Сабина Хоссенфельдер

Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Маме

Небеса таят ощущение чуда.

И мне хотелось верить,

Что я буду подхвачена,

Когда обессилю.

САРА МАКЛАКЛЭН «ТИШИНА»

Lost in Math: How Beauty Leads Physics Astray by Sabine Hossenfelder

Copyright © 2018 by Sabine Hossenfelder. All rights reserved.

© Якименко А. О., перевод на русский язык, 2021

© ООО «Издательство «Эксмо», 2021

Предисловие

Они были так уверены – на все сто. Десятилетиями физики говорили нам, что знают, откуда ждать следующих открытий. Они строили ускорители, запускали спутники в космос и устанавливали детекторы в шахтах. Мир накалялся от зависти к физике[1]. Однако чаемых прорывов не происходило. Эксперименты не давали ничего нового.

Подвела физиков не математика, а их выбор математики. Они полагали, что мать-природа изящна, проста и щедра на подсказки. Думали, что могут слышать ее шепот, разговаривая с самими собой. И вот природа заговорила – и не сказала ни-че-го, четко и ясно.

Теоретическая физика – это стандартная математически мудреная, трудная для понимания научная дисциплина. Но для книги о математике здесь будет очень мало математики. Отбросьте уравнения и технические термины – и физика станет поиском смысла, исканиями, принявшими неожиданный оборот. Какие бы законы природы ни управляли нашей Вселенной, они не такие, как физики думали. Не такие, как думала я.

В книге рассказывается о том, как эстетическая оценка направляет современные исследования. Это моя собственная история, размышления о применении того, чему меня учили. Но также и история многих других физиков, мучающихся тем же противоречием: мы верим, что законы природы красивы, но разве верить во что-либо – это не то, чего ученый делать не должен?

Глава 1

Тайные законы физики

В которой я осознаю, что больше не понимаю физики. Я беседую с друзьями и коллегами, вижу, что не одна в замешательстве, и решаю вернуть на землю здравый смысл.

Серьезная проблема хорошего ученого

Я изобретаю новые законы природы, этим я зарабатываю на жизнь. Я одна из примерно десяти тысяч исследователей, чья задача – улучшить наши теории в физике элементарных частиц. В храме знаний мы те, кто копает в подвале, изучая фундамент. Мы обследуем трещины – подозрительные изъяны действующих теорий – и, когда что-то находим, зовем экспериментаторов разрыть более глубокие слои. В прошлом столетии такое разделение труда между теоретиками и экспериментаторами работало очень хорошо. Но моему поколению жестоко не везет.

Я уже двадцать лет в теоретической физике, и большинство людей из тех, кого я знаю, делают карьеру, исследуя вещи, которые никто никогда не видел. Они придумали немыслимые новые теории, вроде идеи, что наша Вселенная – лишь одна из бесконечно многих, составляющих вместе «мультивселенную». Они изобрели десятки новых частиц, заявили, будто мы проекции пространства большей размерности, а само пространство испещрено кротовыми норами, соединяющими отдаленные области.

Эти идеи крайне противоречивы – и все же чрезвычайно популярны, спекулятивны – но интригующи, красивы – но бесполезны. Большинство из них так трудно проверить, они практически непроверяемы. Остальные непроверяемы даже теоретически. Но роднит эти теории то, что они сформулированы теоретиками, убежденными, будто их математика содержит некий элемент истины о природе. Они верят, что их теории слишком хороши, чтобы не быть правдой.

Изобретению новых законов природы – разработке теорий – не учат на занятиях; как придумывать новые законы природы – не объясняют в книгах и пособиях. Частично физики научаются этому, осваивая историю науки, но преимущественно впитывают это умение от старших коллег, друзей и наставников, руководителей и рецензентов. В основном это передающийся из поколения в поколение опыт, нажитое тяжелым трудом чутье на то, что работает. Когда физиков просят оценить перспективы новоизобретенной, но еще не проверенной теории, они опираются на понятия естественности, простоты (или элегантности) и красоты. Эти тайные законы вездесущи в основаниях физики. Они неоценимы. И находятся в острейшем конфликте с требованием научной объективности.

Тайные законы сослужили нам плохую службу. Хотя мы и предложили множество новых законов природы, все они остались неподтвержденными. И пока я наблюдала, как моя профессия соскальзывает в кризис, я соскользнула в свой собственный, персональный кризис. Я больше не уверена, что то, чем мы занимаемся в основаниях физики, – наука. А если это не наука, зачем я даром теряю свое время?

* * *

Я пришла в физику, потому что не понимаю человеческого поведения. Я пришла в физику, потому что математика прямолинейна, говорит все так, как есть. Мне нравились точность, недвусмысленность математики, ее главенство над природой. Два десятилетия спустя понять физику мне мешает то, что я все еще не понимаю человеческого поведения.

«Мы не можем сформулировать точные математические правила, которые определяли бы, привлекательна некая теория или нет, – говорит Джан Франческо Джудиче. – Но удивительно, как красота и элегантность теории повсеместно признаются людьми разных культур. Когда я говорю вам: “Смотрите, у меня вышла новая статья, и моя теория красива”, мне не нужно объяснять вам тонкости теории – вы и так поймете, почему я взволнован. Правильно?»

Я не понимаю. Потому-то и завела этот разговор. С чего бы законам природы тревожиться о том, что я нахожу красивым? Подобная связь между мной и Вселенной кажется абсолютно мистической, абсолютно нереальной, слишком чуждой мне.

Но ведь Джан не думает, будто природе не все равно, что я нахожу красивым, – ей важно, что он считает красивым.

«Чаще всего это интуитивное чувство, – говорит он, – ничего такого, что можно было бы выразить в математических терминах. Как говорится, физическая интуиция. Существует важное различие в том, как физики и математики видят красоту. Правильная комбинация из объяснения эмпирических фактов и использования фундаментальных принципов – вот что делает физическую теорию успешной и красивой».

Джан работает[2] на теоретическом отделении ЦЕРН (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, Европейская организация по ядерным исследованиям). В ЦЕРН функционирует самый крупный на сегодня ускоритель частиц на встречных пучках – Большой адронный коллайдер. Стоившее 6 миллиардов долларов 16-мильное подземное кольцо для ускорения протонов и сталкивания их друг с другом почти на скорости света обеспечивает нам максимальное приближение к элементарным строительным блокам материи.

Большой адронный коллайдер – это объединение экстремальностей: сверхохлажденные магниты, сверхвысокий вакуум, компьютерные кластеры, которые во время экспериментов записывают около трех гигабайт данных – что сравнимо с несколькими тысячами электронных книг – в секунду. Большой адронный коллайдер объединил тысячи ученых, десятилетия исследований и миллиарды высокотехнологичных компонентов ради одной цели – выяснить, из чего мы сделаны.

«Физика – игра хитроумная, – продолжает Джан. – И для того чтобы выяснить ее правила, требуется не только рациональность, но и субъективная оценка. По мне, так именно эта иррациональная составляющая и делает физику интересной и волнующей».

Я звоню из своей арендованной квартиры, вокруг громоздятся картонные коробки. Моя работа в Стокгольме подошла к концу – пора двигаться дальше и искать следующий исследовательский грант.

Когда я окончила университет, то думала, что научное сообщество станет для меня домом, семьей единомышленников, стремящихся понять природу. Однако я начала все больше и больше отдаляться от коллег, которые, с одной стороны, проповедуют важность беспристрастных эмпирических суждений, а с другой – применяют эстетические критерии для защиты своих любимых теорий.

«Когда вы отыскиваете решение проблемы, над которой работали, вы чувствуете некое возбуждение, – говорит Джан. – Это тот момент, когда вы неожиданно начинаете видеть структуру, вырисовывающуюся за вашими рассуждениями».

Исследования Джана сосредоточены на разработке новых теорий, сулящих решение проблем в уже существующих теориях физики элементарных частиц. Он придумал метод, позволяющий в количественной форме определить, насколько естественна теория, – математический показатель, по которому можно выяснить, насколько теория опирается на невероятные случайности 1. Чем естественнее теория, тем меньше она требует случайностей и тем она привлекательнее.

«Ощущение красоты физической теории словно “встроено” в наш мозг, это не социальный конструкт. Оно задевает некую внутреннюю струну, – говорит Джан. – Когда вы наталкиваетесь на красивую теорию, у вас возникает та же эмоциональная реакция, что и перед произведением искусства».

Не то чтобы я не знала, о чем он говорит, я просто не понимаю, почему это имеет значение. Сомневаюсь, что мое чувство прекрасного – надежный проводник в мире фундаментальных законов природы, законов, что определяют поведение объектов, непосредственным чувственным восприятием которых я не обладаю, никогда не обладала и никогда обладать не буду. Для того чтобы быть «встроенным» в мой мозг, оно должно было приносить пользу в ходе естественного отбора. Но какое эволюционное преимущество может давать понимание квантовой гравитации?

И хотя создание чего-то красивого – это достойное ремесло, наука – не искусство. Мы стараемся разработать теории не для того, чтобы вызвать эмоциональные реакции, мы ищем объяснений тому, что наблюдаем. Наука – это организованная деятельность, направленная на то, чтобы преодолеть ограничения когнитивных способностей человека и избежать заблуждений интуиции. Наука вообще не об эмоциях, она о числах и уравнениях, данных и графиках, фактах и логике.

Думаю, мне хотелось, чтобы Джан доказал мою неправоту.

Когда я спросила его, как он расценивает последние данные с Большого адронного коллайдера, он произнес: «Мы так обескуражены…» Наконец-то что-то мне понятное.

Неудача

В первые годы работы Большой адронный коллайдер добросовестно преподнес нам частицу, названную бозоном Хиггса, существование которой было предсказано еще в 1960-е годы. Мои коллеги и я возлагали большие надежды на проект, стоивший миллиарды долларов, – рассчитывали, что он сделает нечто большее, чем просто подтвердит то, в чем никто и не сомневался. Мы обнаружили несколько многообещающих «трещин в фундаменте», убедивших нас, что Большой адронный коллайдер породит также другие, пока неизвестные частицы. Мы ошиблись. Большой адронный коллайдер не увидел ничего, что подкрепило бы наши новоизобретенные законы природы.

Нашим друзьям-астрофизикам повезло не намного больше. В 1930-х годах они обнаружили, что скопления галактик содержат гораздо больше массы, чем все видимое вещество, вместе взятое, вообще может дать. Даже если допустить большую погрешность данных, требуется новый тип материи – «темная материя», – чтобы объяснить наблюдения. Появились доказательства гравитационного воздействия темной материи, так что мы уверены: она существует. Но из чего она состоит – остается загадкой. Астрофизики считают, что из каких-то типов частиц, которых нет на Земле, частиц, не поглощающих и не испускающих свет. Они придумали новые законы природы, неподтвержденные теории, чтобы руководить строительством детекторов, призванных проверить их идеи. Начиная с 1980-х годов десятки экспериментальных команд охотятся за этими гипотетическими частицами темной материи. И до сих пор их не обнаружили. Новые теории так и остаются неподтвержденными.

Уныла ситуация и в космологии, где физики безуспешно пытаются понять, что заставляет Вселенную расширяться все быстрее и быстрее. Это наблюдение приписывается влиянию «темной энергии». Космологи могут математически показать, что загадочная причина – не более чем энергия, которую содержит вакуум, и тем не менее они не в силах вычислить количество этой энергии. Это одна из «трещин в фундаменте», куда физики стараются заглянуть, но пока им не удалось разглядеть ничего, что говорило бы в пользу новых теорий, разработанных для объяснения темной энергии.

В то же самое время в области квантовых основ наши коллеги хотят улучшить теорию, у которой вообще нет изъянов. Они действуют из убеждения, согласно которому с математическими структурами, не соотносящимися с измеримыми величинами, что-то не так. Их раздражает, что, как жаловались Ричард Фейнман, Нильс Бор и другие выдающиеся физики прошлого столетия, «квантовой механики никто не понимает». Исследователи оснований квантовой физики хотят изобрести теории получше, веря, как и все остальные, что находятся на верном пути. Увы, все эксперименты подтвердили предсказания непонимаемой теории минувшего века. А что же насчет новых теорий? Все они по-прежнему остаются непроверенными предположениями.

Колоссальные усилия были затрачены на эти провалившиеся попытки обнаружить новые законы природы. Уже больше тридцати лет мы не можем усовершенствовать фундаментальные основы физики.

* * *

Итак, вы хотите знать, что удерживает мир, как возникла Вселенная и какие правила руководят нашим существованием? Ближе всего вы подберетесь к ответам на эти вопросы, если последуете за фактами вплоть до «подвала» науки. Идите до тех пор, пока факты не станут скудными и дорогу вам не преградят теоретики, спорящие, чья теория красивее. Тогда-то вы и поймете, что достигли фундаментальных положений.

Фундаментальные положения физики – это те составные части наших теорий, которые, несмотря на все, что мы сегодня знаем, не могут быть выведены из чего-то более простого. Сейчас на этом самом нижнем уровне у нас есть пространство, время и двадцать пять частиц – вместе с уравнениями, описывающими их поведение. Объекты моей области исследований – частицы, которые двигаются в пространстве и времени, иногда соударяясь или образуя объединения. Не думайте о них как о маленьких шариках, они не такие из-за квантовой механики (подробнее обсудим это позже). Лучше представляйте их себе облачками, способными принимать любую форму.

В основаниях физики мы имеем дело только с теми частицами, которые нельзя разделить на составные части, мы называем их «элементарными частицами». Насколько нам сегодня известно, у них нет внутренней структуры. Однако элементарные частицы умеют объединяться, образуя атомы, молекулы, белки, – и таким образом создавать грандиозное многообразие объектов, что мы видим вокруг. Именно из этих двадцати пяти частиц состоите вы, я и все остальное во Вселенной.

Но частицы сами по себе не очень интересны. Что интересно, так это отношения между ними, принципы, определяющие их взаимодействия, устройство законов, породивших Вселенную и создавших возможности для нашего существования. В нашей игре нас заботят правила, не фишки. И самый важный урок из выученных нами состоит в том, что природа играет по правилам математики.

Сделано из математики

В физике теории сделаны из математики. Мы прибегаем к математике не потому, что хотим отпугнуть тех, кто незнаком с дифференциальной геометрией или градуированными алгебрами Ли, мы используем ее, ибо глупы. Математика заставляет нас быть честными – не дает нам соврать ни самим себе, ни друг другу. С математикой вы можете ошибаться, но не лгать.

Наша задача как теоретических физиков – разрабатывать такую математику, которая объясняла бы существующие наблюдения и позволяла делать предсказания, чтобы направлять экспериментальную работу. Использование математики в разработке теорий обеспечивает логическую строгость и внутреннюю согласованность, гарантирует, что теории непротиворечивы, а результаты воспроизводимы.

Успех математики в физике был грандиозным – и поэтому сейчас все неукоснительно придерживаются такого стандарта качества. Теории, разрабатываемые нами сегодня, представляют собой набор предположений – математических соотношений или определений – вместе с интерпретациями, которые связывают математику с наблюдаемыми в реальном мире величинами.

Однако мы не строим теории, записывая допущения, а затем выводя наблюдаемые следствия в виде последовательного ряда теорем и доказательств. В физике теории почти всегда начинают свой путь как разрозненные лоскутки идей. Разгребать бардак, разводимый физиками при разработке теорий, и находить точный набор предположений, из которого может быть получена цельная теория, часто достается нашим коллегам, специализирующимся на математической физике – области математики, не физики.

В целом физики и математики неплохо договорились о разделении труда: первые жалуются на дотошность вторых, а вторые возмущаются небрежностью первых. Впрочем, с обеих сторон мы точно знаем, что прогресс в одной области подгоняет прогресс в другой. Начиная с теории вероятностей и теории хаоса и заканчивая квантовыми теориями поля, лежащими в основе современной физики элементарных частиц, математика и физика всегда шли рука об руку.

Но физика – не математика. Помимо внутренней непротиворечивости (не должно получаться выводов, противоречащих друг другу) от успешной теории также требуется согласованность с результатами наблюдений (не должно быть противоречий с данными). Для области физики, в которой работаю я, где мы имеем дело с самыми фундаментальными вопросами, это требование жесткое. Существует так много данных, что выполнять все необходимые вычисления для свежепредложенных теорий попросту невозможно. А еще и нецелесообразно, поскольку можно срезать путь: мы сначала демонстрируем, что новая теория согласуется с хорошо подтвержденными старыми в пределах погрешности измерений, и тем самым воспроизводим результаты старых теорий, а затем нам остается только добавить вычисления для того, что еще новая теория в силах объяснить.

Показать, что новая теория воспроизводит все достижения успешных старых, порой чрезвычайно сложно. А все потому, что новая теория может использовать совершенно иной математический аппарат, совсем не похожий на аппарат старой теории. Чтобы исхитриться продемонстрировать, что обе тем не менее дают одинаковые предсказания для уже сделанных наблюдений, часто требуется отыскать подходящий способ переформулировать новую теорию. Это несложно в тех случаях, когда новая теория напрямую заимствует математику старой, но задача оборачивается огромной проблемой, если используется принципиально новый математический аппарат.

Эйнштейн, например, бился не один год, чтобы доказать, что общая теория относительности, его новая теория гравитации, воспроизводит успехи предшественницы – теории тяготения Ньютона. Проблема состояла не в том, что теория Эйнштейна была неверна, – он не знал, как в ней найти ньютоновский гравитационный потенциал. Вся математика у него была правильной, но отсутствовало отождествление с реальным миром. Только после нескольких неудачных попыток он нащупал верный способ это сделать. Правильная математика – лишь часть правильной теории.

Есть и другие причины, почему мы используем математику в физике. Кроме того, что она не дает нам соврать, математика – это также самая экономичная и четкая терминология из известных. Язык пластичен, он зависит от контекста и интерпретации. А математике нет дела до культуры и истории. Если тысяча человек прочтет книгу, они прочтут тысячу разных книг. Но если тысяча человек прочтет уравнение, они прочтут одно и то же уравнение.

Главная же причина, по которой мы используем математику в физике, – потому что можем.

Зависть к физике

Хотя логической непротиворечивости научная теория требует всегда, не все дисциплины поддаются математическому моделированию: использование столь строгого языка не имеет смысла, если данные не отвечают требованиям строгости. И из всех научных дисциплин физика работает с самыми простыми системами и потому идеально подходит для математического моделирования.

В физике предметы исследования высоко воспроизводимы. Мы хорошо понимаем, как контролировать экспериментальные условия и какими эффектами можно пренебречь без ущерба для точности. Результаты, например, в психологии трудно воспроизвести, поскольку нет двух одинаковых людей и редко когда точно известно, какие человеческие особенности могут сыграть свою роль. А вот в физике такой проблемы у нас нет. Атомы гелия не могут проголодаться и так же уравновешенны по понедельникам, как и по пятницам.

Подобная четкость и делает физику столь успешной, но она же делает физику еще и такой сложной. Непосвященным обилие формул часто кажется неприступной крепостью, однако умение с ними обращаться – вопрос образования и привычки. Физику делает сложной не осмысление математики. Настоящая трудность в том, чтобы найти правильную математику. Нельзя просто взять что-то похожее на математику и назвать это теорией. Требование, чтобы новая теория была непротиворечивой – как внутренне согласованной, так и согласующейся с экспериментом (со всеми и каждым!), – вот что делает физику такой непростой.

Теоретическая физика – это продвинутая, хорошо развитая область. Теории, с которыми мы сегодня работаем, выдержали великое множество экспериментальных проверок. И всякий раз, как они с честью проходили очередное испытание, становилось чуть сложнее что-либо в них улучшить. Новая теория должна обеспечивать успех всех действующих теорий да еще и быть немножко лучше.

Пока физики разрабатывали теории, чтобы объяснять результаты существующих или намечающихся экспериментов, успех означал получение правильных чисел при наименьшей затрате усилий. Но чем больше наблюдений наши теории могли объяснить, тем труднее становилось проверить предполагаемое усовершенствование. Прошло двадцать пять лет между предсказанием и обнаружением нейтрино, понадобилось почти пятьдесят лет, чтобы засвидетельствовать бозон Хиггса, и столетие – чтобы напрямую детектировать гравитационные волны. Теперь время, необходимое для проверки нового фундаментального закона природы, может превышать продолжительность карьеры ученого. Это вынуждает теоретиков помимо эмпирической адекватности полагаться еще и на иные критерии, чтобы решить, какой тропой дальше следовать. Эстетическая привлекательность – один из таких критериев.

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.

Но независимо от того, что еще можно будет открыть на более высоких энергиях, тот факт, что Большой адронный коллайдер до сих пор не нашел никаких новых элементарных частиц, означает, что верная теория, по стандартам физиков, неестественна. Фактически мы загнали себя в оксюморонную ситуацию, когда, согласно нашим собственным критериям красоты, сама природа оказывается неестественной.

«Обеспокоен ли я? Не знаю. Я сбит с толку, – признается Михаэль. – Я действительно в замешательстве. До Большого адронного коллайдера я думал, что-то должно случиться. Но теперь? Я обескуражен». Звучит знакомо.

ВКРАТЦЕ

• Физики используют много математики и по-настоящему гордятся тем, что она так хорошо работает.

• Но физика – не математика: разработка теорий требует данных для контроля.

• В некоторых областях физики новых данных не было уже много лет.

• В отсутствие экспериментов, направляющих исследование, теоретики прибегают к эстетическим критериям.

• И оказываются сбиты с толку, если это не срабатывает.

Глава 2

Как прекрасен мир

В которой я читаю много книг об умерших людях и обнаруживаю, что все любят красивые идеи, но красивые идеи иногда работают плохо. На конференции я начинаю волноваться, что физики вот-вот отбросят научный метод.

Откуда мы пришли

В школе я ненавидела историю, но с тех пор осознала целесообразность цитирования умерших людей для обоснования своих суждений. Я даже не притязаю на то, чтобы дать вам экскурс в историю роли красоты в науке, поскольку на самом деле я больше интересуюсь будущим, чем прошлым, и к тому же другие этим уже занимались 9. Однако, если мы хотим увидеть, как физика изменилась, мне нужно рассказать вам, какой она была.

До конца XIX века ученым было довольно привычно считать красоту природы за признак божественности. Хотя они искали – и находили – объяснения, которые прежде были в ведении Церкви, неизъяснимая гармония, раскрываемая законами природы, обнадеживала верующих в том, что наука не представляет риска для сверхъестественного.

Примерно на рубеже веков, когда наука отделилась от религии и стала более профессионализированной, ее приверженцы перестали приписывать красоту законов природы божественному влиянию. Они изумлялись благозвучию, царящему в законах, что управляют Вселенной, но вопрос интерпретации оставляли открытым или по меньшей мере отмечали собственные верования как личное мнение.

