ничего не нашли. Теперь же неестественность Хиггса делает более значимой неестественность космологической константы. Аркани-Хамед считает, что эти проблемы вообще могут быть связаны. «Мы не понимаем основного и самого удивительного факта, касающегося нашей вселенной, – говорит он. – Она большая и в ней много больших вещей».

Мультивселенная превратилось в нечто большее, чем просто в аргумент, в 2000 году, когда Буссо и Джо Полчински, профессор теоретической физики в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, обнаружили механизм, способный породить целую панораму параллельных вселенных. Теория струн, гипотетическая «теория всего», считающая частицы крохотными вибрирующими чёрточками, постулирует наличие 10 измерений пространства-времени. В человеческом масштабе ощущается лишь три измерения пространства и одно времени, но специалисты по теории струн говорят, что шесть дополнительных измерений тесно связаны в любой точке ткани нашей четырёхмерной реальности. Буссо и Полчински подсчитали, что существует 10⁵⁰⁰ вариантов связывания этих измерений, что приводит к огромному количеству возможных вселенных. Иначе говоря, естественность не требуется. Не существует единственной, неизбежной и идеальной вселенной.

«Это для меня был момент просветления», – сказал Буссо. Но работа вызвала яростную критику.

«Физики частиц, особенно специалисты по теории струн, мечтали предсказать все константы природы, – объясняет Буссо. – Всё бы вышло из математики, числа пи и двоек. А тут пришли мы и сказали: „Знаете, ничего такого не будет, и тому есть причина. Мы думаем об этом неправильно“».

Жизнь во Вселенной

Большой взрыв, в варианте Буссо-Полчински, это флуктуация. Компактный шестимерный узел, составляющий один из стежков ткани реальности, внезапно меняется, освобождая энергию, формирующую пузырь пространства-времени. Свойства этой вселенной определяются случайно: через количество высвобожденной энергии. Огромное количество появляющихся вселенных наполнены вакуумной энергией. Они либо расширяются, либо так быстро коллапсируют, что жизнь в них возникнуть не успевает. Но некоторые атипичные вселенные, в которых сокращение приводит к небольшому значению космологической константы, похожи на нашу.

В работе на сайте arXiv.org Буссо и его коллега из Беркли, Лоуренс Холл, доказывают, что в случае мультивселенных масса Хиггса имеет смысл. Они обнаружили, что в пузырьковых вселенных, содержащих достаточное количество видимой материи (в отличие от тёмной) для существования жизни, очень часто появляются суперсимметричные частицы, находящиеся за пределами доступных на БАК энергий, и точно подстроенный бозон Хиггса. Также другие физики показали в 1997 году, что если бозон Хиггса был бы в пять раз тяжелее, это предотвратило бы формирование атомов тяжелее водорода, из-за чего вселенная была бы безжизненной.

Несмотря на вроде бы успешное объяснение, многие физики волнуются, что после принятия мультивселенной мало что изменится. Существование параллельных вселенных нельзя проверить, а неестественная вселенная недоступна пониманию. «Без естественности у нас пропадёт мотивация на поиски новой физики», – говорит Кфир Блюм [Kfir Blum] из Института передовых исследований. «Мы знаем, что она там есть, но нет никаких убедительных аргументов в пользу того, почему мы должны её найти». Такое мнение встречается очень часто. «Я бы предпочёл, чтобы вселенная была естественной», – говорит Рэндал.

Но физики могут привыкать к теориям. Проведя больше десяти лет в привыкании к мультивселенной, Аркани-Хамед находит её возможной – и жизнеспособной теорией для понимания того, как работает наш мир. «Интересно, что практически любой из полученных на БАК результатов направит нас по одному из этих расходящихся путей, – говорит он. – И это очень, очень важный вывод».

Естественность может победить. Или она может оказаться ложной надеждой в странном, но комфортабельном уголке мультивселенной. Как сказал своей аудитории в Колумбии Аркани-Хамед, «оставайтесь с нами».