В XX веке эстетическая привлекательность трансформировалась из приятного бонуса научных теорий в главного советчика при их построении, пока в конце концов эстетические принципы не переросли в математический критерий. Сегодня мы больше не раздумываем над аргументами о красоте – их ненаучное происхождение «затерялось в математике».

* * *

Среди первых ученых, сформулировавших количественные законы природы, был немецкий математик и астроном Иоганн Кеплер (1571–1630), работавший под сильным влиянием религиозных убеждений. У Кеплера была модель Солнечной системы, в которой известные тогда планеты – Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер и Сатурн – вращались по круговым орбитам вокруг Солнца. Радиусы орбит определялись правильными многогранниками – платоновыми телами, – вставленными друг в друга, и полученные таким образом расстояния между планетами хорошо согласовывались с наблюдениями. Идея была привлекательной. Кеплер считал, что «совершеннейший из строителей… с необходимостью должен был создать творение, обладавшее безупречной красотой».

Благодаря таблицам, фиксировавшим точные положения планет, Кеплер позднее убедился, что его модель неверна, и сделал вывод, что планеты движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, а не круговым. Его новая идея тут же была встречена неодобрением – она не соответствовала эстетическому стандарту того времени.

В частности, Кеплера критиковал Галилео Галилей (1564–1642), веривший, что «только круговое движение естественно подобает естественным телам, составляющим Вселенную и приведенным в наилучшее расположение»10[9]. Другой астроном, Давид Фабрициус (1564–1617), возмущался: «Своими эллипсами вы уничтожили кругообразность и равномерность движений, что представляется мне тем нелепее, чем больше я об этом думаю…» Фабрициус, как и многие в то время, предпочитал корректировать орбиты планет «эпициклами», то есть круговыми движениями меньшего радиуса вокруг круговых же орбит. «Если бы вы только могли сохранить идеальную круговую орбиту и обосновать свою эллиптическую орбиту другими небольшими эпициклами, – писал Фабрициус Кеплеру, – было бы намного лучше»11.

Но Кеплер был прав. Планеты действительно движутся вокруг Солнца по эллипсам.

После того как объективные данные вынудили его отказаться от безупречных многогранников, Кеплер, в более позднем возрасте, пришел к убеждению, что планеты при движении рождают музыку. В своем трактате «Гармония мира», изданном в 1619 году, он вывел, как звучит каждая из планет, и заключил, что «Земля поет ми-фа-ми». Это была не лучшая его работа. Однако кеплеровский анализ планетных орбит заложил основы для последующих исследований Исаака Ньютона (1643–1727), первого ученого, который строго использовал математику.

Ньютон верил в существование Бога, чье влияние видел в законах, которым подчиняется природа. В 1726 году он написал: «Такое изящнейшее соединение Солнца, планет и комет не могло произойти иначе, как по намерению и по власти могущественного и премудрого существа»12[10]. С момента их открытия ньютоновские законы движения и тяготения были радикально пересмотрены, но в качестве приближений остаются действующими и сегодня.

Ньютон и его современники без раздумий совмещали религию и науку – тогда это было общепринятой практикой. Вероятно, особенно к тому был склонен Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716), разработавший дифференциальное и интегральное исчисление примерно в то же время, что и Ньютон, но независимо от него. Лейбниц верил, что мир, который мы населяем, «наилучший из всех возможных миров», а все существующее зло необходимо. «Каждая вновь обретенная истина, каждый опыт или теорема – это новое зеркало, в котором отражается красота Бога»13. Лейбниц считал, что несовершенство мира «основывается только на том, что мы слишком мало знаем всеобщую гармонию Вселенной и скрытые основания деятельности Бога»14[11]. Иными словами, согласно Лейбницу, ужасное ужасно, поскольку мы не понимаем, что есть красота.

Аргумент Лейбница, как любят рассуждать философы и теологи, бесполезен без определения, что вообще означает «наилучший». Но сама идея, что наша Вселенная оптимальна в некотором смысле, закрепилась в науке и пробилась сквозь века. Как только она была выражена математически[12], она выросла в гиганта, на чьих плечах стоят все сегодняшние физические теории. Современные теории отличаются лишь тем, как они требуют от системы «наилучшего» поведения. Общая теория относительности Эйнштейна, например, может быть выведена из требования, чтобы искривление пространства-времени было как можно меньшим. Подобные методы существуют и для других взаимодействий. И до сих пор физики стараются найти всеобъемлющий принцип, в соответствии с которым наша Вселенная «наилучшая», – к этой проблеме мы вернемся позже.

Как мы сюда попали

По мере того как проходили столетия и математика становилась все эффективнее, отсылки к Богу в физике потихоньку сходили на нет или вплетались в сами законы природы. В конце XIX века Макс Планк (1858–1947) верил, что «святость непостижимого Божества как бы придает святость постижимым символам»[13]. Затем, когда XIX век перетек в XX, красота постепенно трансформировалась в руководящий принцип физиков-теоретиков, закристаллизовавшийся с развитием Стандартной модели.

Герман Вейль (1885–1955), математик, сделавший важный вклад в физику, даже и не думал оправдываться за свои не очень-то научные методы: «В своей работе я всегда пытаюсь объединить истину с красотой, но, когда мне приходилось выбирать одно или другое, я обычно выбирал красоту»15. Астрофизик Эдвард Артур Милн (1896–1950), авторитетный ученый в период разработки общей теории относительности, считал красоту «дорогой к знанию, а точнее единственным знанием, которым стоит обладать». В своем выступлении 1922 года в Клубе естественных наук Кембриджского университета он выражал недовольство изобилием неприглядных исследований:

Достаточно просмотреть подшивки старых номеров научных журналов, скажем, за последние пятьдесят лет, чтобы наткнуться на десятки статей, которые никак не обогатили научное знание, да никогда и не могли, являясь лишь грибком на стволе древа науки и, как грибок, постоянно возникая вновь при попытке уничтожения. <…> [Но если статья] возбуждает в нас эмоции, которые ассоциируются с красотой, никакие дальнейшие подтверждения не требуются; это не грибок, а цветок; это назначение науки, окончание работы, в которой наука достигла своей высшей цели. Неприглядные статьи – вот они-то требуют подтверждения 16.

Поль Дирак (1902–1984), нобелевский лауреат, в чью честь названо уравнение, пошел еще на шаг дальше и выдал инструкции: «Исследователь в своих усилиях выразить фундаментальные законы природы в математическом виде должен главным образом стремиться к математической красоте»17[14]. В другой раз, когда Дирака попросили кратко сформулировать свою философию физики, он подошел к доске и написал: «ФИЗИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ ДОЛЖНЫ ОБЛАДАТЬ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ КРАСОТОЙ»18. Историк Хельге Крах завершил биографию Дирака следующим наблюдением: «…После 1935 года [ему], как правило, не удавалось достигать физических результатов непреходящей ценности. Не будет неуместным заметить, что принцип математической красоты направлял его мышление только в течение более позднего периода»19.

Альберт Эйнштейн (1879–1955), вообще не нуждающийся в представлении, довел себя до состояния, в котором верил, будто мышление само по себе способно раскрывать законы природы: «Я убежден, что посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы. <…> Поэтому я считаю в известном смысле оправданной веру древних в то, что чистое мышление в состоянии постигнуть реальность»20[15]. Справедливости ради отметим, что ученый в иных случаях все же подчеркивал необходимость наблюдений.

Жюль Анри Пуанкаре (1854–1912), внесший большой вклад как в математику, так и в физику, но наиболее известный, пожалуй, благодаря своему открытию детерминированного хаоса, восхвалял практическое применение красоты: «Мы видим, таким образом, что поиски прекрасного приводят нас к тому же выбору, что и поиски полезного…»21[16] Пуанкаре считал «экономию мышления» (Denkökonomie – термин, введенный Эрнстом Махом) «источником как красоты, так и практической пользы». Человеческое чувство прекрасного, утверждал он, «играет роль… тонкого критерия», помогающего исследователю разработать хорошую теорию, и «эта гармония одновременно удовлетворяет нашим эстетическим потребностям и служит подспорьем для ума, который она поддерживает и которым руководит»22[17].

Да и Вернер Гейзенберг (1901–1976), один из основателей квантовой механики, смело верил, что красота владеет истиной: «Когда сама природа подсказывает математические формы большой красоты и простоты… то поневоле начинаешь верить, что они “истинны”, то есть что они выражают реальные черты природы»23[18]. Как вспоминает его жена:

Однажды лунной ночью мы шли по горе Хайнберг, и он был совершенно зачарован своими мысленными образами, пытаясь растолковать мне свое новое открытие. Он говорил о чуде симметрии как прообраза творения, о гармонии, о красоте простоты и о ее скрытой сути 24.

Опасайтесь прогулок под луной с физиками-теоретиками – иногда восторженность берет над нами верх.

Из чего мы сделаны

В мою бытность подростком, в 1980-е годы, не много было научно-популярных книг о современной теоретической физике или, не дай бог, математике. Биографии умерших людей – вот где приходилось искать. Просматривая книги в библиотеке, я воображала себя физиком-теоретиком, который пыхтит трубкой и думает великие думы, устроившись в кожаном кресле и рассеянно поглаживая бороду. Что-то в этой картинке казалось мне неправильным. Но идея, что математика плюс мышление способны раскрыть тайны природы, произвела на меня неизгладимое впечатление. Если это навык, которому можно выучиться, я хотела этому выучиться.

Одной из немногих научно-популярных книг, освещавших современную физику, в 1980-х годах была «Пугающая симметрия» Энтони Зи 25. Тогда и до сих пор профессор Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, он писал: «Мои коллеги и я, мы интеллектуальные преемники Альберта Эйнштейна, нам приятно думать, что мы тоже ищем красоту». И Зи изложил программу: «В этом веке физики стали крайне дерзки. <…> Им уже мало просто объяснить то или другое явление, они преисполнились веры, что Природе внутренне присуща прекрасная простота».

Они не только «преисполнились веры» в красоту, но и изыскали способ выразить свою веру в математической форме. Как писал Зи, «физики выработали понятие симметрии как объективного критерия для оценки устройства Природы. Когда есть две теории, физики чувствуют, что более симметричная, как правило, является и более красивой. В глазах физика красота подразумевает симметрию».

* * *

Для физика симметрия – это организующий принцип, избавляющий от ненужного повторения. Любой тип регулярности, схожести или порядка может быть математически запечатлен как выражение симметрии. Наличие симметрии всегда изобличает избыточность и допускает упрощение. Следовательно, симметрии объясняют больше с меньшими затратами.

Например, вместо того чтобы объяснять вам, что небо чистое на западе, на востоке, на севере, на юге, на юго-западе и так далее, я просто могу сказать, что оно чистое в любом направлении. Эта независимость от направления есть вращательная симметрия, благодаря которой достаточно описать, как система выглядит в одном направлении, после чего добавить, что она такая же и во всех других. Выгода – меньшее количество слов или, как в наших теориях, меньшее число уравнений.

Симметрии, с которыми имеют дело физики, представляют собой более абстрактные версии этого простого примера – вроде вращений относительно нескольких осей во внутренних математических пространствах. Но все они работают одинаково: найдите преобразование, относительно которого законы природы остаются инвариантными, – и вы нашли симметрию. Подобным преобразованием симметрии может быть что угодно, для чего вы можете записать четкую процедуру, – сдвиг, отражение, поворот или любая другая операция, какую вы только можете придумать. Если эта операция не меняет законов природы – вы нашли симметрию. С ней вы экономите усилия, которые необходимо было бы затратить, чтобы объяснить, к каким изменениям ведет эта операция: вместо этого вы просто констатируете, что изменений нет. Это и есть «экономия мышления» Маха.

В физике мы используем много разных типов симметрии, но у них у всех есть одна общая черта: симметрия – очень сильный объединяющий принцип, поскольку объясняет, как вещи, некогда казавшиеся очень разными, на самом деле, связанные преобразованием симметрии, составляют одно целое. Часто, однако, непросто найти правильную симметрию, чтобы упростить большие объемы данных.

Самым ошеломительным успехом принципов симметрии было, вероятно, создание кварковой модели. С момента появления ускорителей в 1930-х годах физики соударяли частицы друг с другом со все возрастающей энергией. К середине 1940-х они достигли энергий, позволяющих прощупать структуру атомного ядра, – и количество частиц стало расти. Сначала были заряженные пионы и каоны. Затем нейтральный пион и нейтральный каон, первые дельта-резонансы, частица, прозванная «лямбда», заряженные сигма-частицы, ро-частицы, омега-мезон, эта-, К*– и фи-мезон – и это было только начало. Когда Леон Ледерман спросил Энрико Ферми, что тот думает о недавнем открытии частицы, названной К_2^0, Ферми ответил: «Молодой человек, если бы я мог упомнить названия этих частиц, я стал бы ботаником»26.

Всего физики детектировали сотни частиц, каждая из которых была нестабильной и быстро распадалась. Казалось, эти частицы никак друг с другом не связаны, и это шло вразрез с надеждой физиков на то, что законы природы будут упрощаться для более фундаментальных составляющих материи. К 1960-м годам главной исследовательской задачей стало вместить этот «зоопарк частиц» в целостную теорию.

Одним из наиболее популярных подходов в то время был следующий: попросту отказаться от желания получить объяснение и записывать свойства частиц в большую таблицу – матрицу рассеяния, или S-матрицу, – которая была самой противоположностью красоты и экономии. А затем пришел Марри Гелл-Манн. Он определил подходящие свойства частиц – названные гиперзарядом и изоспином, – и оказалось, что все частицы разделяются на симметричные группы, так называемые мультиплеты.

Позднее стало понятно: закономерности мультиплетов означают, что наблюдаемые частицы состоят из более мелких объектов, которые – по тогда еще не вполне понятным причинам – никогда не детектировались сами по себе, по отдельности. Гелл-Манн назвал эти более мелкие составляющие «кварками»[19]. Более легкие объединения – мезоны – состоят из двух кварков, а более тяжелые – барионы – из трех. (Все мезоны нестабильны. К барионам относятся нейтроны и протоны, образующие атомное ядро.)

Симметрия получающихся систем, будучи однажды раскрытой, бросается в глаза (рис. 1). Примечательно, что, когда Гелл-Манн предложил эту идею, некоторые мультиплеты все еще были неполны. И поэтому требования симметрии побудили его предсказать существование частиц, необходимых для «дозаполнения наборов», в частности существование бариона омега-минус. Позднее тот был найден со свойствами, вычисленными Гелл-Манном, и ученый в 1969 году был награжден Нобелевской премией. Красота одержала победу над неприглядностью, постмодернистским S-матричным подходом.

Рис. 1. Декуплет барионов – пример использования симметрий в теоретической физике. Гелл-Манн воспользовался его незавершенностью и предсказал существование частицы омега-минус (Ω—) в нижней вершине.

Этот случай был только началом череды успехов на счету симметрий. Принципы симметрии также управляли работой – увенчавшейся опять-таки успехом – над объединением электромагнитного взаимодействия со слабым в электрослабое взаимодействие. Аналогично сильное взаимодействие было объяснено симметрией между элементарными частицами. Теперь и теории относительности Эйнштейна – специальная и общая – могли восприниматься как выражение требований симметрии.

* * *

Таким образом, современная вера в красоту как ориентир основывается на применении этого критерия в развитии Стандартной модели и общей теории относительности. Его часто оправдывают экспериментальной полезностью: замечено, что он работает, и кажется крайне целесообразным продолжать его использовать. Гелл-Манн сам сказал, что «в фундаментальной физике красивая или элегантная теория с большей вероятностью оказывается верна, чем неэлегантная теория»[20]. Ледерман, молодой человек, спрашивавший Ферми о частице К_2^0, также впоследствии получил Нобелевскую премию и тоже обратился в веру поборников красоты: «Мы верим, что природа лучше всего описывается уравнениями как можно более простыми, красивыми, компактными и универсальными»27.

Стивен Вайнберг, также удостоенный Нобелевской премии – за объединение электромагнитного и слабого взаимодействий, – любит проводить аналогию с коневодством: «[Коневод] смотрит на лошадь и говорит: “Прекрасная лошадь”. Хотя он или она может выражать чисто эстетическое чувство, я думаю, за этим стоит нечто большее. Коневод перевидал множество лошадей и по своему опыту работы с ними знает, что вот та лошадь, которая побеждает на скачках»28.

Однако как опыт работы с лошадьми не помогает при конструировании гоночных машин, так и опыт теорий прошедшего столетия, вероятно, несильно поможет при создании теорий лучше прежних. Да и без оправдательных отсылок к опыту красота остается такой же субъективной, какой была всегда. Современные физики осознают это очевидное противоречие научному методу, однако же применение эстетических критериев стало широко распространенным. И чем дальше область исследований от экспериментальной проверки, тем больше учитывается эстетическая привлекательность соответствующих теорий.

В фундаментальной физике, которая настолько далека от экспериментальных испытаний, насколько только наука может быть, все еще оставаясь наукой, оценивание красоты особенно ярко выражено. Многие из моих коллег даже не пытаются отрицать, что уделяют больше внимания теориям, которые считают привлекательными. Их типичное предостережение против субъективных оценок неизменно сопровождается последующим «но» и отсылкой к распространенной практике.

Так, Фрэнк Вильчек, получивший в 2004 году вместе с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером Нобелевскую премию за исследования сильного взаимодействия, пишет в своей книге «Красота физики», что «наше чувство прекрасного никак напрямую не приспособлено к фундаментальным работам Природы». Но: «Попробовав вкус красоты в сердце мира, мы жаждем большего. В этих поисках, я думаю, нет более многообещающего проводника, чем сама красота»29[21].

Герард Хоофт, первым сформулировавший математический критерий естественности, который теперь направляет значительную часть исследований в теоретической физике элементарных частиц (и тоже удостоенный Нобелевской премии), предостерегает: «Красота – опасное понятие, поскольку она всегда может вводить людей в заблуждение. Если у вас есть теория, оказавшаяся красивее, чем вы исходно ожидали, это служит намеком на то, что все верно, что вы правы. Но никаких гарантий и в помине нет. На ваш взгляд, теория, положим, и красива, но она может быть просто ошибочной. И с этим ничего не поделаешь». Но: «Разумеется, когда мы читаем о новых теориях и видим, как они красивы и просты, у них есть немалое преимущество. Мы верим, что такие теории имеют гораздо больше шансов оказаться успешными»30.

В своей книге-бестселлере «Элегантная Вселенная» специалист по теории струн Брайан Грин (не получивший Нобелевской премии) уверяет читателя: «…Эстетические аргументы не решают научных споров». Затем он продолжает: «Однако, несомненно, бывают случаи, когда решения, принимаемые физиками-теоретиками, основываются на эстетических соображениях, на ощущении того, что красота и элегантность той или иной теории соответствуют красоте и элегантности окружающего нас мира. <…> До настоящего времени такой подход не раз демонстрировал свою мощь и предсказательную силу»31[22].

Абстрактная математика трудно выразима, и этот человеческий поиск красоты может быть назван средством маркетинга научно-популярных книг. Но научно-популярные книги не просто доступно излагают трудные вопросы, а делают нечто большее – показывают, как физики-теоретики мыслят и работают.

Где обитает красота

Триумфы прошлого века все еще свежи в памяти ученых, сегодня приближающихся к выходу на пенсию, и их упор на красоту существенно повлиял на следующее поколение – мое поколение, неуспешное. Мы работаем с уже формализованными эстетическими идеалами прошлого – симметрией, объединением и естественностью.

Кажется вполне разумным опираться на опыт прошлых лет и пробовать то, что работало прежде. И вправду, мы были бы глупцами, если бы не следовали советам наших предшественников. Но мы также были бы глупцами, если бы зацикливались на этих советах. И я настороженна и становлюсь все настороженней с каждым нулевым результатом. Красота – проводник ненадежный, она уже много раз сбивала физиков с пути.

* * *

То, что эти взаимосвязи демонстрируют, во всей своей математической абстракции, невероятную степень простоты, – есть дар, который нам остается только смиренно принять. Даже Платон не в силах был поверить, что они настолько прекрасны. Так как эти взаимосвязи не могут быть выдуманы, они существовали с момента сотворения мира 32.

В 1958 году Гейзенберг написал эти строки в письме своей сестре Эдит. Прекрасные взаимосвязи, о которых он здесь говорит, как ни странно, не имеют отношения к его теории – квантовой механике. Нет, в тот период своей жизни он пытался – и не преуспел – разработать единую теорию, теперь это не более чем ремарка в книгах по истории физики.

А когда мы изучаем идеи Гейзенберга, оказавшиеся удачными, то обнаруживаем, что его научные работы отнюдь не производили впечатления чуда красоты. Его современник Эрвин Шрёдингер высказал замечание: «Конечно, я знал о его теории, однако меня отпугивали, если не сказать отталкивали, казавшиеся мне очень трудными методы трансцендентной алгебры и отсутствие наглядности»33[23].

Не то чтобы Гейзенберг любезнее отзывался об идеях Шрёдингера. Вольфгангу Паули он писал: «Чем больше я размышляю о физической стороне теории Шрёдингера, тем более отталкивающей она мне кажется. То, что Шрёдингер пишет о наглядности своей теории… чушь»34[24]. В итоге оба подхода – Гейзенберга и Шрёдингера – стали частью одной теории.

Красота дала сбой не только при создании квантовой механики. Платоновы тела, с помощью которых Кеплер вычислял орбиты планет, о чем мы говорили выше, – вероятно, самый известный пример конфликта между эстетическими идеалами и фактами. Более свежий случай, относящийся к первой половине XX века, – стационарная модель Вселенной.

В 1927 году Жорж Леметр нашел решение уравнений общей теории относительности, которое натолкнуло его на предположение, что наполненная веществом вселенная вроде нашей расширяется. Он заключил, что Вселенная должна была иметь начало – «большой взрыв». Когда Эйнштейн впервые ознакомился с этим решением, он сообщил Леметру, что нашел идею «отвратительной»35. И, напротив, ввел в свои уравнения дополнительный член – космологическую постоянную, – чтобы вогнать Вселенную в статичное состояние.

Однако в 1930 году Артур Эддингтон, сыгравший важную роль в организации первой экспериментальной проверки общей теории относительности, показал, что решение Эйнштейна с космологической постоянной нестабильно: малейшее изменение в распределении вещества заставило бы Вселенную коллапсировать или расширяться. Эта нестабильность, вместе с наблюдениями Эдвина Хаббла, подтверждавшими идею Леметра, привела к тому, что в 1931 году Эйнштейн тоже признал расширение Вселенной.

С тех пор в течение многих десятилетий космология продолжала испытывать нехватку данных и оставалась площадкой для философских и эстетических дебатов. Артур Эддингтон особенно держался за статическую вселенную Эйнштейна, поскольку верил, что космологическая постоянная олицетворяет новую силу природы. Он отверг идею Леметра на следующем основании: «…Мысль о том, что у Вселенной есть начало, мне противна».

В свои последние годы Эддингтон разрабатывал «фундаментальную теорию», которая должна была объединить статическую космологию с квантовой теорией. В этой попытке он уплыл в какой-то свой космос: «В науке у нас иногда имеются убеждения о правильном решении проблемы, которые мы ценим, но не можем обосновать. Мы находимся под влиянием какого-то врожденного чувства надлежащего порядка вещей»[25]. Из-за растущих противоречий с данными фундаментальную теорию Эддингтона после его смерти в 1944 году дальше не развивали.

Тем не менее идея о неизменяющейся Вселенной оставалась популярной. Чтобы привести ее в соответствие с наблюдаемым расширением, Герман Бонди, Томас Голд и Фред Хойл в 1948 году предположили, что между галактиками непрерывно образуется вещество. В таком случае мы жили бы в вечно расширяющейся Вселенной, но не имеющей ни начала, ни конца.

Соображения Фреда Хойла в особенности зиждились на эстетических основаниях. Он высмеял Леметра, назвав того «человек – большой взрыв» и признав, что имеет «эстетические предубеждения против Большого взрыва»36. В 1992 году, когда американец Джордж Смут объявил об измерении температурных флуктуаций космического реликтового излучения, что противоречило идее стационарного состояния, Хойл (он умер в 2001 году) отказался признать это. Он переработал свою модель в «космологию квазистационарного состояния», чтобы учесть полученные данные. Вот как он объяснил успешность идеи Леметра: «Причина, по которой ученым нравится Большой взрыв, заключается в том, что их разум затмила Книга Бытия»37.

Эстетические идеалы также вызвали, пожалуй, самый странный эпизод в истории физики – популярность «вихревой теории», пытавшейся объяснить разнообразие атомов узлами различных типов 38. Теория узлов – интересная область математики, которая сегодня действительно имеет применения в физике, но никак не связанные со структурой атома. Как бы то ни было, вихревая теория в период своего расцвета насчитывала около двадцати пяти сторонников, в основном из Великобритании, но также и из США, и эти ученые написали несколько десятков статей с 1870 по 1890 год. По тем временам – довольно многочисленное и продуктивное сообщество.

Приверженцы вихревой теории атома были убеждены в ее красоте, несмотря на полное отсутствие доказательств. В 1883 году в коротком обзоре для журнала Nature Оливер Лодж назвал вихревую теорию «прекрасной», такой, «которая, можно смело сказать, заслуживает того, чтобы быть верной»39. Альберт Майкельсон (впоследствии получивший Нобелевскую премию) написал в 1903 году, что вихревая теория «заслуживает быть истиной, если… [она] не есть истина в действительности»40[26]. Еще одним поклонником был Джеймс Клерк Максвелл, рассуждавший так:

Но высшее, с философской точки зрения, достоинство этой теории состоит в том, что ее успех в объяснении явлений не зависит от искусства, с каким ее авторы будто бы «спасают внешние приличия», вводя то одну гипотетическую силу, то другую. Раз вихревой атом пришел в движение, все его свойства абсолютно устанавливаются и определяются законами движения основной жидкости, которые вполне выражаются основными уравнениями. <…> Трудности этого метода неимоверны, зато слава победы над ними – в своем роде единственная 41[27].

Независимо от того, чего она заслуживала, вихревая теория изжила себя с исследованием строения атома и появлением квантовой механики.

Но история науки богата не только красивыми идеями, оказавшимися ошибочными, бывало ведь и так, что неприглядные теории оказывались верными.

Максвеллу, например, самому не нравилась электродинамика в том виде, в каком он ее сформулировал, потому что он не мог придумать, какой могла бы быть лежащая в ее основе механистическая модель. В то время эталоном красоты служила вселенная с механическим заводом, но в теории Максвелла электромагнитные поля просто есть – они не сделаны из чего-то еще, никаких шестеренок и пазов, никаких жидкостей и клапанов. Максвелл был недоволен собственной теорией, поскольку думал, что, только «когда физическое явление может быть полностью описано как изменение конфигурации и движения материальной системы, говорят, что мы имеем полное динамическое объяснение явления»[28]. Много лет Максвелл пытался дать объяснение электрическим и магнитным полям, которое согласовывалось бы с механистической картиной мира. Увы, тщетно.

Механизмы были повальным увлечением в то время. Уильям Томсон (позднее лорд Кельвин) считал, что, только когда у физиков есть механистическая модель, они действительно вправе утверждать, что понимают определенное явление^42. Людвиг Больцман, по словам его ученика Пауля Эренфеста, «определенно получал большое эстетическое удовольствие, позволяя своему воображению играть с клубком взаимосвязанных движений, сил, противодействий, пока не достигал состояния, когда их смысл можно было ухватить»43. Следующие поколения физиков просто заметили, что подобные подспудные механистические толкования излишни, и стали привыкать работать с полями.

Полвека спустя квантовая электродинамика – квантованная версия электродинамики Максвелла – также страдала от кажущегося недостатка эстетической привлекательности. Теория породила бесконечности, которые надлежало убрать искусственными методами, введенными исключительно для того, чтобы дать осмысленные результаты. Это был прагматичный подход, Дираку совсем не нравившийся: «Недавняя работа Лэмба, Швингера, Фейнмана и других была очень успешной… <…> Однако окончательная теория оказывается весьма некрасивой и неполной, так что ее нельзя рассматривать как решение проблемы электрона»44[29]. Когда Дирака спросили, что он думает о недавних разработках квантовой электродинамики, он ответил: «Я считал бы, что новые идеи верны, не будь они так безобразны»45[30].

В последующие десятилетия для работы с бесконечностями были найдены способы получше. Квантовая электродинамика оказалась хорошей теорией, в рамках которой от бесконечных величин можно честно избавиться, введя два параметра, подлежащих экспериментальному определению: массу и заряд электрона. Эти методы так называемой перенормировки используются и поныне. И несмотря на неодобрение Дирака, квантовая электродинамика – все еще часть оснований физики.

Закруглим мой исторический экскурс: эстетические критерии работают до тех пор, пока не перестают работать. Возможно, самое убедительное доказательство того, что полагаться на прошлый опыт и руководствоваться чувством прекрасного неэффективно, состоит в следующем: ни один физик-теоретик не получал Нобелевскую премию дважды[31].

Зачем доверять теоретику?

Декабрь. Я в Мюнхенском центре математической философии на конференции, обещающей дать ответ на вопрос «Зачем доверять теоретику?». Мероприятие организовано австрийским философом Рихардом Давидом, чья последняя книга «Теория струн и научный метод» вызвала среди физиков некоторое беспокойство 46.

Теория струн – сегодня самый популярный кандидат на роль единой теории взаимодействий. Она гласит, что Вселенная и все, что в ней есть, состоит из крошечных вибрирующих струн, которые могут быть замкнуты сами на себя или иметь свободные концы, могут растягиваться и закручиваться, сливаться и разделяться. И это объясняет все: вещество, пространство-время и, да, вас тоже. По крайней мере, такова идея. Экспериментальных свидетельств, говорящих в пользу теории струн, пока нет. Историк Хельге Крах, тоже присутствующий на конференции, сравнил теорию струн с вихревой теорией атома 47.

Рихард Давид в своей книге привел теорию струн как пример, иллюстрирующий «неэмпирическую оценку теории», имея в виду, что способность описывать наблюдения – не единственный критерий для выбора хорошей теории. Он утверждает, что определенные критерии, не опирающиеся на наблюдения, тоже философски обоснованны, и делает вывод, что научный метод следует скорректировать так, чтобы гипотезы можно было оценивать с чисто теоретической точки зрения. В качестве критериев такой неэмпирической оценки Рихард перечисляет – и все это аргументы, традиционно приводимые сторонниками теории струн в ее поддержку, – (1) отсутствие альтернативных объяснений, (2) использование математики, которая работала раньше, и (3) открытие неожиданных связей.

Рихард не говорит прямо уж, что эти критерии следует применять, скорее просто указывает на то, что они применяются, и обеспечивает им оправдывающие основания. Поддержку философа специалисты по теории струн встретили с одобрением. Остальные – в меньшей степени.

В ответ на предложение Рихарда скорректировать научный метод космологи Джо Силк и Джордж Эллис в широко читаемом комментарии, опубликованном в журнале Nature, предостерегли об «отступлении от многовековых философских традиций определять научное знание как эмпирическое» и выразили опасение, что «теоретическая физика рискует превратиться в бесхозную землю на границе между математикой, физикой и философией, по-настоящему не удовлетворяя требованиям ни одной из них»48.

Я могу нагнать еще страху. Если мы примем новую философию, ратующую за выбор теорий на основании чего угодно, кроме фактов, то зачем ограничиваться физикой? Мне представляется будущее, в котором климатологи выбирают модели, руководствуясь критериями, выдуманными неким философом. От этой мысли я холодею.

Однако основная причина, по которой я принимаю участие в этой конференции, заключается в том, что я хочу получить ответы на вопросы, которые и привели меня в физику. Хочу узнать, как возникла Вселенная, состоит ли время из отдельных моментов и действительно ли все возможно объяснить с помощью математики. Я не рассчитываю на то, что философы ответят на эти вопросы. Но возможно, они правы – и причина, по которой мы не продвигаемся вперед, в том, что наша неэмпирическая оценка теорий ни к черту не годится.

Философы, бесспорно, правы: чтобы формулировать теории, мы используем критерии и помимо адекватности наблюдениям. Да, наука работает за счет генерирования и последующей проверки гипотез – но это лишь часть истории. Подвергать все гипотезы проверке попросту невозможно, и потому бо́льшая часть научной деятельности сегодня – от получения ученых степеней до рецензирования и рекомендаций по научному руководству – посвящена выявлению хороших гипотез, с которых можно было бы начать. Стандарты, принятые научным сообществом, в разных областях сильно различаются, и в каждой применяются свои собственные фильтры качества, но все мы какие-то да используем. Как минимум на практике оценка теории для предварительного отбора гипотез уже давно составляет часть научного метода. Это не освобождает нас от экспериментальной проверки, это производственная необходимость, чтобы вообще добраться до испытаний экспериментом.

Таким образом, в основаниях физики мы всегда выбирали теории по соображениям, не связанным с проверкой в опыте. Нам приходится так поступать, ведь часто наша цель – не объяснить существующие данные, а разработать теории, которые, мы надеемся, будут проверены позднее, если мы сумеем убедить кого-то это сделать. Но как же мы должны решать, над какой теорией работать, до ее экспериментальной проверки? И как экспериментаторам определять, какую теорию стоит проверять? Разумеется, мы прибегаем к неэмпирической оценке. Просто, в отличие от Рихарда, я не думаю, что критерии, используемые нами, очень уж философские. Они скорее преимущественно социальные и эстетические. И я сомневаюсь, что они саморегулирующиеся.

Аргументы о красоте уже подводили нас в прошлом, и я боюсь, что наблюдаю очередной провал прямо сейчас.

«Ну и что? – можете вы спросить. – Разве всегда все в итоге не налаживалось?» Налаживалось. Однако, не говоря уже о том, что мы были бы далеко впереди, не отвлекайся ученые на красоту, физика изменилась – и продолжает меняться. Раньше мы как-то выкарабкивались, потому что данные заставляли физиков-теоретиков пересматривать непродуманные эстетические идеалы. Однако в последнее время нам все чаще исходно нужны теории, чтобы выбрать, какие эксперименты с большей вероятностью выявят новый феномен, эксперименты, на проведение которых затем потребуются десятилетия и миллиарды долларов. Данные к нам больше не приходят сами – мы должны знать, где их добыть, и мы не можем позволить себе искать везде. Следовательно, чем сложнее становятся новые эксперименты, тем больше теоретики должны заботиться о том, чтобы не загнать себя в тупик в ослеплении прекрасной мечтой. Новые вызовы требуют новых методов. Но каких методов?

Надеюсь, у философов есть план.

* * *

Место проведения конференции – главное здание Мюнхенского университета Людвига – Максимилиана. Это здание было построено в 1840 году и затем перестроено из-за частичного разрушения во время Второй мировой войны. Полукруглые арки под потолком, мраморные полы, по обеим сторонам коридора высятся колонны, кое-где декорированные витражным стеклом и огнетушителем. В конференц-зале умершие взирают с картин, написанных маслом и оправленных в золотые рамы. Мероприятие начинается ровно в десять утра.

В конференции также принимает участие Гордон (Горди) Кейн, американский специалист по физике элементарных частиц. Горди – автор нескольких научно-популярных книг о физике частиц и суперсимметрии, еще известный своими попытками объединить теорию струн со Стандартной моделью. Он утверждает, будто может вывести из теории струн заключение, что суперсимметричные частицы должны появиться в Большом адронном коллайдере.

Во время выступления Кейна среди физиков вспыхивает спор. Некоторые из них дискутируют с докладчиком, пока какой-то философ громко не жалуется, что хочет услышать конец выступления. «И это составляющая того, что мы зовем научным методом…» – ворчит Дэвид Гросс, давний сторонник теории струн (который «от всего сердца рекомендует»49 книгу Рихарда Давида), но затем садится обратно. Действительно ли предсказания Кейна следуют из теории струн, или он сделал дополнительные специальные допущения, чтобы воспроизвести то, что мы уже знаем о Стандартной модели? Сомнения остаются.

Горди, возможно, и переоценивает строгость своих выкладок, но выполняет трудную работу: он один из немногих, кто пытается отыскать тропинку от красивой идеи теории струн назад к запутанной реальности физики элементарных частиц. Тропинка Горди ведет через суперсимметрию, необходимый элемент теории струн. Хотя открытие суперпартнеров и не доказало бы истинность теории струн, оно стало бы первой вехой на пути объединения теории струн со Стандартной моделью.

В своей книге 2001 года Горди описал суперсимметрию как «удивительную, красивую и необыкновенную» и в то время казался уверенным, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры. Его уверенность основывалась на аргументе о естественности. Если предположить, что теория суперсимметрии содержит только «приличные» числа – не слишком большие, но и не слишком маленькие, – можно оценить массы суперпартнеров. «По счастью, ожидаемые массы достаточно малы, они намекают, что суперпартнеры скоро будут обнаружены», – писал Горди. И объяснил, что «массы суперпартнеров не могут значительно превышать массу Z-бозона, если весь этот подход правильный». Стало быть, если суперпартнеры существуют, Большой адронный коллайдер должен был давным-давно их засечь.

* * *

Оценка Горди основывается на одной из главных привлекательных особенностей суперсимметрии: она избавляет от необходимости выполнять тонкую настройку для массы бозона Хиггса, одной из двадцати пяти частиц Стандартной модели. Этот довод типичен, мы с такими еще не раз столкнемся, так что разберем его детально.

Бозон Хиггса – единственная известная частица своего типа, и он страдает от специфической математической проблемы, от которой другие элементарные частицы защищены: квантовые флуктуации вносят огромный вклад в его массу. Вклад квантовых флуктуаций обычно мал, но в случае бозона Хиггса он дает массу гораздо большую, чем наблюдаемая, – в 10^14 раз больше. Не слегка неправильную, а недопустимо, катастрофически неверную[32].

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».

ВКРАТЦЕ

• Ученые с давних пор использовали красоту в качестве руководящего принципа. Он не всегда оказывался верным.

• В теоретической физике симметрии принесли очень большую пользу. Теперь они считаются красивыми.

• Специалисты по физике элементарных частиц также думают, что теория красива, если содержит «естественные» числа – близкие к единице. Неестественное число называют «тонко настроенным».

• Если нам не хватает данных и нужна теория, чтобы решить, где искать новые, ошибки при разработке теории могут завести в тупик.

• Некоторые философы предлагают ослабить требования к научному методу так, чтобы ученые могли выбирать теории по критериям, не связанным со способностью теории объяснить наблюдения.

• Вопросы о том, как быть дальше, несмотря на отсутствие данных, и подправить ли научный метод, актуальны и за рамками оснований физики.

Глава 3

Союзное положение

В которой я обобщаю десять лет обучения на тридцати страницах и рассуждаю о счастливых деньках физики элементарных частиц.

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.

Это не значит, что происходящее на коротких расстояниях не оказывает вообще никакого влияния на то, что происходит на бо́льших, – просто детали не очень важны. Бо́льшие объекты состоят из меньших, и законы для более крупных вытекают из законов для более мелких. Неожиданность в том, что законы для крупных объектов столь просты.

Получается, значительная доля информации от меньших объектов не нужна для понимания более крупных. Мы говорим, что физика на коротких расстояниях «разъединяется» с физикой на бо́льших расстояниях, или что «масштабы разделяются». Это разделение масштабов и служит причиной, по которой вы можете идти по жизни, не зная ровным счетом ничего о кварках и бозоне Хиггса или – к ужасу профессоров физики во всем мире – не ведая, что представляет из себя квантовая теория поля.

Разделение масштабов имеет важные последствия. Оно означает, что мы можем сформулировать приблизительные законы природы, с неплохой точностью описывающие систему на некоем данном разрешении, а затем вносить в эти законы поправки по мере увеличения разрешения. Приблизительные законы, подходящие лишь для определенного разрешения, называются «эффективными».

При уменьшении разрешения, таким образом, часто целесообразно приспосабливаться к объектам, с которыми имеет дело теория, а также к свойствам, что мы им приписываем. При более низких разрешениях осмысленнее объединять в теории множество мелких компонентов в один объект побольше, присваивать этому крупному объекту имя и задавать его свойства. Вот как нам удается говорить об атомах и их оболочечной структуре, о молекулах и их колебательных модах, о металлах и их электропроводности – даже несмотря на то, что в базовой теории нет никаких атомов, нет металлов с их электропроводностью, а есть только элементарные частицы.

Стало быть, каждый уровень разрешения имеет свой собственный язык – формулировки, наиболее удобные на этом уровне. Мы называем такие зависящие от разрешения объекты и их свойства «эмерджентными». Процесс, который увязывает теорию на коротких расстояниях с теорией на больших расстояниях, именуется «огрублением» (coarse-graining, рис. 3).

Рис. 3. Иллюстрация огрубления. Объекты при низком разрешении и законы для них (уровень 1) могут быть описаны через объекты и законы при среднем и высоком разрешении (уровни 2 и 3), но не наоборот. Уровни с более низким разрешением возникают из уровней с более высоким разрешением.

Понятие «эмерджентный» противоположно понятию «фундаментальный», означающему, что объект дальше уже нельзя разложить на составные части, а его свойства – вывести из более точной теории. Фундаментальность – вопрос современного уровня знаний. Что фундаментально сегодня, возможно, уже не будет таковым завтра. А вот эмерджентное останется эмерджентным.

Вещество состоит из молекул, которые состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из частиц Стандартной модели. Частицы Стандартной модели плюс пространство и время, насколько мы сейчас знаем, фундаментальны – не состоят из чего-то еще. В основаниях физики мы пытаемся выяснить, есть ли что-то еще фундаментальнее.

Как физика меня частенько обвиняют в редукционизме, как будто это некая опциональная позиция, которой можно было бы и не придерживаться. Но это не вымышленная концепция, а свойство природы, открывшееся в экспериментах. Мы вытащили эти уровни разрешения и их законы из бесчисленных наблюдений и обнаружили, что они описывают наш мир чрезвычайно хорошо. Эффективная теория поля говорит нам, что мы можем – в принципе – вывести теорию для меньших масштабов из теории для бо́льших, но не в обратную сторону.

Поскольку история науки потихоньку вскрыла эту иерархическую структуру, сегодня многие физики думают, что должна существовать одна фундаментальная теория, из которой выводится все остальное, – «теория всего». Такая надежда закономерна. Если бы вы сосали гигантский леденец сотню лет, разве вы не надеялись бы в итоге добраться до жвачки?

Все течет

Эффективные законы, что зависят от разрешения, предлагают другой способ увидеть, почему естественность привлекательна. Для этого физики присвоили каждой теории положение в абстрактном «пространстве теорий», где удобно изображать между ними связи. Так как теории зависят от разрешения, каждая из них описывает в этом пространстве кривую, когда разрешение меняется (рис. 4). Вместе кривые всех теорий называются «потоком» теорий.

Рис. 4. Каждая точка в пространстве теорий – это отдельная теория. Если мы меняем разрешение, то выписываем кривую. Числа относятся к уровням на рисунке 3.

В этом пространстве естественность означает, что теория для низкого разрешения не должна сильно зависеть от теории для высокого (которая полагается более фундаментальной). Идея в следующем: что бы мы ни выбрали в качестве параметров для более фундаментальной теории при высоком разрешении, при низком физика должна оставаться похожей на ту, что мы наблюдаем. Вот основное свойство естественности – наш выбор не должен иметь значения.

Поток в пространстве теорий позволяет количественно оценить, насколько же теория для низкого разрешения зависит от выбора параметров для высокого; именно так работают вычисления Джудиче[35]. Это проиллюстрировано на рисунке 5. Низкое разрешение – это то, что мы можем исследовать сейчас, где у нас есть Стандартная модель. Кажется странным называть его «низким», учитывая, что это самое высокое разрешение, какого мы когда-либо достигали. Но оно действительно низкое по сравнению с разрешением, которого, как мы думаем, необходимо достичь для того, чтобы пролить свет на теорию всего, – разрешением, значительно превосходящим даже возможности Большого адронного коллайдера.

Стандартная модель (для низкого разрешения) естественна – или не требует тонкой настройки, – если не особенно важно, откуда конкретно в пространстве теорий мы стартуем при высоком разрешении. В этом случае поток всегда вынесет нас куда-то поблизости (в пределах погрешности измерений) от Стандартной модели (рис. 5, слева). Если же мы вынуждены точно подбирать теорию для высокого разрешения, с тем чтобы очутиться рядом со Стандартной моделью, значит, мы тем самым осуществляем тонкую настройку исходной точки. Тогда Стандартная модель неестественна (рис. 5, справа).

Рис. 5. Иллюстрация потока в пространстве теорий в двух случаях: когда теория (а именно – Стандартная модель, обозначенная крестиком) для низкого разрешения естественна / не требует тонкой настройки (слева) и когда она неестественна / требует тонкой настройки (справа).

В случае с тонкой настройкой начальные точки теорий, воспроизводящих Стандартную модель (то есть согласующихся с наблюдениями), должны располагаться близко друг к другу. Это небольшое расстояние соответствует неприглядно маленьким числам, обсуждавшимся нами выше, таким как масса бозона Хиггса.

В следующей подглавке я кратко расскажу о законах пространства, времени и материи, уже нами открытых, и о типе экспериментов, выявивших эти законы. Если вы уже знакомы со Стандартной моделью и согласованной космологической моделью, вы, возможно, предпочтете пропустить этот раздел.

Орудия труда

В 1858 году ирландско-американский писатель Фитц Джеймс О’Брайен придумал идеальный микроскоп. В рассказе «Бриллиантовая линза» безумный микроскопист Линли общается с духом Антони ван Левенгука, который за двести лет до этого открыл бактерии, совершенствуя самые первые микроскопы 52. Всю жизнь Левенгук скрывал свои методы изготовления линз. Но благодаря помощи медиума, мадам Вульпес, Линли узнает от покойного Левенгука, что необходим «бриллиант в сто сорок карат, длительное время подвергавшийся влиянию электромагнитных токов», чтобы сконструировать микроскоп, «увеличительная способность которого будет ограничена только разрешаемостью объекта».

Не имея достаточного финансирования для своих научных исследований, Линли убивает друга и крадет нужный бриллиант. Позже он вглядывается в каплю воды:

Я не могу, не смею пытаться описать чары этого божественного откровения совершеннейшей красоты. Эти глаза таинственного лилового цвета, влажные и ясные, ускользают от моих слов. Ее длинные блестящие волосы, следующие за восхитительной головкой золотой струей, словно дорожка, прочерченная в небесах падающей звездой, будто бы гасят мои самые жгучие строки своим великолепием.

Время покажет, так ли прекрасна природа на самых коротких расстояниях, как изобразил О’Брайен, но мы уже знаем, что его чудесный микроскоп останется художественным вымыслом. Разрешающая сила линз зависит от посредника, на которого они полагаются, – от излучения. Большие длины волн нечувствительны к малым расстояниям, как грубые, тяжелые ботинки нечувствительны к бороздкам на ступенях эскалатора. Разрешающая способность микроскопов ограничена длиной волны используемого излучения, и для того, чтобы исследовать меньшие расстояния, нам нужны более короткие волны.

Видимый свет имеет длины волн примерно от 400 до 700 нанометров[36]. Это приблизительно в 10 000 раз больше размера атома водорода. Поэтому видимый свет прекрасно подходит, если мы хотим изучать клетки, но его недостаточно, если мы намереваемся исследовать атомы. Мы можем достичь большего разрешения, используя излучение с меньшими длинами волн, например рентгеновские лучи, которые улучшают ситуацию по сравнению с видимым светом в 100–10 000 раз. Однако еще более коротковолновое излучение становится все труднее фокусировать и все сложнее с ним обращаться.

Чтобы еще улучшить разрешение, мы вынуждены обратиться к главному уроку квантовой механики: на самом деле нет волн и частиц. Вместо этого все во Вселенной (включая, насколько мы знаем, и ее саму) описывается волновой функцией, имеющей свойства как частиц, так и волн. Иногда эта волновая функция проявляется больше как волна, иногда – больше как частица. Но по своей сути она ни то ни другое – это новая самостоятельная категория.

Стало быть, строго говоря, нам не следует вообще произносить «элементарные частицы», потому-то один из моих профессоров и предложил вместо этого называть их «элементарными сущностями». Но это выражение никто не использует, и я тоже не хочу им вас мучить. Просто помните, что, когда бы физики ни упоминали частицы, они на самом деле имеют в виду математический объект, который зовется волновой функцией и не является ни частицей, ни волной, обладая свойствами обоих.

Волновая функция сама по себе не соответствует наблюдаемой величине, но по ее абсолютному значению мы можем вычислять вероятности для измерения физических наблюдаемых. Это лучшее, что мы можем сделать в квантовой теории: кроме особых случаев, результат отдельного измерения предсказать нельзя.

Квантовая теория помогает нам улучшить разрешение микроскопов, поскольку показывает, что чем тяжелее частица (сущность?) и чем быстрее она движется, тем меньше ее длина волны. Поэтому электронные микроскопы, в которых используются пучки электронов вместо света, достигают гораздо более высокого разрешения, чем световые. Даже если электроны разогнаны лишь умеренно благодаря использованию электрических и магнитных полей, такие микроскопы способны разрешать структуры размером с атом. В принципе, мы можем улучшить разрешение насколько угодно, еще сильнее разгоняя электроны. В этом главная причина того, что современная физика побуждает к конструированию все больших и больших ускорителей частиц и движима им сама: чем выше энергия столкновения, тем меньшие расстояния можно исследовать.

В отличие от световых микроскопов, в которых установлены зеркала и линзы, в ускорителях частиц используются электрические и магнитные поля, чтобы разгонять и фокусировать пучки электрически заряженных частиц. Однако по мере того, как мы увеличиваем скорость частиц, нужных для исследования некоего объекта, становится все труднее получать из измерения информацию. Это происходит потому, что частицы, предназначавшиеся для измерения исследуемого образца, начинают заметно его менять. Видимый свет, падающий на колечко лука, слабо на него влияет, разве что самую малость нагреет. Но пучок стремительных электронов, бьющих по тонкой мишени, при достаточно высокой энергии эту мишень разрушает. Тогда информацию о том, что произошло на очень коротких расстояниях, приходится искать в осколках. И это в целом и есть физика высоких энергий: попытки извлечь информацию из осколков от столкновений[37].

Расстояние, которое удается разрешить с помощью ускорителей, обратно пропорционально суммарной энергии сталкивающихся частиц. Хорошая подсказка для запоминания: энергия в 1 ГэВ (это 10^9 эВ, или 10–3 ТэВ, примерно масса протона) соответствует разрешенному расстоянию приблизительно в 1 фемтометр (10–15 м, примерно размер протона). Увеличение энергии на порядок означает уменьшение расстояния на порядок, и наоборот. Большой адронный коллайдер может достигать энергии столкновения максимально около 10 ТэВ. Это соответствует примерно 10–19 метра, самому короткому расстоянию, на котором мы когда-либо исследовали законы природы – пока.

Задача физиков-теоретиков – найти уравнения, которые точно описывают результаты столкновения частиц. Когда расчеты совпадают с экспериментальными данными, мы обретаем уверенность в теории. Когда физики-теоретики лучше понимают столкновения частиц, экспериментаторы могут проектировать более эффективные детекторы. А когда экспериментаторы лучше понимают технологию ускорителей, теоретики получают более надежные данные.

Эта стратегия была потрясающе успешна и дала нам Стандартную модель физики элементарных частиц, наши лучшие на настоящий момент знания об элементарных строительных блоках материи.

Стандартная модель

Стандартная модель основана на принципе под названием «калибровочная симметрия». Согласно этому принципу, каждая частица имеет направление в некоем внутреннем пространстве, как стрелка в компасе, только стрелка эта не указывает на что-либо видимое нам.

«Что за внутреннее пространство?» – спросите вы. Хороший вопрос. Лучший ответ, который я могу предложить: удобное. Мы изобрели его, чтобы количественно характеризовать наблюдаемое поведение частиц, это математический инструмент, помогающий нам делать предсказания.

«Ясно, но оно реально?» – хочется вам узнать. О-оу. Смотря кому вы зададите этот вопрос. Некоторые мои коллеги действительно верят, что математика наших теорий, как эти внутренние пространства, реальна. Лично я предпочитаю просто говорить, что она описывает реальность, оставляя открытым вопрос о том, реальна или нет сама математика. Связь математики с реальностью – это загадка, не дававшая покоя философам еще задолго до того, как ею занялись ученые, и с тех пор мы нисколько не продвинулись. Но к счастью, мы можем использовать математику, не разрешая этой загадки.

Итак, всякая частица имеет направление в своем внутреннем пространстве. То, что мы называем калибровочной симметрией, требует, чтобы законы природы не зависели от ярлыков, используемых нами для обозначения этого пространства, – например, мы могли бы изменить компас таким образом, чтобы стрелка указывала на северо-запад вместо севера. После такого изменения «северная» частица могла бы превратиться в комбинацию других частиц, став, скажем, «северо-западной». И это на самом деле происходит с электроном: преобразование в его внутреннем пространстве может заставить электрон превратиться в комбинацию электрона и нейтрино. Но если такое преобразование является симметрией, то трансформация частиц не должна менять физику. Стало быть, требование симметрии ограничивает возможные законы, которые мы можем записать. Логика тут как при раскрашивании мандалы. Если вы хотите, чтобы при раскрашивании соблюдалась симметрия узора, опций у вас будет меньше, чем если бы вы игнорировали симметрию.

Что касается законов природы, требование симметрии выполнить непросто. Серьезное затруднение состоит в том, что повороты внутреннего пространства могут различаться в разные моменты времени и в разных местах, и это тоже не должно отражаться на законах, которым подчиняются частицы. Если мы формулируем это требование симметрии в математической форме, то видим, что оно жестко ограничивает поведение частиц. Взаимодействие между частицами, подчиняющимися требованию симметрии, должно происходить при посредничестве другой частицы, чьи свойства определяются типом вовлеченной симметрии. Эта дополнительная частица называется калибровочным бозоном симметрии.

Предыдущий абзац в сжатой форме выражает математически сложные построения, и с подобной лаконичностью изложения вы получите только очень грубое представление о том, как это работает. Но главная идея такова: если мы хотим создать теорию, в которой соблюдается определенная симметрия, то это неизбежно порождает определенный тип взаимодействия между частицами, подчиняющимися этой симметрии. Более того, требование симметрии автоматически добавляет в теорию и необходимых переносчиков взаимодействия – калибровочные бозоны. Именно этот тип калибровочной симметрии лежит в основе Стандартной модели.

Примечательно, что Стандартная модель почти целиком работает с подобными принципами симметрии. Она объединяет электромагнитное взаимодействие с сильным ядерным (ответственным за сохранение целостности атомного ядра в противовес электрическому отталкиванию) и слабым ядерным (ответственным за радиоактивный распад). Для этих трех взаимодействий есть три калибровочных симметрии, и все частицы характеризуются тем, как симметрия на них воздействует. (Я говорила, что нас больше интересуют идеи, а не частицы, но, так как измеряем мы именно частицы, краткий ликбез я даю в Приложении А и в обобщающей таблице на рис. 6.)

Рис. 6. Стандартная модель физики элементарных частиц

Стандартная модель – это изящный конструкт абстрактной математики, квантовой теории поля с калибровочными симметриями. Раньше я думала, что произвожу впечатление высокообразованной, когда произношу это. Но потом заметила, что непонятное имеет тенденцию навлекать на себя подозрение. Как это мы так уверены, что все состоит лишь из двадцати пяти частиц, если не можем увидеть большинство из них?

Ответ предельно прост. Мы используем всю эту математику, чтобы просчитать результаты экспериментов, и эти вычисления корректно описывают наблюдения. Вот как мы узнаем, что теория работает. Собственно, это же мы и подразумеваем под словами «теория работает». Да, это абстрактно, но то, что мы видим только показания детекторов, а не сами частицы, – не имеющее значения неудобство. Единственное, что имеет значение: математика дает правильные результаты.

То, что Стандартная модель есть вид квантовой теории поля, звучит страшнее, чем есть на самом деле. Поле приписывает значение каждой точке пространства в каждый момент времени. Например, интенсивность сигнала вашего мобильного телефона образует поле. Когда мы называем поле квантовым, мы подразумеваем, что поле на самом деле описывает наличие частиц, а частицы – как мы уже обсуждали – суть квантовые сущности. Квантовое поле как таковое говорит вам, с какой вероятностью вы можете обнаружить определенную частицу в том или ином месте в то или иное время. А уравнения квантовой теории поля подсказывают, как это вычислить.

Вдобавок к калибровочным симметриям Стандартная модель также использует симметрии, открытые Альбертом Эйнштейном в его специальной теории относительности. Согласно Эйнштейну, три пространственных измерения и временно́е должны быть объединены в четырехмерное пространство-время и с пространством и временем нужно обращаться одинаково. Следовательно, законы природы (1) не должны зависеть от того, где и когда вы их измеряете, (2) не должны изменяться при пространственных вращениях, (3) не должны изменяться при четырехмерных вращениях в пространстве-времени.

Пространственно-временные вращения звучат нездоро́во, но на самом деле это просто изменения скорости. Вот почему научно-популярные книги о специальной теории относительности полны космических кораблей и спутников, пролетающих друг мимо друга. Но в действительности все это ненужные декорации. Специальная теория относительности вытекает из трех типов симметрии, перечисленных выше, без всяких там близнецов в космических кораблях, лазерных часов и прочего. Еще оттуда следует, что для всех наблюдателей скорость безмассовых частиц (таких как фотоны, переносчики света) одинакова и ничто не в состоянии превысить эту скорость. Иными словами, ничто не может двигаться быстрее света[38].

Калибровочные симметрии и симметрии специальной теории относительности определяют бо́льшую часть структуры Стандартной модели, но у последней есть некоторые особенности, которые мы не сумели (пока?) объяснить симметриями. Например, одна из таких особенностей состоит в том, что фермионы бывают трех поколений, представляющих из себя наборы похожих частиц со все возрастающими массами (фермионы первого поколения – самые легкие, третьего – самые тяжелые, второго – посередине). Другая необъясненная особенность: фермионы каждого типа бывают двух разновидностей – их называют левыми и правыми, – представляющих собой зеркальные отражения друг друга. Кроме нейтрино, правой разновидности которых никто никогда не видел. Мы подробнее обсудим, что еще не так со Стандартной моделью, в четвертой главе.

Разработка Стандартной модели началась в 1960-х годах и по большей части была завершена к концу 1970-х. Помимо фермионов и калибровочных бозонов в Стандартной модели есть еще только одна частица – бозон Хиггса, придающий массу остальным элементарным частицам[39]. Стандартная модель работает и без хиггсовского бозона, просто она тогда не описывает реальность, ибо все частицы оказываются безмассовыми. Поэтому-то Шелдон Глэшоу однажды очаровательнейшим образом назвал бозон Хиггса «отхожим местом» Стандартной модели, придуманным с определенной целью, а не для красоты 53.

Хиггсовский бозон, независимо предложенный несколькими исследователями в начале 1960-х, был последней открытой (в 2012 году) фундаментальной частицей, но не последней предсказанной. Последними предсказанными (в 1973-м) частицами были истинный и прелестный кварки, чье существование было экспериментально подтверждено в 1995 и 1977 годах соответственно. В конце 1990-х добавились массы нейтрино – существование самой частицы было доказано в 1950-х – после экспериментов, подтвердивших, что нейтрино имеют ненулевую массу. Однако с 1973 года не было больше ни одного успешного нового предсказания, которое бы пришло на смену Стандартной модели.

* * *

Стандартная модель – это пока наш лучший ответ на вопрос «Из чего мы сделаны?». Но она не объясняет гравитацию. Все потому, что специалистам по физике элементарных частиц не нужно учитывать гравитацию, делая предсказания для экспериментов на ускорителях: массы отдельных элементарных частиц ничтожны, поэтому незначительно и их гравитационное притяжение. Гравитация – преобладающая сила на больших расстояниях, а на коротких, исследуемых при столкновениях частиц, она пренебрежимо, почти неизмеримо, мала. Однако, в то время, как все остальные силы могут уравновесить друг друга (и уравновешивают), с гравитацией такое не проходит. Хотя для больших объектов все другие силы взаимно компенсируются и становятся незаметными, силы гравитации суммируются и, напротив, проявляют себя.

Еще гравитация стоит особняком, поскольку в наших действующих теориях это единственная (фундаментальная) сила, не обладающая квантовыми свойствами: она неквантуема, мы называем такие силы «классическими». Мы увидим, какие проблемы это доставляет, в седьмой главе, но сначала позвольте мне рассказать вам, что мы знаем о гравитации и как это знание обрели.

Пока специалисты по физике элементарных частиц строят все бо́льшие коллайдеры, чтобы прощупать все меньшие расстояния, астрономы конструируют все бо́льшие телескопы, чтобы заглянуть все глубже в космос[40]. Первые телескопы создавались бок о бок с первыми микроскопами, но затем эти приборы быстро обособились. И теория и эксперимент в этой области также развивались параллельно.

Поскольку от далеких звездных объектов до нас доходит очень мало света, астрономы конструировали телескопы со все большей апертурой, то есть с более крупными зеркалами, чтобы собирать как можно больше света. Однако этот подход вскоре исчерпал себя, ведь с громадными аппаратами стало невозможно управляться. Положение кардинально изменилось в середине XIX века – с появлением фотографических пластинок. Теперь астрономы имели возможность накапливать свет в течение длительного времени. Но, так как Земля вращается, большие выдержки приводили к смазыванию изображения, пока астрономы не снабдили телескопы специальным компенсирующим механизмом, что, в свою очередь, опять-таки требовало знаний о движении Земли. И так, чем больше астрономы узнавали о ночном небе, тем подкованнее становились по части его наблюдения.

Сегодня астрономы больше не запечатлевают изображения на фотопластинках, а используют ПЗС-матрицы, электронные сердца цифровых камер. Современные телескопы так чувствительны, что способны регистрировать единичные фотоны, а выдержки иногда достигают нескольких миллионов секунд (больше недели)[41]. И конечно же, телескопы по-прежнему становятся все больше: теперь у нас есть особые механизмы, которые двигают огромные зеркала, оснащенные тысячами маленьких приводов, чтобы предотвращать деформации из-за сейсмических и температурных колебаний. Суперкомпьютеры и головокружительно точное измерение времени позволили телескопам, отстоящим друг от друга на большие расстояния, работать сообща, что, по сути, создает еще бо́льшие телескопы. Чтобы сладить с атмосферными флуктуациями, размывающими изображения, астрономы теперь используют так называемую адаптивную оптику, компьютерную программу, перенастраивающую телескоп в ответ на атмосферные изменения. Или вообще исключают любые искажения из-за атмосферы, устанавливая телескопы на спутниках и запуская в открытый космос.

Мы расширили свои возможности от видимого света до длинноволнового излучения инфракрасного, микроволнового и радиодиапазонов и в другую сторону до коротковолнового рентгеновского и гамма-излучения. И свет – не единственный связной, используемый нами сегодня для исследования космоса. Другие частицы, включая нейтрино, электроны и протоны, тоже рассказывают свои истории об источниках своего происхождения и о перипетиях на своем пути к Земле. Самое последнее достижение астрономии: первая прямая регистрация гравитационных волн, возмущений самой ткани пространства-времени. Эти волны несут информацию о зачастую суровых событиях, что породили их, – таких как слияние черных дыр.

Благодаря комбинации всех этих методов астрономы дерзнули заглянуть в прошлое во времена, когда Вселенной было лишь 300 000 лет от роду, и в дали порядка 10 миллиардов световых лет от нас. Данные коренным образом отличаются от тех, что дает физика в коллайдерах. Но для нас, теоретиков, задача та же: объяснить измерения.

Согласованная космологическая модель

Наше лучшее на сегодняшний день объяснение данных, полученных астрономами, – так называемая согласованная космологическая модель[42]. В ней используется математика общей теории относительности, согласно которой мы живем в трех пространственных измерениях и одном временно́м, да к тому же это пространство-время искривлено.

Я знаю, трудно представить себе искривленное четырехмерное пространство-время – дело тут не только в вас. К счастью, для многих целей двумерные поверхности служат неплохими аналогиями. Специальная теория относительности обращается с пространством-временем как с плоским листом бумаги. Тогда как в общей теории относительности пространство-время имеет возвышения и впадины.

Продолжим эту аналогию: если у вас есть карта гористой местности без отметок высоты, серпантины на ней будут выглядеть абсурдно. Но если вы знаете, что там горы, то понимаете, почему дороги столь извилисты – при таком ландшафте это наилучшее решение. Вот и то, что мы не видим искривления пространства-времени, сродни обладанию картой без отметок высоты. Если бы вы могли видеть искривления пространства-времени, вы бы поняли, что для планет в высшей степени целесообразно обращаться вокруг Солнца. Это лучшее, что они могут.

Общая теория относительности основывается на тех же симметриях, что и специальная. Разница в том, что в общей теории относительности пространство-время становится податливым: оно откликается на энергию и вещество, искривляясь. В свою очередь, перераспределение энергии и движение вещества зависят от кривизны пространства-времени.

Но кривизна меняется не только от точки к точке, а еще и со временем. Стало быть, самое важное, чему нас научила общая теория относительности, состоит в том, что Вселенная не вечно неизменна, она расширяется в ответ на вещество, и по мере этого расширения вещество становится все более тонко распределенным.

Тот факт, что Вселенная расширяется, означает, что в прошлом вещество было сильно сжато. Значит, ранняя Вселенная была наполнена очень плотным, но почти гомогенным «супом» из частиц. Притом очень горячим, то есть средняя энергия столкновений отдельных частиц была высокой. Возникает проблема: если температура превышает примерно 10^17 кельвинов[43], то средняя энергия столкновений превышает ту, что позволяет исследовать сейчас Большой адронный коллайдер. Для более высоких температур – а значит, для более ранней Вселенной – у нас нет надежных знаний о поведении материи. У нас, конечно, имеются кое-какие предположения, и мы поговорим о некоторых из них в пятой и девятой главах. Но пока давайте сосредоточимся на том, что творится ниже этой температуры, где согласованная космологическая модель в силах объяснить, что же именно происходит.

Общая теория относительности дает нам уравнения, которые связывают расширение Вселенной с видами заключенных в ней энергии и вещества. Таким образом, космологи могут выяснить состав Вселенной, перебирая различные комбинации вещества и энергии и отслеживая, которая из них лучше всего объясняет наблюдения (точнее, космологи предоставляют это компьютеру). Они повторяют процедуру каждый раз, как появляются новые наблюдательные данные. И какие же сюрпризы они обнаружили!

Самое шокирующее открытие состоит в том, что основной источник гравитации во Вселенной в наши дни не имеет ничего общего со всем, с чем мы когда-либо сталкивались. Это неизвестный тип энергии, названный «темной энергией», и он составляет ошеломляющие 68,3 % общего запаса энергии-вещества. Мы не знаем, обладает ли темная энергия микроскопической структурой, знаем только, какой эффект она дает. Темная энергия ускоряет расширение Вселенной. Вот почему нам ее нужно так много – данные свидетельствуют, что скорость расширения Вселенной растет. Однако темная энергия тоже очень тонко распределена, и потому мы не в силах детектировать ее в непосредственной близости от себя. Лишь на огромных расстояниях мы замечаем результирующее влияние, выражающееся в разгоне расширения Вселенной.

Простейший тип темной энергии – космологическая постоянная, лишенная какой-либо подструктуры и неизменная как в пространстве, так и во времени. Космологическая постоянная – это то, что используется в согласованной космологической модели в качестве темной энергии, однако темная энергия может быть и чем-то более сложным.

Оставшиеся 31,7 % наполнения Вселенной – это вещество, правда (еще один сюрприз!), преимущественно не тот вид вещества, что нам привычен. 85 % вещества (26,8 % общего запаса энергии-вещества) называют «темной материей». Единственное, что мы знаем о темной материи, – что она редко вступает во взаимодействие, как с самой собой, так и с другим веществом. В частности, она не взаимодействует со светом, откуда и название. Некоторые суперсимметричные частицы ведут себя так, как подобало бы темной материи, но мы до сих пор не знаем, верно ли это объяснение.

Оставшиеся 15 % вещества во Вселенной (4,9 % общего запаса энергии-вещества) составляют стабильные частицы Стандартной модели – материал, из которого вылеплены мы с вами (рис. 7).

Узнав, какие виды энергии и вещества заполняют Вселенную, мы можем воссоздать прошлое. В ранней Вселенной темной энергии (в форме космологической постоянной) было ничтожно мало по сравнению с веществом. Ведь по мере расширения Вселенной плотность вещества уменьшается, тогда как космологическая постоянная остается неизменной. Стало быть, если того и другого сегодня соизмеримо много (соотношение темной энергии и вещества примерно равно 2:1), значит, в ранней Вселенной плотность вещества должна была значительно превышать плотность энергии, выраженной космологической постоянной.

Рис. 7. Энергетический состав Вселенной (для тех, кто не жалует круговые диаграммы)

Итак, при 10^17 кельвинов все начинается с «супа», состоящего в основном из вещества и темной материи. Пространство-время реагирует на это вещество, начиная расширяться. Это охлаждает «суп» и способствует формированию первых атомных ядер, а затем легких атомов. Изначально «суп» из частиц настолько густой, что в нем застревает даже свет. Но как только образуются атомы, свет получает возможность распространяться почти без помех.

Темная материя, раз она не взаимодействует со светом, охлаждается быстрее, чем обычное вещество. Следовательно, в ранней Вселенной темная материя первой начинает образовывать скопления под действием собственного гравитационного притяжения. На самом деле без исходного комкования темной материи галактики не сформировались бы так, как мы это наблюдаем, поскольку гравитационное притяжение уже скомковавшейся темной материи необходимо, чтобы ускорить комкование обычного вещества. И только когда достаточное количество обычного вещества скопилось вместе, могло начаться образование больших атомных ядер в недрах звезд.

Под воздействием гравитации на протяжении миллиардов лет формируются галактики, возникают солнечные системы, загораются звезды. И все это время Вселенная расширяется, хотя расширение и стало замедляться. Но примерно тогда, когда галактики полностью сформировались, темная энергия берет верх – и скорость расширения Вселенной начинает расти. Именно в эту фазу мы сейчас и живем. И дальше, в будущем, вещество будет только еще сильнее истончаться. А значит, если темная энергия и есть космологическая постоянная, она продолжит доминировать, а расширение Вселенной продолжит ускоряться – бесконечно.

Длина волны первых световых лучей, вырвавшихся из «супа» частиц в ранней Вселенной, увеличилась с расширением последней, но этот свет все еще здесь и сегодня. Его длина волны теперь – несколько миллиметров, она лежит далеко вне видимого диапазона, в микроволновой области. Это космическое микроволновое фоновое излучение измеримо и служит самым ценным источником информации для космологов.

Средняя температура реликтового излучения равна примерно 2,7 кельвина, не намного выше абсолютного нуля. Но существуют мельчайшие отклонения от средней температуры – примерно на 0,003 %. Они исходят из областей в ранней Вселенной, где было чуть теплее или чуть холоднее, чем в среднем. Таким образом, в температурных флуктуациях реликтового излучения зашифрованы неоднородности горячего «супа», из которого образовались галактики.

Вооруженные этим знанием, мы можем использовать реликтовое излучение, чтобы делать заключения об истории Вселенной, которые я и описала выше. Другие данные мы получаем из наблюдаемого распределения галактик, различных измерений расширения Вселенной, распространенности химических элементов и гравитационного линзирования – это если перечислить только самые важные источники информации[44].

Согласованную космологическую модель также обозначают как «Лямбда-CDM», где «лямбда» (буква греческого алфавита) – это космологическая постоянная, а CDM – Cold Dark Matter (холодная темная материя). Вместе Стандартная модель и согласованная космологическая модель на сегодняшний день составляют основания физики[45].

Дальше будет трудно

Раньше я участвовала в серии международных конференций «Суперсимметрия и объединение фундаментальных взаимодействий». С 1993 года они проходили ежегодно и в лучшее время собирали свыше пятисот участников. Каждый год в докладах восхвалялись достоинства суперсимметрии: естественность, объединяющая способность и наличие кандидатов в темную материю. Из года в год поиски суперпартнеров приносили отрицательные результаты. Из года в год модели подновляли, чтобы примирить их с отсутствием доказательств.

Безуспешность попыток доказать существование суперпартнеров в Большом адронном коллайдере отразилась на настрое теоретиков. «Пока еще не время отчаиваться… но, вероятно, уже пора впасть в уныние»54, – заметил итальянский физик Гвидо Альтарелли в 2011 году. Бен Алланах из Кембриджского университета описал свою реакцию на результаты анализа данных с Большого адронного коллайдера 2015 года так: «Несколько угнетающе для теоретика суперсимметрии вроде меня»55. Джонатан Эллис, теоретик из ЦЕРН, отозвался о вероятном сценарии, по которому Большой адронный коллайдер не найдет ничего, кроме бозона Хиггса, как о «настоящей жуткой катастрофе»56. Закрепилось, правда, название «кошмарный сценарий»57. И сейчас мы этот кошмар проживаем.

Я не посещала эту ежегодную конференцию с 2006 года – слишком уж вгоняет в депрессию. Однако оттуда я знаю Кита Олива и его работу над суперсимметрией. Кит – профессор физики в Университете Миннесоты и директор Института теоретической физики имени Уильяма Файна. Я звоню ему, чтобы спросить, как он расценивает неявку SUSY на Большой адронный коллайдер.

«Мы получали данные небольшими порциями, – вспоминает Кит. – Границы все сужались и сужались. Каждые несколько месяцев, когда у нас появлялись результаты анализа новых данных, становилось чуточку хуже. Мы действительно ожидали SUSY на более низких энергиях. Это серьезная проблема. Что-то мне подсказывает, что суперсимметрия должна быть частью природы, хотя, как вы говорите, доказательств нет. Должна ли она проявляться на низких энергиях? Думаю, никто этого не знает. Мы думали, что она проявится».

Кит – представитель старшего поколения, предшествовавшего моему, поколения, которое засвидетельствовало успехи симметрии и объединения в разработке Стандартной модели. Но у меня подобного опыта нет, нет причины считать, что красота – хороший советчик. Не этот ли голос нашептывает Киту, что часть природы, а что нет? Я этому голосу не верю.

«Почему SUSY должна быть частью природы?»

«Все дело в силе ее симметрии, – объясняет Кит. – Думаю, она все еще очень убедительна. Независимо от того, достижима ли SUSY на низких энергиях, я продолжаю считать, что ее существование возможно. Если бы масса бозона Хиггса оказалась 115, 120 ГэВ, а SUSY не обнаружилась, было бы гораздо хуже. А то, что его масса близка к верхнему пределу, дает некоторую надежду. На самом деле все и должно быть непросто, поэтому в том, что Большой адронный коллайдер не видит SUSY, есть смысл».

Хиггсовский бозон после своего рождения быстро распадается, так что о его присутствии приходится судить по продуктам распада, достигающим детектора. Однако то, как распадается бозон Хиггса, зависит от его массы. Тяжелый бозон Хиггса, при условии, что он бы вообще родился, вызвал бы сигнал, который было бы легче обнаружить. Таким образом, даже прежде, чем Большой адронный коллайдер начал свой поиск, масса хиггсовского бозона уже была ограничена как снизу, так и сверху.

Большой адронный коллайдер в конце концов закрепил за бозоном Хиггса массу 125 ГэВ, точно на верхней границе диапазона, который пока еще не был исключен. Более тяжелый бозон Хиггса допускает существование более тяжелых суперпартнеров, поэтому, коль скоро речь идет о SUSY, чем тяжелее хиггсовский бозон, тем лучше. Но тот факт, что никаких суперпартнеров до сих пор не нашли, означает, что они должны быть настолько тяжелыми, что измеренной массы бозона Хиггса можно было бы достичь только за счет тонкой настройки параметров суперсимметричных моделей.

«Теперь мы знаем, что некоторая тонкая настройка есть, – говорит Кит. – И это само по себе превращает вопрос в крайне субъективный: насколько тонкая настройка плоха?»

* * *

Как мы уже обсуждали, физики не любят численных случайностей, которые требуют очень больших чисел. А поскольку величина, обратная очень большому числу, есть число очень маленькое, а значит, одно может быть преобразовано в другое, физики не любят и очень маленькие числа. В общем, они не жалуют числа, сильно отличающиеся от 1.

Однако беспокоятся физики только о величинах без единиц измерения – «безразмерных» величинах, в противоположность «размерным», имеющим единицы измерения. А все потому, что значения величин, имеющих размерность, по сути своей бессмысленны, ведь они зависят от выбора единиц измерения. Действительно, при помощи подходящих единиц измерения любую величину, имеющую размерность, можно сделать равной 1. Скажем, скорость света равна 1 в световых годах в год. Поэтому-то, когда физики волнуются о числах, тревогу у них вызывают лишь безразмерные величины, такие как отношение масс бозона Хиггса и электрона, которое оказывается примерно равным 250 000:1.

Проблема с массой хиггсовского бозона, которую мы обсуждали выше, не в том, что сама эта масса мала, ведь подобные утверждения зависят от выбранных единиц измерения и потому лишены смысла. Масса бозона Хиггса равна 1,25 × 10^11 эВ, что выглядит солидно, но это то же самое, что и 2,22 × 10–21 грамма, что смотрится уже мизерным. Нет, мала не сама масса хиггсовского бозона, а отношение массы к (массе, эквивалентной) энергии, соответствующей квантовым поправкам к этой массе. Надеюсь, вы простите мне прежнюю небрежность.

Аргументы о естественности происходят из желания физиков, чтобы все безразмерные величины были близки к 1. Но числа не обязаны равняться ровно 1, поэтому тут есть предмет для споров, насколько большое число все еще допустимо. И правда, во многих уравнениях у нас уже присутствуют безразмерные величины, а они могут дать множители, не обязательно близкие к 1. Например, 2π в степени, зависящей от числа пространственных измерений (особенно если у вас их больше трех), резво взлетает до значений больше 100. А если вы еще немножко усложните свою модель, то сумеете получить значения даже выше.

Итак, какой размах тонкой настройки считать уже «перебором», зависит от вашей толерантности к объединению факторов во что-то более крупное. Следовательно, субъективны и оценки того, насколько суперсимметрия в беде – теперь, когда результаты с Большого адронного коллайдера требуют от нее тонкой настройки, чтобы у бозона Хиггса была правильная масса. Возможно, мы в силах точно вычислить, какого масштаба требуется тонкая настройка. Но мы не можем вычислить, тонкую настройку какого масштаба теоретики готовы допустить.

* * *

«Одним из основных привлекательных свойств суперсимметрии всегда было то, что она позволяла избежать тонкой настройки, – говорит Кит. – Нам нравится думать, что если за пределами Стандартной модели есть некая теория и вы выписываете [квантовые] поправки, то вам не придется подстраивать их до нужной точности».

«А что не так с тонкой настройкой?»

«Она кажется какой-то непривлекательной! – восклицает Кит и смеется. – Естественность – своего рода руководящий принцип. Если ее называть привлекательной, то это и есть определение привлекательного: оно привлекает нас, на него мы слетаемся». «В конечном счете, – продолжает Кит, – единственное, в правильности чего мы уверены, – Стандартная модель. И это всех раздражает. Должно быть что-то за ее пределами, хотя бы чтобы объяснить темную материю или [почему Вселенная содержит больше вещества, чем антивещества]. Там правда что-то должно быть. Просто многим людям сложно себе представить, будто это что-то совсем другое, случайное, что-то совершенно отдельное. По-моему, нужно как раз добавить симметрию или объединение».

Я спрашиваю Кита, какой экспериментальной стратегии придерживаться, но ему нечего посоветовать.

«Все простые шаги уже сделаны, – говорит он. – Дальше будет сложно. Будет сложно. В 1950-х годах, когда началось развитие физики элементарных частиц, было намного проще. Было не так уж трудно построить установку на несколько ГэВ и сталкивать частицы. И отовсюду полезли новые данные, о которых физика еще ничего не знала. Столько было странных результатов – вот почему они назвали частицы “странными”! Количество открытых за год частиц зашкаливало. И это привело к разнообразнейшим достижениям в теории. А сейчас… Тяжело без каких-либо ориентиров в эксперименте. Поэтому-то мы и работаем, полагаясь на то, что, по нашему мнению, красиво».

ВКРАТЦЕ

• Обычно эксперимент и теория способствуют обоюдному прогрессу.

• То, что сейчас мы считаем самыми фундаментальными законами природы, выстроено на принципах симметрии.

• Если новые данные становятся редкими и скудными, при оценке теорий физики-теоретики полагаются на свое чувство прекрасного.

• Красота – не научный критерий, однако может быть критерием, основанным на опыте.

Глава 4

Трещины в фундаменте

В которой я встречаюсь с Нимой Аркани-Хамедом и стараюсь смириться с тем, что природа неестественна, все, чему мы учимся, превосходно и всем наплевать, что я думаю.

Отличная работа, если суметь ЕЕ получить

Стайка школьников фотографирует Институт Нильса Бора, когда я подъезжаю на такси. С фасада здания надпись сообщает название института и год основания – 1920. Именно здесь в Копенгагене почти сто лет назад ученые собирались, чтобы заложить основы атомной физики и квантовой механики, теорий, благодаря которым существует вся современная электроника. Каждой микросхемой, каждым светодиодом, каждой цифровой камерой и каждым лазером – всем этим мы обязаны уравнениям, зародившимся здесь, когда Гейзенберг и Шрёдингер приходили говорить о физике с Бором. Правильное место, чтобы делать фотографии, когда на вас смотрит учитель.

Пока я стояла перед закрытыми дверями, а зимний дождь заливал мне лицо, я осознала, что здание, может, и датируется 1920 годом, но вот электронные замки вряд ли. Пришлось побродить по соседнему зданию в поисках регистрационной стойки. Молодая датчанка сообщает, что меня нет в ее списке ожидаемых посетителей, и спрашивает, какова цель моего визита.

«Я приехала поговорить с Нимой Аркани-Хамедом», – ответствую я и сама поражаюсь, насколько же это странно – запрыгнуть в самолет только ради того, чтобы подержать записывающее устройство у чьего-то рта. Однако Нима и сам прибыл в институт в качестве гостя – не знаю, к кому именно, – и тоже не значится в списках.

Я только наполовину вру, когда говорю, что приехала из Нордиты[46], бывшего дочернего института (по отношению к Институту Нильса Бора), перебазировавшегося в Стокгольм в 2007 году. Мой контракт как раз закончился, но я все еще улыбаюсь с их веб-сайта. Девушка протягивает мне электронный пропуск.

Я приехала слишком рано, поэтому отыскиваю библиотеку. Знакомые книги приветствуют меня. Деревянный пол поскрипывает – и я останавливаюсь, чтобы не потревожить потенциальные великие мысли. Пахнет наукой, то есть кофе. Мне вспоминается история о том, как во время Второй мировой войны здание начинили взрывчаткой, рассудив, что пусть лучше оно взлетит на воздух, чем достанется нацистам. Ходят слухи, что никто не уверен, всю ли взрывчатку убрали после войны. Дальше я двигаюсь с осторожностью.

Только я решаю выследить кофемашину, как появляется Нима. С тех пор как я впервые наткнулась на его статьи в конце 1990-х, его карьера складывалась исключительно блестяще. В 1999 году в возрасте двадцати семи лет он стал преподавателем на физическом факультете в Беркли. Продолжил в Гарварде в 2002-м, затем в Принстоне с 2008-го, был избран членом Американской академии искусств и наук в 2009-м. Он выиграл кучу наград, в том числе Премию за прорыв в фундаментальной физике с формулировкой «за оригинальные подходы к нерешенным проблемам физики элементарных частиц». Проблемы остаются неразрешенными. Как и Нима.

Он провожает меня в кабинет, который ему отвели на время его пребывания в институте. Я усаживаюсь на диван, чувствуя себя неуверенно: что именно мне следует делать дальше? Нажать кнопку записи на диктофоне кажется хорошей идеей. И словно он только и ждал этого сигнала, Нима начинает говорить, жестикулируя и взмахивая волосами.

Вопрос красоты и естественности, объясняет он, немало занимал его в свете последних результатов с Большого адронного коллайдера.

«Тема естественности и красоты всюду предстает в страшно искаженном виде, – говорит Нима. – Слияние красоты в искусстве и в науке, вероятно, помогает продавать книги». И его это не устраивает. «Если вы глубокий дилетант и ваши знания о физике почерпнуты из “Элегантной Вселенной” Брайана Грина, не в пику ему будет сказано, у вас может остаться ощущение, что физики попросту пудрят всем мозги. И это печально, поскольку сильно оторвано от реальности, реальности порядочного, честного физика».

«Да, – продолжает Нима, – вы вполне можете так решить. Иногда провести эксперименты невозможно практически. И даже если это возможно практически, их проведение может занять так много времени, что, по сути, вы проживете бо́льшую часть жизни без необходимости предстать на очной ставке с результатами эксперимента. А до этого все сходит с рук. Вы можете состряпать всевозможных заурядных теорий, и изредка, раз лет в пятьдесят, эксперимент, возможно, таки случится и разнесет все в щепки. Ну чем не отличная работа, если суметь ее получить? Можно просто ни черта не делать, вешать всем лапшу на уши – и никто вас на этом не подловит. Вот какое мнение могло бы сложиться у меня».

Когда мой контракт с Нордитой закончился, я покинула Стокгольм и переехала в Германию. Но пока я не получила новый исследовательский грант, так что временно осталась безработной. И это происходит не в первый раз. Уже пятнадцать лет я перескакиваю с одного краткосрочного контракта на другой, мотаюсь из одной страны в другую, движимая убеждением, что физика – наилучший для меня шанс понять окружающую действительность. Это не столько профессия, сколько одержимость. Моя ситуация – норма, ситуация Нимы – исключение. Большинство физиков нельзя обвинить в том, что у них отличная работа.

Не ведая, какие мысли бродят в моей голове, Нима продолжает: «Эксперимента нет, и вы просто сидите сложа руки и разглагольствуете о красоте, элегантности и математическом очаровании. И звучит все это как социологический вздор. Я считаю, что такое впечатление просто в корне неверно – но неверно в корне по интересной причине. И эта причина отличает физику высоких энергий от большинства других научных направлений».

«Действительно, – объясняет он, – в большинстве остальных областей науки для проверки, правильна идея или ошибочна, требуются новые эксперименты. Но наша область так солидна, что мы обложены неимоверным количеством ограничений, порожденных прежними экспериментами. Ограничений столь сильных, что они перечеркивают почти все, что вы можете попробовать изобрести. Если вы честный физик, 99,99 % ваших идей, даже хороших, будут опровергнуты, и не новыми экспериментами, а заранее – несовместимостью со старыми. Вот что по-настоящему сильно отличает нашу область исследований и дает нам внутреннее представление о том, что верно или неверно, до проведения новых экспериментов. Поэтому, в противоположность ощущению нашего гипотетического маловерного дилетанта, мнение, будто можно втирать всем очки, ошибочно. Это невероятно трудно».

Кому вы рассказываете о трудностях, думаю я и киваю.

Создавая проблемы

Несмотря на успех Стандартной модели, физики ее недолюбливают. Митио Каку называет ее «уродливой, надуманной»[47], Стивен Хокинг – «уродливой и случайной», Мэтт Страсслер хулит ее как «уродливую и нелепую», Брайан Грин жалуется, что она «обладает слишком большой гибкостью», а Пол Дэвис считает, что «от нее несет душком нерешенной проблемы», ибо «тот неуверенный способ, каким она объединяет электрослабое и сильное взаимодействия» – «уродливое свойство»58. Я все еще в поисках физика, кому Стандартная модель нравится.

Что же делает Стандартную модель такой уродливой? Худшее ее прегрешение: множество параметров – чисел, за которыми не стоит более глубокого объяснения, – и многие из них нисколечко не близки к 1. Мы уже обсуждали, какая головная боль эта масса бозона Хиггса. Но есть и еще подобные досадные числа, начиная с масс других элементарных частиц или, соответственно, отношений этих масс к массе хиггсовского бозона (ведь беспокоят нас только безразмерные величины). Такое отношение масс принимает значения вроде 0,00000408 для электрона или примерно 1,384 для истинного кварка. Никто не в силах объяснить, почему эти отношения масс таковы.

Между тем отношения масс также не кажутся и абсолютно случайными, и это заставляет физиков верить, что тому должно быть какое-то объяснение. Например, все три нейтрино очень легкие, сумма их масс более чем в 10^11 раз меньше массы бозона Хиггса. Поколения фермионов имеют массы, отличающиеся, грубо говоря, в десятки раз. А есть еще странная формула Коидэ, связывающая массы электрона, мюона и тау-лептона 59. Сумма этих масс, деленная на квадрат суммы квадратных корней из этих масс, равна 2/3 вплоть до пятого знака после запятой. Почему? Похожие нумерологические соотношения были найдены и для других частиц, хотя и с меньшей степенью точности. Они вынуждают нас подозревать, что мы упускаем какое-то более глубокое объяснение.

Помимо масс есть еще так называемые матрицы смешивания. Перемещаясь из одной точки в другую, некоторые частицы могут превращаться – «осциллировать» – в другие частицы. Вероятности таких событий записываются в матрицах смешивания[48]. Опять-таки числа в этих матрицах пока необъяснимы, но и не выглядят совсем уж случайными. Некоторые частицы регулярно превращаются в другие, тогда как иные – не особенно, хотя могли бы. Почему это так? Мы не знаем.

Следующая проблема в том, что в Стандартной модели слишком много симметрии! Речь идет о так называемой CP-симметрии. Преобразование CP-симметрии – это комбинация изменения электрического заряда частицы на противоположный (отсюда буква C в названии, от слова charge) и трансформации частицы в ее зеркальное отражение (P, от слова parity, «четность»). Если произвести это преобразование, уравнения слабого ядерного взаимодействия меняются, то есть электрослабое взаимодействие этой симметрии не подчиняется. Квантовая электродинамика не может нарушать эту симметрию. Сильное взаимодействие может, однако по непонятным причинам не делает этого. Если бы сильное взаимодействие нарушало CP-симметрию, это отражалось бы, например, на распределении электрического заряда в нейтроне, а мы такого не наблюдаем.

Сила этого CP-нарушения сильным взаимодействием измеряется параметром θ. Согласно данным, собранным на настоящий момент, этот параметр оскорбительно мал, гораздо меньше 1.

Предложенный механизм для разрешения этой так называемой сильной CP-проблемы состоит в том, чтобы сделать параметр θ динамическим и позволить ему скатиться в потенциальный минимум, где он остается равным небольшому числу 60. Такое решение было бы естественным, поскольку не требует новых больших или малых чисел. Тем не менее, как независимо друг от друга заметили Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек, к динамическому параметру θ должна прилагаться частица, которую Вильчек назвал «аксион» (первая и, будем надеяться, последняя частица, названная в честь стирального порошка). Аксион, однако, найден не был, так что сильная CP-проблема осталась нерешенной.

Но когда мы смотрим на Стандартную модель, нас раздражают не только числа. Еще три непонятных поколения фермионов и три калибровочных симметрии. Разве не было бы гораздо милее, если бы электрослабое и сильное взаимодействия могли быть объединены, образуя теорию Великого объединения или, еще лучше, суперсимметричную теорию Великого объединения? (Подробнее об этом в седьмой главе.)

А еще, конечно же, у нас есть претензии к согласованной космологической модели. Здесь у нас тоже полно необъяснимых чисел. Почему количество темной энергии именно такое? Почему темной материи впятеро больше, чем обычного вещества? И что же это все-таки такое – темная материя и темная энергия? В согласованной космологической модели мы лишь описываем их макроскопическое поведение, а микроскопические их свойства не играют никакой роли. Есть ли у них вообще микроскопические свойства? Сделаны ли темные энергия и материя из чего-то? И если да, то из чего? (Мы обсудим это в девятой главе.)

Далее, есть проблемы с объединением согласованной космологической модели со Стандартной моделью. Сила гравитационного притяжения между элементарными частицами чрезвычайно мала по сравнению с другими взаимодействиями. Так, например, отношение сил гравитационного и электрического притяжения между электроном и протоном равно примерно 10–40. Еще одно необъяснимо маленькое число, иллюстрирующее «проблему иерархии».

Что еще хуже, общая теория относительности отказывается слаженно объединиться со Стандартной моделью, вот почему физики уже восемьдесят лет пытаются разработать квантованную версию гравитации – теорию «квантовой гравитации». В идеале они хотели бы также срастить квантовую гравитацию со всеми остальными взаимодействиями – создать «теорию всего». (К этому мы вернемся в восьмой главе.)

Ну и наконец, даже если бы мы разрешили все эти проблемы, то все равно продолжали бы жаловаться – обвиняя квантовую механику (это тема шестой главы).

* * *

Эти проблемы известны уже по меньшей мере двадцать лет, и ни одна из них сегодня не близка к разрешению. Частично отсутствие прогресса объясняется тем, что сложнее становится затевать (и финансировать) новые эксперименты – все простые уже проведены. Такое замедление вполне предсказуемо для зрелой области исследований.

Однако, как мы видели, у теоретиков нет недостатка в загадках даже и без всяких новых экспериментов. Так, большинство моих коллег верят, что перечисленные выше проблемы возможно решить на чисто теоретических основаниях. Просто им это еще не удалось. Поэтому прогресс в теории замедлился, и почти по тем же причинам, по которым трудно разжиться новыми результатами экспериментов: простые шаги все уже сделаны.

Всякий раз, как мы разрешаем какую-то проблему, становится все труднее изменить что-либо в действующих теориях, не переформулируя вопросы, ответы на которые нами уже получены прежде. И поэтому фундаментальные законы природы, известные нам сейчас, кажутся неизбежными следствиями прошлых достижений. Эту неизбывность существующих теорий часто называют «жесткостью». Она порождает в нас надежду, что мы уже знаем все необходимое для того, чтобы отыскать более фундаментальную теорию, – и что нашей сообразительности будет достаточно, чтобы эту теорию нащупать.

Двоякая ситуация. С одной стороны, жесткость желательна, поскольку сигнализирует: теория близка к тому, чтобы единственным образом, идеально подладиться под наши наблюдательные данные. Но с другой стороны, жесткость означает, что мы зашли в тупик и должны пересмотреть долго решавшиеся проблемы, ища не изведанный прежде путь.

* * *

«Проще говоря, – продолжает Нима, перефразируя сказанное им ранее, – то, что у нас есть и теория относительности, и квантовая механика, – это очень сильное ограничение. Думаю, мало кто это осознает: и теория относительности, и квантовая механика обе неслыханно – неслыханно! – ограничивают вас в том, что вы можете сделать. Жесткость и неминуемость, вне всяких сомнений, важнее всего. Называйте их как хотите, но для меня это замена красоты».

«Но почему у нас вообще есть симметрии? Квантовые поля? Искривленное пространство-время?» – спрашиваю я, перечисляя некоторые привычные математические допущения.

Мы прибегаем к этим и другим абстракциям, потому что они работают, потому что мы обнаружили: они описывают природу. С чисто математической точки зрения они определенно не являются неизбежными, в противном случае мы могли бы вывести их, руководствуясь исключительно логикой. Но мы никогда не можем доказать, что какая-то математика верно описывает природу, так как все доказуемые истины касаются исключительно самих математических структур, а не их связи с реальностью. Стало быть, жесткость – осмысленный критерий только тогда, когда мы фиксируем костяк допущений, из которых затем делаются дедуктивные выводы.

Скажем, гравитация почти неотвратима, как только вы соглашаетесь с идеей, что мы живем в искривленном пространстве-времени. Но это никак не объясняет, почему мы вообще живем в искривленном пространстве-времени, это лишь представление, которое, как мы выяснили, работает. И мы знаем лишь, что оно работает для случаев, которые были нами проверены.

«Правда ваша, – говорит Нима, – любая дискуссия о жесткости должна оставаться в контексте того, что признано истинным. Не потому, что мы знаем, что оно истинно, – мы этого не знаем». Он разражается импровизированной лекцией о возникновении теории струн, а затем устремляется за кофе.

Мне трудно с ним не согласиться. Пожалуй, квантуемая гравитация – технически пресложная проблема. Симметрии специальной теории относительности чрезвычайно непросто соблюдать в квантовой теории гравитации, и эта трудность заставляет подозревать, что, если мы найдем один способ сделать это, он, вероятно, единственный.

Впрочем, опять-таки это может говорить больше о людях, чем о физике.

«Почему SUSY продолжает привлекать так много внимания?» – задаю я Ниме вопрос, когда он возвращается.

Прихлебывая кофе, он отвечает: «Если суперсимметрия прячется где-то недалеко [от энергий, тестируемых на Большом адронном коллайдере], этот факт интересным образом мгновенно накладывает неимоверно жесткие ограничения на то, что последует дальше. Если существует четвертое поколение [фермионов], мне это ни о чем не говорит. Так что есть некоторые открытия, которые служат интеллектуальными тупиками».

«Хорошо ли, – сомневаюсь я, – что теоретики предпочитают не изучать то, что может оказаться таким интеллектуальным тупиком? Что не так с другими идеями, кроме того, что они не нравятся теоретикам?»

«А кого волнует, что вам нравится или не нравится? – спрашивает Нима. – Природу это не заботит, и мы все с этим согласны. Причина, по которой суперсимметрия была столь популярна, крылась не только в социологии. Решающее значение имело то, что [с суперсимметрией] вы могли справиться с задачами, с которыми не справились бы никак иначе. Заботят ли природу эти задачи – другой вопрос. Без SUSY есть трудности с естественностью. Подобная трудность уже возникала раньше раза три, и всякий раз мы находили решение».

Где у чисел нет имен

Сегодня мы называем теорию естественной, если она не содержит ни очень больших чисел, ни очень маленьких. Считается, что любая теория, содержащая неестественные числа, не может быть фундаментальной. Это трещина в фундаменте, стоящая того, чтобы ее расковыривать.

У идеи, согласно которой законы природы должны обладать такого рода естественностью, долгая история. Зародилась она в качестве эстетического критерия, а сейчас стала математически формализованной как «техническая естественность». И, продвигая эстетический критерий до математического рецепта, все довольно основательно позабыли о ненаучном происхождении понятия естественности.

Вероятно, первой отсылкой к естественности было отвержение гелиоцентрической (Солнце в центре) системы мира на том основании, что звезды выглядят неподвижными. Если Земля вращается вокруг Солнца, то видимые положения звезд должны в течение года меняться. Величина такого изменения, называемая «параллакс», зависит от расстояния до звезды: чем дальше звезда, тем меньше изменение ее видимого положения. Похожий эффект вы можете наблюдать, когда едете в поезде и смотрите, как убегает назад пейзаж за окном: ближние деревья в вашем поле зрения проносятся мимо гораздо быстрее, чем очертания далекого города.

В те времена астрономы думали, что звезды закреплены на небесной сфере, содержащей всю Вселенную. В таком случае, если мы не в центре сферы, относительные положения звезд должны были бы меняться в течение года, потому что иногда мы бы оказывались ближе к одной половине сферы, чем к другой. Астрономы подобных изменений не наблюдали и потому заключили, что Земля находится в центре Вселенной.

Звезды действительно чуточку меняют свое положение в течение года, но это изменение настолько крошечное, что астрономы не могли измерить его вплоть до XIX века. Самое большее, на что они были способны, – рассудить, что отсутствие наблюдаемых параллаксов означает одно из двух: либо сама Земля не двигается в продолжение года, либо звезды должны быть далеко-далеко от нас – значительно дальше, чем Солнце и другие планеты, тогда параллакс был бы очень маленьким. Такой вариант допускал расположение Солнца в центре, но астрономы его отринули, ибо он требовал от них принять необъяснимо большие числа.

В XVI веке Николай Коперник создал убедительную доказательную базу для гелиоцентрической системы на том основании, что она упрощала движение планет, однако вопрос параллаксов оставался. Проблема заключалась не только в том, что звезды должны были располагаться значительно дальше любого другого объекта Солнечной системы. Дело осложнялось еще и тем, что Коперник и его современники неверно оценили размеры звезд.

Свет от далекого источника, проходя через круговую диафрагму – глаза или телескопа, – размазывается и выглядит более широким пятном, но до XIX века этого еще не понимали. Из-за такого визуального дефекта астрономы времен Коперника ошибочно считали звезды куда большими, чем те есть на самом деле. Итак, в гелиоцентрической модели неподвижные звезды должны были находиться очень далеко – и все равно через телескоп казаться большими, а это означало, что они должны быть громадными, значительно крупнее нашего Солнца.

Тихо Браге считал, что столь разительно отличающиеся числа абсурдны, и поэтому отверг идею, согласно которой Земля будто бы обращается вокруг Солнца. А взамен предложил свою собственную модель, в которой Солнце вращалось вокруг Земли, а другие планеты бегали вокруг Солнца. В 1602 году он выступил против гелиоцентризма, ибо

следует соблюдать в этих вопросах некую приличествующую соразмерность, чтобы предметы не простирались в бесконечность, а истинная гармония творений и видимых объектов, связанная с размерами и удаленностью, не была отвергнута: следует сохранять эту гармонию, ибо Бог, создатель вселенной, любит надлежащий порядок, а не беспорядок и сумятицу 61.

Вот эти «приличествующая соразмерность» и «надлежащий порядок» – фактически сегодняшний критерий естественности.

Теперь мы знаем, что большинство звезд сравнимы по размеру с нашим Солнцем и нет ничего неестественного в огромных расстояниях между ними и нами. Типичные расстояния между нашей Солнечной системой и другими звездами Млечного Пути, как и расстояние от нас до других галактик, определяются тем, как вещество скучивается под действием собственного гравитационного притяжения по мере того, как Вселенная расширяется. Эти расстояния не остаются неизменными и не служат фундаментальными параметрами ни одной теории.

Но идея, что большие числа якобы требуют объяснения, укоренилась 62. В 1937 году Поль Дирак заметил, что возраст Вселенной, деленный на время преодоления светом радиуса атома водорода, приблизительно равен 6 × 10^39. Примерно таково же и отношение сил электрического и гравитационного взаимодействий между электроном и протоном, равное 2,3 × 10^39. Не точно такое же, да, но довольно близкое, поэтому Дирак допустил, что эти числа имеют одинаковое происхождение. И что не только эти числа должны быть связаны, а «любые два очень больших безразмерных числа, встречающиеся в Природе, связаны между собой простым математическим соотношением, в котором коэффициенты определяются порядком величины[49]».

Это утверждение стали называть гипотезой больших чисел Дирака.

Однако в своей игре с числами Дирак использовал константу, которая вообще-то константой не является, – возраст Вселенной. Это значит, что для сохранения постулированного равенства другие постоянные природы тоже должны изменяться с течением времени. В результате возник вал следствий, касающихся формирования структур во Вселенной, который привел гипотезу к несовместимости с наблюдениями 63.

В применении к конкретным величинам, которые он выбрал, гипотеза больших чисел Дирака сегодня не считается принципиально важной. Однако суть его идеи – что большие числа требуют объяснения или оно по крайней мере желательно, если несколько чисел имеют общее происхождение, – до сих пор активно используется. Так, физики заметили, что появление подозрительно больших или маленьких чисел может выдавать присутствие новых, доселе не учтенных эффектов. Это укрепило веру физиков в то, что тонкая настройка служит ярким маяком, сигнализирующим о необходимости пересмотра и переработки.

Логика аргументов о естественности напоминает попытку предсказать сюжет длинного сериала: если главный герой – в нашем случае естественность – в беде, он точно выживет, поэтому обязательно должно произойти что-то, что выправит кажущуюся безнадежной ситуацию.

В неквантованной электродинамике, например, масса электрона неестественно мала. Это потому, что электрон создает электрическое поле и энергия поля должна вносить большой (а точнее, бесконечный) вклад в его массу. Чтобы избавиться от этой «энергии самовоздействия», потребовалось бы тонко настраивать математику, а это некрасиво. И вот он, наш герой – естественность, – запертый в горящем здании. Если расчет верен, герой погибнет.

Но расчет неверен, поскольку пренебрегает квантовыми эффектами. А с их учетом электрон оказывается окруженным парами виртуальных частиц, которые рождаются и аннигилируют, не становясь непосредственно регистрируемыми. Однако же они вносят непрямой вклад, устраняющий «самовоздействующие» дефекты неквантованной теории. Малость массы электрона, таким образом, «естественна» в квантовой электродинамике[50]. Наш герой спрыгивает с крыши и приземляется в мусорный контейнер, целым и невредимым.

В физике элементарных частиц отсутствие численных случайностей обрело математическую формулировку и называется «технической естественностью»[51]. Как ни странно, вся Стандартная модель технически естественна, если не считать неприятностей с массой бозона Хиггса. Даже для составных частиц, склеенных сильным ядерным взаимодействием, все массы технически естественны, за единственным исключением: массы трех мезонов (одного нейтрального пиона и двух заряженных) подозрительно близки друг к другу. Если взять разность квадратов масс заряженного и нейтрального пионов и разделить на квадрат самих масс, результат окажется неестественно мал. Герой снова в опасности: прижатый к стене, смотрит в направленное на него в упор дуло пистолета.

Но оказывается, что и здесь расчеты не предсказывают корректно, что происходит. Выручает то, что выше определенной энергии новая физика проявляется в форме частицы – ро-мезона, – с которой приходит и новая симметрия, объясняющая, почему массы пионов так близки друг к другу. Объяснение технически естественно, никакой тонкой настройки не требуется. Пистолет дает осечку, и герой спасается.

Квантовые поправки к энергии самовоздействия электрона и поправки для ро-мезона были, однако, не предсказаниями, а постсказаниями, или можно было бы назвать их озарениями задним числом (словно при повторном просмотре кино). Единственное настоящее предсказание, основанное на естественности, относится к очарованному кварку, открытому четвертым по счету. Его существование было предсказано в 1970 году – чтобы объяснить, почему вероятности некоторых взаимодействий частиц неестественно малы 64. С учетом очарованного кварка эти взаимодействия стали попросту запрещены, так что их ненаблюдаемость получила естественное объяснение, без всякой тонкой настройки.

Итак, естественность Стандартной моделью соблюдается и имеет на своем счету одно предсказание. На этом основании Натан Зайберг из Института перспективных исследований в Принстоне утверждает, что «понятие естественности служило ориентиром в физике на протяжении пары последних столетий»65. А стало быть, противоположность естественности, тонкая настройка, стала отвратительной. По словам Лизы Рэндалл из Гарвардского университета, «тонкая настройка почти наверняка есть акт отчаяния, отражающий наше невежество»66[52]. Или, как сказал мне Говард Бэр, специалист по физике элементарных частиц: «Полагаю, что тонкая настройка – это просто недуг в теориях, с которым приходится разбираться и который указывает вам на то, как эти теории можно вылечить и какой путь в Великое Неизвестное, к рубежам познаваемого, правильный»67.

Космологическая постоянная неестественна. Но она имеет отношение к гравитации, поэтому специалисты по физике элементарных частиц не чувствуют за нее ответственности. Теперь, когда мы знаем, что и масса бозона Хиггса неестественна, проблема прямо у порога.

Никто и не обещал розового сада

«Я не защитник естественности, – говорит Нима. – Естественность – не принцип, не закон. Ее считают неким проводником. Иногда это был хороший проводник, иногда плохой. Мы должны быть открыты возможностям. Кто-то говорит, что естественность – это чистая философия, но это определенно не философия. Она много для нас сделала».

Он перебирает примеры, говорящие в пользу естественности, добросовестно упоминая и то, что свидетельствует против нее, и заключает: «Естественность не была – и не должна была быть – доводом в пользу Большого адронного коллайдера. К чести ЦЕРН надо сказать, что этот довод пришел от теоретиков. Однако не так уж глупо было думать, что естественность окажется правильной концепцией. Ведь были же у нее все эти успехи».

Несмотря на успехи естественности, Нима, рассказывает он дальше, десять лет назад отказался от естественной красоты в пользу новой идеи под названием «расщепленная суперсимметрия». Это вариант SUSY, когда некоторые из ожидаемых суперсимметричных партнеров по своей природе настолько тяжелы, что находятся вне досягаемости Большого адронного коллайдера. Это объясняет, почему суперсимметричные партнеры до сих пор не были обнаружены. Но тогда расщепленная суперсимметрия нуждается в тонкой настройке – чтобы получить правильную наблюдаемую массу бозона Хиггса.

О реакции своих коллег на необходимость тонко настраивать теорию Нима вспоминает: «Я буквально орал на людей на конференциях. Такого со мной никогда не случалось ни до, ни после».

Вот что происходит, думаю я, если ты не отвечаешь критерию красоты своего времени.

«Большой адронный коллайдер изменил ваши представления о естественности?» – спрашиваю я.

«Забавно: ходит популярная байка, что, мол, теоретики до запуска Большого адронного коллайдера были абсолютно уверены, что суперсимметрия явит себя, а тут такой провал. Думаю, те, кто профессионально занимается разработкой моделей, лучшие, я считаю, люди в нашей области, обеспокоились уже после Большого электрон-позитронного коллайдера. Но все обернулось программой, как избегать [конфликта с имеющимися данными]. Страшного ничего не было, но не давали покоя всякие мелочи. Лучшие люди, они отнюдь не были уверены, что суперсимметрия обнаружится на Большом адронном коллайдере. И качественно ничего с 2000 года (когда завершился последний запуск Большого электрон-позитронного коллайдера) не изменилось. Какие-то бреши были заткнуты, но ничего не изменилось качественно».

«Вы спрашиваете, – продолжает Нима, – почему над естественностью по-прежнему работают? Вообще это очень забавно. Как я сказал, лучшие люди довольно хорошо понимали, что происходит. Они не балбесничали в ожидании, когда же из Большого адронного коллайдера посыплются глюино[53]. И еще они довольно спокойно отреагировали на данные».

Однако же ни один из этих «лучших людей» не высказался, не назвал ерундой эту расхожую историю, согласно которой у Большого адронного коллайдера якобы были неплохие шансы засечь суперсимметрию или частицы темной материи. Даже не знаю, что хуже: ученые, верящие в доводы о красоте, или ученые, умышленно вводящие общественность в заблуждение насчет перспективности дорогостоящих экспериментов.

Нима продолжает: «Люди, которые были убеждены, что суперсимметрия проявится, теперь уверены, что этого не будет. Сейчас есть те, кто говорит, что они подавлены, встревожены или напуганы. Да кому не плевать на вас и вашу маленькую жизнь? Кроме вас самих, конечно».

Он говорит не обо мне, но мог бы, думаю, сказать такое и про меня. Вдруг я попросту ищу оправдания тому, что покинула университетскую среду, поскольку разочарована, не способна сохранять воодушевление на фоне всех этих нулевых результатов? И какую же дивную я нашла отговорку – обвинять научное сообщество в дурном обращении с научным методом!

«Все, что мы узнаём о природе, потрясающе». Голос Нимы прерывает мои размышления. «Если есть новые частицы – у вас больше подсказок. Нет новых частиц – все равно подсказки есть. Это признак какого-то нарциссизма нашего времени – что люди используют такие выражения. В лучшие времена не было бы дозволено произносить подобное в приличном обществе. Кому какое дело, что вы чувствуете? Кого волнует, что вы потратили на это сорок лет своей жизни? Никто и не обещал розового сада. Это рисковое дело. Хочешь определенности – занимайся чем-то другим. Люди веками ставили не на ту лошадь. Такова жизнь».

Мы разговариваем уже несколько часов, но энергия Нимы кажется неисчерпаемой, почти неестественной. Слова спотыкаются друг о друга, потому что не успевают достаточно быстро вылетать из его рта. Нима раскачивается на стуле, вертится, иногда подскакивает и быстро пишет что-то на доске. Чем дольше я за ним наблюдаю, тем старее себя чувствую.

«Особенно раздражает, когда депрессивные ощущения этих людей сказываются на наших последующих шагах, – досадует Нима. – Это просто нелепо! Очень важно узнать, истинна естественность или нет».

Излишне говорить, что специалисты по физике элементарных частиц уже ратуют за строительство нового коллайдера. Китайский круговой коллайдер, создание которого Нима горячо одобряет, будет достигать энергии столкновений примерно в 100 ТэВ, но это не единственный обсуждаемый сегодня проект^68. Другое благосклонно воспринятое предложение – Международный линейный коллайдер, в строительстве которого выразили заинтересованность японцы. А у ЦЕРН в планах построить суперколлайдер с длиной окружности 100 километров, что позволит достичь энергий, сравнимых с энергиями, заявленными в китайском проекте. Может, тогда мы наконец обнаружим суперсимметрию.

«На самом деле SUSY – это история про лягушку в кипятке, – говорит Нима, вспоминая прошлое теории. – Ее должны были увидеть при первом запуске Большого электрон-позитронного коллайдера, еще в 1990 году. Многие из вовлеченных теоретиков, очень мною уважаемых, ожидали проявления суперсимметрии в том коллайдере. Я сам этого ожидал».

«Мы ее не увидели, – констатирует он. – Но люди восприняли это как возможность, а не как проблему. Они подумали: “Ладно, это подсказывает нам, что еще теория должна иметь особую структуру”. <…> В 1990-х то было вполне обоснованное предположение. Однако затем границы раздвинулись, а суперсимметрию мы так и не наблюдали. И в 1990-х же на Большом электрон-позитронном коллайдере константы взаимодействий были измерены достаточно точно, поэтому мы знали, что они не сойдутся в одну точку [в рамках Стандартной модели], а с SUSY – сойдутся».

* * *

В калибровочной теории самым важным параметром служит константа взаимодействия, которая определяет его силу. В Стандартной модели их три: две для электрослабого взаимодействия и одна для сильного. Эти константы инвариантны относительно преобразований пространства и времени, однако их значения зависят от разрешения процесса, в котором они измеряются. Это пример упоминавшегося выше потока в пространстве теорий.

Поскольку нам нужны высокие энергии, чтобы прощупать короткие расстояния, низкое разрешение соответствует низкой энергии, а высокое разрешение – высокой энергии. В физике высоких энергий, что, в общем-то, и не удивительно, о потоке в пространстве теорий чаще размышляют как об изменении энергии, а не разрешения. Тогда константы взаимодействий «бегут» с энергией, как говорят физики, и этот их бег можно вычислить.

Рис. 8. Экстраполяция (пунктирные линии) сил известных взаимодействий из измеренной области (сплошные линии) до высоких энергий. С суперсимметрией прямые сходятся в одной точке, при условии, что суперсимметричные частицы начнут проявляться в коллайдерах уже скоро (при энергиях вблизи серой вертикальной линии). Выше энергии объединения индивидуальные силы взаимодействий теряют смысл.

Если подобные расчеты выполнить для Стандартной модели, прямые согласуются с измерениями при энергиях, достижимых сегодня. При экстраполяции в область более высоких энергий силы взаимодействий сходятся попарно в трех разных точках (рис. 8, вверху). А вот если добавить суперсимметрию, то они сходятся в одной точке (в пределах погрешности измерений низкоэнергетических значений), соответствующей «объединению констант взаимодействий» (рис. 8, внизу). Если существует только одна фундаментальная калибровочная симметрия, значит, существует и единственная фундаментальная константа взаимодействия, следовательно, три разных константы должны в итоге совпасть. То, что суперсимметрия при высоких энергиях заставляет три константы слиться в одну, стало одним из сильнейших стимулов разрабатывать эту теорию. Необходимо ли объединение констант взаимодействий? Нет. Красиво ли оно? О да.

* * *

«Мне кажется, пик взбудораженности по поводу SUSY пришелся на 1991–1992 годы, – говорит Нима. – А с тех пор ажиотаж утихает. Когда суперсимметрия не проявилась при втором запуске Большого электрон-позитронного коллайдера, многие в нашей области говорили, что есть проблема, что мы уже должны были увидеть суперсимметрию. Если не существует никаких суперпартнеров, почему тогда работает объединение констант взаимодействий? А что насчет темной материи, почему она работает?»

«Ну, вообще-то мы не знаем, работает ли она», – замечаю я.

«Да-да, конечно», – соглашается Нима.

«Она дает нам кандидата?» – подсказываю я.

«О’кей, – говорит он, – почему кажется, будто она подсказывает нам кандидата? Почему она словно хотела бы работать?»

Я молчу. Трудно поверить, что все это лишь бессмысленное совпадение. SUSY так естественно продолжает поиски объединения, так красиво работает, так идеально вписывается – она просто не может быть самообольщением, культивируемым стадным мышлением физиков. Либо я идиот, либо тысяча человек с их премиями и наградами. Расклад не в мою пользу.

«Возвращаясь к вопросу, почему люди вообще до сих пор работают над суперсимметрией, – прерывает Нима молчание, – нужно сказать, что интерес к ней резко снизился. Конечно, есть еще те, кто над ней работает. У академической науки много хворей, и одна из них заключается в том, что ты продолжаешь заниматься тем, чем занимался. Каким-то образом оказывается, что все так или иначе занимаются аналитическим продолжением того, что делали для своей диссертации[54]. Хорошо, что экспериментаторам все равно».

«Но ведь нужно, чтобы теоретики говорили экспериментаторам, где искать?»

«Это верно», – кивает Нима.

Но я счастлива согласиться, что мы на верном пути. Все хорошо. Давайте вернемся к работе, построим следующий коллайдер, выясним, что не так с бозоном Хиггса. Нам не нужна помощь философов.

Во время обратного рейса во Франкфурт, вдали от пышущего энтузиазмом Нимы, я понимаю, почему он приобрел такое большое влияние. В отличие от меня, он верит в то, что делает.

Дифотонная диарея начинается

15 декабря 2015 года. Как и тысячи моих коллег по всему миру, я смотрю прямую трансляцию из ЦЕРН. Сегодня коллабораторы, проводившие два самых масштабных эксперимента на Большом адронном коллайдере – CMS и ATLAS, – представят свои первые результаты со второго запуска, измерения на беспрецедентно коротких расстояниях.

Джим Олсен из команды CMS выходит на сцену. Он начинает разъяснять устройство детектора и применявшиеся методы анализа. Как бы мне хотелось перемотать эту часть… Не исключено, что настал день, когда Стандартная модель начнет разваливаться, – я хочу увидеть данные, а не фотографии магнитов!

При первом запуске проявились некоторые небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели. Подобные отклонения могут – и часто так и происходит – возникать случайно, в результате хаотических флуктуаций. Поэтому ученые любому отклонению от их действующих лучших теорий приписывают показатель достоверности, определяемый как вероятность того, что это отклонение – чистейшая случайность. Выпадающие значения в данных с первого запуска имели шансы оказаться случайными примерно 1 к 100. Такие флуктуации возникают все время и исчезают все время, так что не было никаких причин для волнения.

Олсен переходит к результатам эксперимента CMS. Действительно, надежность всех флуктуаций с первого запуска упала, то есть они почти наверняка были случайным шумом. Дальше ученые проанализировали данные со второго запуска, ища отголоски популярных в последнее время идей. И не нашли ничего: ни признаков дополнительных измерений, ни суперпартнеров, ни мини-версий черных дыр, ни четвертого поколения фермионов. Под пристальным вниманием со стороны прессы большинство заявлений звучат как череда нулевых результатов. Интересно, как Гордон Кейн это воспринял, думается мне.

Но затем, уже в самом конце, Олсен объявляет о новом отклонении от Стандартной модели: зарегистрировано слишком много распадов, в результате которых возникла пара фотонов. Прозванный «дифотонной аномалией», этот излишек не вписывается ни в одно из существующих предсказаний. Он не совместим со Стандартной моделью. Не совместим с любой из известных нам теорий. После этого Олсен передает слово Маруми Кадо из команды ATLAS.

Отчет Кадо почти идентичен олсеновскому. Прежние флуктуации исчезли, но ATLAS тоже зарегистрировал дифотонный излишек. Тот факт, что он был независимо зарегистрирован в обоих экспериментах, существенно снижает риск, что сигнал этот – чистая случайность. Вместе два эксперимента дают шансы 3 к 10 000, что излишек – хаотическая флуктуация и ничего больше. Это все еще очень далеко от стандарта надежности, которого специалисты по физике элементарных частиц придерживаются, когда объявляют о новом открытии, – примерно 1 к 3 500 000. Но вдруг это оно, думаю я, первый шаг на пути к более фундаментальному закону природы? Немедленно мы все начинаем обсуждать, что бы это могло быть.

Сутки спустя в бесплатном архиве статей и препринтов arXiv.org значится десять новых статей о дифотонной аномалии.

ВКРАТЦЕ

• У физиков-теоретиков вагон претензий к обнаруженным пока законам природы. Особенно не жалуют они неестественные числа.

• Естественность использовалась в качестве руководящего принципа при разработке теорий как минимум с XVI столетия. Иногда этот принцип срабатывал, иногда нет.

• Естественность – не математический критерий. Это математически сформулированное требование красоты. Отсутствие каких-либо успехов на счету естественности не оправдывает ее использования даже как основанной на опыте.

Глава 5

Идеальные теории

В которой я ищу пределы науки, но обнаруживаю, что воображение физиков-теоретиков поистине неисчерпаемо. Я лечу в Остин, позволяю Стивену Вайнбергу говорить сквозь меня и осознаю, сколько же мы делаем, просто чтобы убежать от скуки.

Удиви меня, но не слишком

Возможно, вас удивит утверждение, что у Баха очень много общего с «Битлз».

В 1975 году Ричард Восс и Джон Кларк, два физика из Беркли, изучали шум электронных устройств 69. Шутки ради они применили потом тот же метод к разным типам музыки. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что разные типы музыки – западная и восточная, классическая, блюз, джаз – все обладают общим свойством: хотя высота и громкость звуков сами по себе в разных стилях музыки различаются, количественно различия всегда сглаживаются с обращением частоты (это называют «1/f-спектром»).

У 1/f-спектра нет – теоретически – никакой типичной временно́й шкалы, вопреки ожиданию, согласно которому разные ритм и метр характеризуют различные типы музыки. Исследование, таким образом, выявило, что звуковые паттерны в музыке обладают самоподобием, или «корреляциями», и это справедливо для всех временны́х масштабов. Белый шум имел бы постоянный спектр и никакой корреляции между колебаниями. Случайный сдвиг мелодии между близкими звуками имел бы сильную корреляцию и 1/f^2-спектр. Где-то посередине, как показали Восс и Кларк, располагаются Бах, «Битлз» и все остальное, что вы слышите по радио[55].

На интуитивном уровне это означает, что музыка балансирует на границе между предсказуемостью и непредсказуемостью. Когда мы включаем радио, то хотим, чтобы нас удивили, но не слишком сильно. Вполне очевидно, что поп-музыка строится по довольно простым рецептам, поэтому-то вы можете подпевать, когда повторяются припевы.

Думаю, это наблюдение насчет музыки распространяется и на другие области человеческой деятельности. В искусстве, литературе, науке мы тоже хотим, чтобы нас удивляли, но не чересчур. В научных статьях также нужно соблюдать золотую середину между старым и новым, хотя тут провести расчеты сложнее, чем со звуковыми узорами. Новизна – это прекрасно, но только если не требует слишком многого от воспринимающих ее. Настоящие поп-звезды, как и поп-звезды науки, – это те, кто существует на самом острие, кто заставляет нас хлопать себя по лбу, бормоча: «Как же я сам до этого не додумался?!»

Однако в науке, в отличие от искусства, на идеях ничего не заканчивается, они не замкнуты сами на себя, а призваны описывать окружающий мир. В науке новые данные могут вынуждать нас к внесению изменений. Но что, если новых данных нет? Тогда мы переизобретаем хиты прошлого, более или менее очевидными способами. И новые теории в физике, как новые эстрадные песни, остаются вариациями на уже знакомые темы.

* * *

В теоретической физике популярные в наши дни темы – это простота, естественность и элегантность. Этим понятиям, строго говоря, никогда не дают точного определения, поэтому и я не буду пытаться его сформулировать, а просто расскажу вам, как они используются.

Простота

Сделать что-то «проще» – значит сделать с меньшими затратами. Но, как уже когда-то заметил Эйнштейн, теория должна быть «настолько простой, насколько это возможно, но не проще». Требование простоты само по себе не может быть использовано для разработки теории, поскольку есть много теорий более простых, чем те, что описывают нашу Вселенную. Вообще, нет ни одной уважительной причины, по которой нашей Вселенной стоило бы существовать или содержать в себе вещество. Или вот вам менее нигилистический пример: квантовать гравитацию существенно проще в двух измерениях, но мы, увы, населяем не такую вселенную.

Простота, таким образом, имеет сугубо относительную ценность. Мы можем искать теорию, которая была бы проще, чем какая-то другая, но не можем начать конструировать теорию, основываясь исключительно на принципе простоты.

Почти излишне говорить, что из двух теорий, описывающих одно и то же, ученые в конце концов выбирают ту, что проще, ибо кому же хочется делать свою жизнь сложнее, чем необходимо? В прошлом иногда бывали задержки с принятием такого решения, когда простота вступала в конфликт с другими заветными идеалами, такими как красота движения планет по круговым орбитам. Но лень всегда побеждала, по крайней мере пока.

Почти излишне – поскольку простота непрерывно играет в перетягивание каната с точностью. Дополнительные параметры (а значит, меньшая простота) обычно позволяют лучше описать данные, и мы можем провести статистическую оценку, чтобы выяснить, оправдывает ли улучшенное соответствие наблюдательным данным введение этих параметров. Можно спорить насчет плюсов и минусов разных оценок, но для наших целей достаточно сказать, что поисками расширенных теорий, пусть и противоречащих принципу простоты, занимается особая область науки – феноменология[56].

Объективно измерять простоту помогает так называемая вычислительная сложность, которая определяется длиной кода компьютерной программы, производящей вычисления[57]. Вычислительная сложность, в принципе, измерима для любой теории, которая может быть переведена в компьютерный код. Сюда относятся и теории из современной физики. Но сами мы не компьютеры, так что вычислительная сложность – не та оценка, которую мы в действительности используем. Человеческое понимание простоты преимущественно основывается на легкости в применении, а она, в свою очередь, тесно связана с нашей способностью уловить идею и удерживать ее в голове, раскручивая, до тех пор, пока не родится научная статья.

Чтобы добиться простоты новых, предполагаемых законов природы, теоретики сейчас стараются минимизировать набор допущений. Этого можно достичь, сокращая число параметров, полей или вообще аксиом теории. На сегодня самые распространенные способы сделать это – добавление симметрий или объединение.

Эйнштейн тоже мечтал о том, чтобы фундаментальная теория не содержала необъяснимых параметров:

…Природа устроена так, что ее законы в большой мере определяются уже чисто логическими требованиями настолько, что в выражения этих законов входят только постоянные, допускающие теоретическое определение (то есть такие постоянные, что их численных значений нельзя менять, не разрушая теории)70[58].

Эта мечта и по сей день направляет исследования. Однако мы не знаем, обязательно ли более фундаментальные теории должны быть проще. Предположение, что более фундаментальная теория должна быть еще и проще – по крайней мере восприниматься проще – это надежда, а не что-то такое, чего у нас на самом деле есть причины ожидать.

Естественность

В отличие от простоты, с позиций естественности оценивается не количество допущений, а их тип. Это попытка избавиться от человеческого фактора – требование, чтобы в «естественной» теории не использовались тщательно подобранные допущения.

Техническая естественность отличается от общей тем, что применяется только к квантовым теориям поля. Но у них обеих одинаковый фундамент: предположений, которые вряд ли могли быть выполнены случайно, нужно избегать.

Правда, критерий естественности бесполезен без других допущений – допущений, которые требуют делать необъяснимый выбор, тем самым возвращая в игру избирательный подход. Проблема в том, что у чего-либо есть бесконечное множество разных способов оказаться случайным, а потому отсылка к случайности уже сама по себе требует выбора.

Давайте разберем такой пример. Если у вас есть обычный игральный кубик, вероятность выпадения любого из чисел на нем одинакова: 1/6. Но если кубик ваш причудливой формы, то вероятность для каждого числа может быть какая-то своя. Мы говорим, что кубик причудливой формы имеет иное «распределение вероятностей», то есть функцию, зашифровывающую вероятности каждого возможного исхода броска. Функция может быть любой, лишь бы сумма вероятностей всех исходов давала 1.

Когда мы говорим: что-то случайно – без каких-либо уточнений, обычно мы подразумеваем равномерное распределение вероятностей, то есть распределение с равными вероятностями для всех исходов, как для обычного игрального кубика. Но почему распределение вероятностей для параметров теории должно быть равномерным? У нас есть только один набор параметров, описывающий наши наблюдения. Это то же самое, как если бы кто-то сообщил нам результат одного броска кубика. Это ведь ничего не говорит о его форме. Равномерное распределение, как и обычный, симметричный кубик, может, и выглядит симпатично, но это ровно тот тип человеческого выбора, от которого естественность пытается избавиться[59].

Хуже того, даже если вы выберете по своему вкусу распределение вероятностей, естественность останется бессмысленным критерием, ведь она немедленно низведет в отряд неестественных все теории, какие мы только можем помыслить. А все потому, что требования естественности сейчас избирательно применяют лишь к одному типу допущений: к безразмерным величинам. Однако при разработке теорий мы используем и много других допущений, которые подбираются «исключительно» для того, чтобы объяснить наблюдения. Просто об этом обычно не говорят.

Пример: стабильность вакуума. Это стандартное допущение, которое гарантирует, что Вселенная вокруг спонтанно не развалится, разорвав нас на куски. Вполне резонно. Но есть бесконечное число «плохих» теорий, согласно которым такое произойти может. Эти теории плохи не потому, что математически неверны, они плохи попросту потому, что не описывают наши наблюдения. Стабильность вакуума – допущение, выбираемое только в целях описать природу, однако же никто никогда не жалуется, что оно, мол, выбрано по чьему-то вкусу и «неестественно». Есть много других подобных допущений, выбранных нами просто потому, что они работают, а не в силу того, что они вероятны в каком-либо смысле. И если мы охотно соглашаемся на все эти другие допущения «просто потому что», почему бы не принять и выбор параметра?

«Нужно ведь с чего-то начинать, – можете вы сказать. – Поэтому давайте начнем с объяснения параметров, а затем уже перейдем к более сложным допущениям».

Смотрите, отвечу я, сама попытка попробовать обосновать, почему мы используем именно эти допущения, есть логическое болото: если вы не одобряете выбор допущений не математическими способами, тогда единственное дозволенное требование для физической теории – математическая согласованность. Стало быть, все логически непротиворечивые наборы аксиом одинаковы хороши, а их бесконечно много. Но это совершенно бессмысленно для описания природы – мы ведь не хотим просто перечислить непротиворечивые теории, мы мечтаем объяснить свои наблюдения. А для этого мы непременно должны сравнивать предсказания с наблюдениями, чтобы отбирать полезные допущения для наших теорий. Что мы и делали до того, как дали завлечь себя идеалам вроде естественности.

То же касается и идеи, что числа, близкие к 1, почему-то предпочтительнее, глубже укоренены в математике. Если вы немножко поковыряетесь в сложных областях математики, то найдете числа на любой вкус и цвет. Яркий пример – число элементов группы, которую метко прозвали «монстром»: 808 017 424 794 512 875 886 459 904 961 710 757 005 754 368 000 000 000.

Это примерно 10^54, если вдруг вы не жаждете пересчитать разряды. По счастью, ни одно число такого размера пока не нуждается в объяснении в физике, иначе, бьюсь об заклад, кто-нибудь попробовал бы использовать для этого группу-монстра.

Так что нет, мы не вправе винить математику в собственной любви к числам, кажущимся нам приятными.

Не поймите меня превратно: я согласна, что в целом предпочтительнее располагать лучшим объяснением для любого допущения, которое мы делаем. Я лишь возражаю против того, что некоторые числа якобы особенно нуждаются в объяснении, тогда как другие проблемы отходят на второй план.

Спешу добавить, что естественность не прямо-таки всегда бесполезна. Ее можно применить, если нам известно распределение вероятностей, например распределение звезд во Вселенной или флуктуаций в среде. Тогда мы вправе сказать, что является или не является «естественным» расстоянием до следующей звезды или «вероятным» событием. А если у нас есть теория вроде Стандартной модели, которая, как выясняется при внимательном рассмотрении, содержит много естественных параметров, разумно продлить этот ряд и основывать предсказания на нем. Но если предсказания не подтверждаются, мы должны отметить это и двигаться дальше.

На практике господствующее влияние естественности означает, что вам не удастся убедить кого бы то ни было провести эксперимент, не аргументировав, почему новая физика должна в нем «естественным» образом проявиться. А поскольку естественность по своей сути понятие эстетическое, всегда можно придумать новые доводы и пересмотреть числа. Это привело к тому, что десятилетиями обещалось: предсказанные новые эффекты вот-вот поддадутся измерению в намеченном эксперименте. А если в нем ничего не обнаруживалось, что ж, предсказания пересматривались так, чтобы подпасть под действие следующего эксперимента, грядущего.

Элегантность

И наконец, самый эфемерный критерий – элегантность. Часто его описывают как комбинацию простоты и неожиданности, вместе раскрывающих полезное новое знание. Мы обнаруживаем элегантность в моменты озарения, когда все встает на свои места. Философ Рихард Давид описал ее как «внезапную объяснительную развязку» – непредвиденную связь между тем, что прежде было разобщено. Но это еще и простота, рождающая сложность; новооткрытые перспективы; богатство структуры, возникающее – поразительным образом – из экономии.

Элегантность – откровенно субъективный критерий, и хотя он оказывает огромное влияние, никто не пытался формализовать его и использовать при разработке теорий. До настоящего времени. Рихард Давид первым попробовал в своем методе оценки теорий определить смысл элегантности через внезапную объяснительную развязку. Поскольку это объяснительная развязка, значит, еще и требование согласованности, то есть, как ни крути, требование к качеству. А коли развязка должна быть «внезапной», утверждается способность человеческого мозга предугадывать математические результаты еще до того, как они будут получены. Стало быть, этот критерий остается субъективным.

Красота, в свою очередь, – смесь всех трех ингредиентов: простоты, естественности и щепотки неожиданности. И мы играем по этим правилам. В конце концов, мы не хотим удивить кого-то сверх меры.

* * *

Чем больше я стараюсь понять ставку моих коллег на красоту, тем менее разумной она мне кажется. Математическую жесткость я вынуждена была отвергнуть, поскольку она зиждется на выборе априорных истин, выборе, который сам по себе не жесткий, а это абсурд. Не удалось мне найти математического обоснования ни простоты, ни естественности, ни элегантности – всякий раз в итоге возвращались субъективные человеческие оценки. Я боюсь, что, используя эти критерии, мы выходим за пределы науки.

Кто-то должен разубедить меня, ослабить мое крепнущее подозрение, что физики-теоретики коллективно пребывают в состоянии какого-то помешательства и не могут или не хотят осознать свои ненаучные подходы. Мне нужно поговорить с кем-то, кто своими глазами видел, что эти критерии работают, с человеком, обладающим опытом, которого у меня самой нет. И я знаю, кто лучший кандидат.

Разведение лошадей

Январь. Остин, штат Техас. Я так боюсь опоздать на встречу со Стивеном Вайнбергом, что приезжаю на час раньше. Час подразумевает очень большую чашку кофе. Когда я справилась с половиной, подходит молодой человек и спрашивает, можно ли ко мне подсесть. Конечно, говорю. Он кладет на стол внушительную книгу и начинает читать, делая пометки. Я бросаю взгляд на уравнения. Они из классической механики, из самого начала первого семестра теоретической физики.

Проходит стайка болтающих студентов. Я спрашиваю усердного юношу, не знает ли он, с какой лекции они могли выйти. «Нет, простите», – отвечает он и добавляет, что сам тут только две недели. Решил ли он, спрашиваю, в какой области физики хочет специализироваться? Он рассказывает, что читал книги Брайана Грина и очень интересуется теорией струн. Я замечаю, что на теории струн свет клином не сошелся, что физика – не математика и что одной логики недостаточно для того, чтобы найти верную теорию. Не думаю, правда, что мои слова много значат против гриновских.

Я оставляю молодому человеку адрес своей электронной почты, затем встаю и иду по коридору без окон, мимо поблекших объявлений о семинарах и постеров с давно минувших конференций, пока не нахожу дверь с табличкой, на которой написано: «Проф. Стивен Вайнберг». Я заглядываю, но Вайнберга еще нет. Его секретарь меня игнорирует, так что я жду, разглядывая свои ноги, пока не слышу шаги в коридоре.

«Я должен сейчас общаться с писателем, – говорит Вайнберг и оглядывается вокруг, но, кроме меня, никого не замечает. – Это вы?»

Всегда радуясь новой возможности почувствовать себя совершенно не в своей тарелке, я отвечаю утвердительно, а сама думаю про себя: меня не должно здесь быть, я должна сидеть за своим столом, читать статью, писать заявку на грант или, на худой конец, рецензию. Мне не следует подвергать психоанализу сообщество, которое не нуждается в терапии и не жаждет ее. И не стоит притворяться кем-то другим.

Вайнберг приподнимает бровь и указывает на свой кабинет.

Его офис, оказывается, вдвое меньше моего. Я окидываю его взглядом, и все зачаточные амбиции получить Нобелевскую премию, какие у меня когда-либо были, испаряются. Нет у меня, разумеется, на стенах всех этих дипломов о присуждении почетных званий. И собственных книг, чтобы выстроить их на столе. Вайнберг написал уже дюжину.

Его «Гравитация и космология» (Gravitation and Cosmology) была первым учебным пособием, которое я даже купила, потому что захотела иметь собственный экземпляр. Книга была такой шокирующе дорогой, что я больше полугода повсюду таскала ее с собой, боясь, что она куда-нибудь денется. Я ходила с ней в спортзал. Ела над ней. Спала с ней. Я даже в конце концов ее открыла.

У этой книги незатейливая темно-синяя обложка с золотым тиснением, слой пыли на нее так и просится. Вообразите себе мое волнение, когда я поняла, что автор еще жив и не является, как я полагала, давно усопшим современником Эйнштейна и Гейзенберга, ученых, чьи труды на тот момент составляли бо́льшую часть читаемой мною литературы. Более того, автор не просто был все еще жив, а в ближайшие годы выпустил три тома квантовой теории поля. С ними я тоже спала.

Сейчас, в свои восемьдесят с лишним лет, Вайнберг продолжает заниматься исследованиями и продолжает писать книги, на днях как раз должна выйти новая. Если на этой планете есть человек, способный объяснить мне, почему я должна полагаться на красоту и естественность в своей работе, то это он. Я хватаю свой блокнот, усаживаюсь и надеюсь, что выгляжу достаточно по-писательски.

Итак, думаю я, включая диктофон, наконец-то я могу спросить про того треклятого коневода.

«Вы приводите аналогию с коневодом. Вы хотите этим сказать, что внимание к красоте при разработке теорий основано на опыте?»

«Да, я думаю, что это так, – отвечает Вайнберг. – Если мы обратимся к грекам классического периода, вплоть до Аристотеля…»

Вайнберг говорит не с вами, предупреждали меня, он говорит сквозь вас. Теперь-то я знаю, что имелось в виду. И поверьте, он говорит как по книге, его речь фактически готова к публикации – хоть тут же печатай.

«Если мы обратимся к грекам классического периода, вплоть до Аристотеля, то увидим, что они чувствовали, будто обладают неким внутренним ощущением правильности, которое имело моральную составляющую. Например, Парменид выдвинул потрясающе простую теорию о природе: ничто никогда не меняется. Опыт ей противоречил, но Парменид никогда не брал на себя труд примирить наблюдения со своей теорией неизменяемости. Он вывел ее исключительно из соображений простоты и элегантности, а еще, думаю, в какой-то степени снобизма, ведь перемены всегда менее величавы, чем постоянство».

«С тех пор мы многому научились. Мы усвоили, что, какие бы теории ни порождались нашими эстетическими представлениями, они так или иначе должны сопоставляться с реальным опытом. И с течением времени мы поняли, что не просто теории, вызванные к жизни нашим чувством прекрасного, должны подтверждаться опытом, – но и что само наше чувство прекрасного постепенно меняется, направляемое опытом».

«Вот, скажем, чудесная концепция целостного взгляда на природу, согласно которой те же понятия, что влияют на человеческую жизнь, – любовь, ненависть, справедливость и прочие – неким образом приложимы и к неодушевленному миру, эта всеохватная картина природы, представленная астрологией (творящееся в небесах напрямую связано с тем, что происходит с людьми), считалась очень красивой, поскольку была единой теорией всего. Но мы поняли, что от нее нужно отказаться. Мы больше не ищем человеческие ценности в законах природы. Не говорим о величавых элементарных частицах или о рассеянии в ядерных реакциях, происходящем, дабы достичь некоего “справедливого” результата – в духе Анаксимандра».

«Наше чувство прекрасного изменилось. И, как я объяснял в своей книге, красота, которую мы ищем сегодня – не в искусстве, не в интерьере (или коневодстве), а в физических теориях, – это красота жесткости. Нам бы хотелось теорий, которые, насколько это только возможно, нельзя изменить, не вызвав тем самым каких-то невероятностей вроде математических несообразностей».

«Например, в нынешней Стандартной модели элементарных частиц у нас есть шесть типов кварков и шесть типов лептонов[60]. То есть их поровну. Вы могли бы сказать, что это очень красиво – соответствие один к одному. Но вот что тут действительно красиво: если бы соответствия один к одному не было, пропала бы математическая согласованность. В уравнениях возникла бы проблема – физики называют это «аномалией» – и непротиворечивость исчезла бы. В рамках общего формализма Стандартной модели мы должны иметь одинаковое количество кварков и лептонов».

«Мы находим это красивым потому, что, прежде всего, утоляется наша жажда объяснения. Зная, что есть шесть типов кварков, мы можем понять, почему лептонов тоже шесть типов. Но еще это тешит наши чувства: то, с чем мы имеем дело, почти непреложно. Теория, которая у нас есть, объясняет сама себя. Не полностью – мы не знаем, почему число именно шесть, а не четыре, двенадцать или любое другое четное, – но до некоторой степени она объясняет саму себя на языке математической согласованности. И это замечательно, поскольку сильно продвигает нас в объяснении мира (если использовать заголовок моей последней книги 71[61])».

Если коротко, говорит он, то мы настолько умнее теперь, чем они были тогда, потому что математика не дает нам делать расплывчатые или обоюдно противоречивые предположения. По его словам, физики-теоретики – это научные полубоги, все ближе подбирающиеся к своей мечте о конечной теории. О, как же мне хочется в это верить! Но я не могу. А раз уж утрата веры и привела меня сюда, я возражаю против идеи, что теория якобы сама себя объясняет.

«Но математическая согласованность кажется довольно слабым требованием, – говорю я. – Есть много вещей, которые математически согласованны, однако же не имеют никакого отношения к миру».

«Да, это верно, – говорит Вайнберг. – И я полагаю, что в итоге математическая согласованность не будет достаточно сильным требованием, чтобы выявить единственно возможную теорию. Думаю, в лучшем случае мы можем надеяться найти теорию, уникальную в том смысле, что она будет единственной математически согласованной теорией, которая к тому же будет богатой, с массой эффектов, и особенно – допускающей возможность возникновения жизни».

«Видите ли, – продолжает он, – я убежден в том, что вы правы: математической согласованности недостаточно, поскольку мы можем наизобретать теорий, которые будут, по нашему мнению, математически согласованны, но точно не будут описывать реальный мир. Мне нравится теория с одной-единственной частицей, которая ни с чем не взаимодействует, сидит себе в пустом пространстве, и ничего с ней никогда не происходит. Эта теория математически согласованна, но не слишком-то интересна и богата. И может, реальным миром правит единственная математически согласованная теория, которая допускает существование яркого мира, множества явлений, богатой истории. Но мы очень далеко от того, чтобы прийти к такому заключению».

Представьте, что нам это удалось. Вообразите: физики-теоретики доказали, что есть только один, исчерпывающий закон природы, который мог создать нас. Наконец-то все обрело бы смысл: звезды и планеты, свет и тьма, жизнь и смерть. Мы познали бы причину всех до единой случайностей, осознали бы, что не могло быть иначе: не могло быть лучше, не могло быть хуже. Мы были бы на равных с природой, имели бы право взглянуть на Вселенную и сказать: «Я понимаю».

Это давняя мечта – отыскать смысл в том, что кажется бессмысленным. Но дело тут не только в обретении смысла. Случись такой прорыв – и физики-теоретики станут арбитрами истины. Вооруженные знанием того, как соблюдается естественный закон, они возьмутся и за другие науки, высвобождая открытия, до сих пор спрятанные от нас пеленой тайны. Физики-теоретики изменят мир. Станут героями. И наконец-таки смогут вычислить массу бозона Хиггса.

Я понимаю, в чем тут притягательность. Но не могу уразуметь, почему выведение единого закона природы – это нечто большее, нежели просто мечта. Вряд ли для того, чтобы к ней приблизиться, стоит использовать естественность в качестве ориентира. А какая есть альтернатива? Вайнберг выразил надежду, что существует единственная «математически согласованная теория, которая допускает существование яркого мира». Однако найти согласованную теорию, которая бы не противоречила наблюдениям, легко: просто используйте теорию, которая не дает предсказаний. Не может быть, чтобы он имел в виду это, думаю я. И говорю: «Тогда нужно, чтобы теория обладала неплохой предсказательной силой – чтобы служить источником параметров, необходимых для сложной атомной и ядерной физики».

«Не знаю, – говорит Вайнберг, пожимая плечами. – Возможно, верная теория допускает возникновение множества больших взрывов на ранней стадии развития Вселенной. В этих разных больших взрывах, происходящих одновременно, физические константы сильно различаются, и мы никогда не сумеем предсказать, какие они в других больших взрывах, изнутри нашего. Это все равно что пытаться предсказать расстояние от Солнца до Земли из чисто теоретических соображений. Очевидно, что существуют миллиарды планет и все они располагаются на разных расстояниях от своих звезд – на расстояниях, которые можно даже не надеяться предсказать. Не исключено, что больших взрывов вообще неограниченное количество. И значения физических констант в нашем Большом взрыве такие, какие просто случайно пришлись на него».

«Все это досужие домыслы, – добавляет Вайнберг. – Мы не знаем, правда ли хоть что-то из этого. Но как логическая возможность такой сценарий точно имеет право на существование. И есть физические теории, допускающие подобные сценарии».

Безграничные возможности

Вы – один из примерно семи миллиардов человек на этой планете. Наше Солнце – одна из примерно ста миллиардов звезд Млечного Пути. Млечный Путь – одна из примерно ста миллиардов галактик в нашей Вселенной[62]. Возможно, существуют и другие вселенные, все вместе составляющие «мультивселенную». Вы думаете, чего уж тут такого? А ведь на настоящий момент это самая спорная идея в физике.

Космолог Пол Стейнхардт называет идею мультивселенной «вычурной, неестественной, непроверяемой и, наконец, опасной для науки и общества»72. По словам Пола Дэвиса, это «лишь безыскусный деизм, обряженный в одежды научного языка»73. Джордж Эллис предостерегает, что «сторонники мультивселенной… неявным образом переопределяют понимаемое под словом “наука”»74. Дэвид Гросс считает, что «тут попахивает ангелами»75. С точки зрения Нила Турока, это «полнейшая катастрофа»76. Популяризатор науки Джон Хорган сетует, что «теории о мультивселенной не есть теории – это научная фантастика, теология, построения, созданные воображением и не стесненные доказательствами»77.

Противоположной точки зрения в этом споре придерживается, например, Леонард Сасскинд: он находит «волнующей мысль, что Вселенная, возможно, гораздо больше, богаче и разнообразнее, чем мы когда-либо думали»78. Бернард Карр полагает, что «понятие мультивселенной подразумевает новое понимание природы науки, поэтому неудивительно, что это вызывает интеллектуальный дискомфорт»79. Макс Тегмарк утверждает, что противники мультивселенной «эмоционально предубеждены против смещения всех нас из центра внимания»80. А Том Зигфрид думает, что критика идеи о мультивселенной «того же рода, как и та, что заставила некоторых ученых и философов XIX века отрицать существование атомов»81. Ух.

Так в чем же проблема? Да в том, что, как научил нас Эйнштейн, путешествовать сквозь пространство быстрее света ничто не может. Значит, в каждый конкретный момент скорость света ограничивает то, насколько далеко мы можем видеть, – этот предел называется «космологическим горизонтом». Любой переносчик, кроме света, будет медленнее или – в случае самой гравитации – таким же быстрым, как свет. Следовательно, если какой-либо объект находится настолько далеко, что свет от него еще не сумел до нас добраться, то мы не вправе утверждать, что этот объект вообще там где-то есть.

Но, хотя ничто не в силах двигаться в пространстве быстрее света, само пространство подобных пределов не знает. Оно может расширяться, что и делает в мультивселенной, быстрее света, а потому есть области, свет от которых никогда нас не достигнет. В мультивселенной все остальные вселенные располагаются в таких вот областях и поэтому причинно не связаны с нами. Недосягаемы вовек. Стало быть, говорят противники мультивселенной, вы никогда не сможете подвергнуть ее каким-либо измерениям, а значит, она не относится к сфере науки.

В ответ защитники мультивселенной заявляют: если теория имеет элементы, не поддающиеся наблюдению, это еще не означает, что она не может давать предсказаний. С тех пор как зародилась квантовая механика, мы знаем: неверно требовать, чтобы все математические структуры теории напрямую соотносились с наблюдаемыми величинами. Например, волновая функция сама по себе неизмерима – измеримо лишь распределение вероятностей, получаемое из волновой функции. Нужно сказать, что не все довольны таким положением вещей. Однако же все мы согласны с тем, что квантовая механика тем не менее крайне успешна.

Насколько охотно физики принимают ненаблюдаемые элементы теории в качестве необходимых, зависит от того, насколько они верят в эту теорию и надеются, что она приведет к еще более глубоким прозрениям. Но нет ничего априорно ненаучного в теории, содержащей ненаблюдаемые элементы.

Извлечь предсказания из теории о мультивселенной возможно – несмотря на то, что бо́льшая ее часть ненаблюдаема, – если исследовать вероятность того, что в одной из вселенных мультивселенной законы природы походят на наши. Мы бы тогда все равно не смогли вывести фундаментальные законы природы в нашей Вселенной, но все же смогли бы сделать вывод, какие законы мы бы с большей вероятностью наблюдали. А это, утверждают сторонники идеи, лучшее, что мы можем. Это смена парадигмы, сдвиг в представлении о том, каким должно быть утверждение, чтобы вообще считаться научным. Если вы с этим не согласны, если не принимаете новую науку, значит, вы препятствуете прогрессу и безнадежно отстали – ископаемые остатки, готовые погрузиться навеки в ил.

Вы не можете вычислить никаких вероятностей в мультивселенной, возражают противники идеи, поскольку есть бесконечно много возможностей для всех этих вероятностей, а вы не можете достоверно сравнить одни бесконечности с другими. Это возможно, но вам нужна тогда математическая схема – распределение вероятностей, или «мера», – которая говорила бы вам, как укротить бесконечности. И откуда же возьмется это распределение вероятностей? Чтобы получить его, вам нужна другая теория. А на этом этапе почему бы не попытаться отыскать теорию, которая вообще не порождает все эти ненаблюдаемые вселенные?

Это не вариант, отвечают защитники идеи. Если мы живем в наилучшем из всех возможных миров, то что же насчет остальных возможных миров? Нельзя их просто игнорировать. Не мы это заварили, говорят сторонники мультивселенной, наши теории заставляют нас с этим смириться. Это не мы сами – математика вынудила нас. А математика не врет. Мы просто-напросто стараемся быть объективными, хорошими учеными, говорят они. Если вы противитесь, то это чистое отпирательство, вы просто отказываетесь принять не нравящиеся вам логические следствия.

И так продолжается уже два десятилетия.

* * *

У нас нет оснований считать, что Вселенная заканчивается за космологическим горизонтом и завтра мы обнаружим, что нет больше галактик, кроме тех, что мы способны увидеть сегодня. Но как далеко простирается россыпь галактик, похожих на те, что нас окружают, никто не знает – и никто не может знать. Мы даже не знаем, бесконечно ли пространство или в конце концов замыкается само на себя, делая Вселенную конечной, замкнутой, с радиусом гораздо большим, чем мы сейчас видим.

Такое продолжение Вселенной в известном нам виде непротиворечиво, и не это обычно понимается под «мультивселенной». А вот та самая мультивселенная содержит области, нисколько не похожие на все, что мы наблюдаем вокруг себя. И есть несколько типов подобных мультивселенных, которые физики-теоретики сегодня считают логическими следствиями своих теорий.

1. Бесконечная инфляция

Наши знания о ранней Вселенной ограниченны, поскольку мы мало знаем о веществе при температурах и плотностях, превышающих те, что мы до сих пор способны были исследовать. Правда, мы можем экстраполировать свои теории – Стандартную модель и согласованную космологическую, – предполагая, что они продолжают работать точно так же. И если мы экстраполируем поведение вещества на все более ранние времена, то должны экстраполировать вместе с тем и поведение пространства-времени.

Согласно наиболее распространенному на сегодняшний день сценарию экстраполяции в прошлое, Вселенная когда-то прошла через быструю фазу расширения, известную как «инфляция». Инфляция вызывается особым, новым полем – инфлатонным, – чей эффект выражается в ускорении расширения Вселенной. Инфлатонное поле раздувает Вселенную подобно темной энергии, только куда быстрее. Когда инфляция прекращается, энергия поля переходит в частицы Стандартной модели и темную материю. А дальше история Вселенной продолжает развиваться так, как мы обсуждали в четвертой главе.

В пользу инфляции есть некоторые свидетельства, но не исчерпывающие. Тем не менее физики продолжили эту экстраполяцию еще дальше – до так называемой бесконечной инфляции. Согласно этой теории, наша родная Вселенная – всего лишь лоскуток в гораздо большем (на самом деле бесконечно большом) пространстве, которое раздувается и будет раздуваться вечно. Но поскольку инфлатонное поле подвержено квантовым флуктуациям, могут возникать пузыри, где инфляция заканчивается, и если такой пузырь станет достаточно крупным, в нем могут сформироваться галактики. Наша Вселенная содержится в таком вот пузыре. Снаружи нашего пузыря пространство все еще расширяется, а случайно возникающие квантовые флуктуации порождают и другие пузыри-вселенные – и так вечно. Все эти пузыри составляют мультивселенную. Если предположить, что эта теория верна, говорят защитники мультивселенной, значит, иные вселенные должны быть столь же реальны, как и наша.

Идее вечной инфляции почти столько же лет, как и идее инфляции вообще, – она возникла как непреднамеренный побочный результат первых инфляционных моделей в 1983 году[63]. Но бесконечная инфляция привлекала мало внимания вплоть до середины 1990-х годов, когда специалисты по теории струн нашли ей применение. Сегодня большинство исследуемых инфляционных моделей приводят к возникновению мультивселенной, хотя и не все^82.

В мультивселенной, возникающей в теории вечной инфляции, при бесконечной повторяемости, обеспеченной квантовыми флуктуациями, все, что может произойти, рано или поздно произойдет. Теория бесконечной инфляции, таким образом, подразумевает, что существуют вселенные, в которых история человечества разыгрывается по какому угодно сценарию, согласующемуся с законами природы. В некоторых из таких вселенных вам казалось бы это логичным.

2. Ландшафт теории струн

Специалисты по теории струн надеялись открыть теорию всего, которая содержала бы в себе и Стандартную модель, и общую теорию относительности. Но с конца 1980-х годов становилось все очевиднее, что теория струн не может предсказать, какие частицы, поля и параметры имеются в нашей Стандартной модели. Вместо этого теория струн обуславливает целый ландшафт возможностей. Каждая точка этого ландшафта соответствует своей особой версии теории – со своими особыми частицами, параметрами и законами природы.

Если предположить, что теория струн – окончательная теория, то упомянутое отсутствие прогнозируемости является серьезной проблемой: оно означает, что теория не в состоянии объяснить, почему мы наблюдаем эту конкретную вселенную. Следовательно, чтобы увязать утверждение об окончательности теории с отсутствием прогнозируемости, специалистам по теории струн пришлось допустить, что любая возможная вселенная этого ландшафта имеет точно такие же права на существование, как и наша. Стало быть, мы живем в мультивселенной. Ландшафт теории струн благополучно слился с бесконечной инфляцией.

3. Множественные миры

Многомировая интерпретация – это вариант квантовой механики (подробнее обсудим его в шестой главе). Согласно этой интерпретации, реализуется не один из исходов, для которых квантовая механика предсказывает вероятности реализоваться, а все исходы разом, каждый в своей собственной вселенной. Мы получаем такую картину реальности, отбросив предположение, будто процесс измерения в квантовой механике вычленяет один конкретный исход. Опять-таки мы видим, что это ставка на математику вкупе со стремлением к упрощению приводит к множественным вселенным.

Множественные миры квантовой механики отличаются от различных вселенных ландшафта теории струн, поскольку существование многих миров не обязательно подразумевает изменение типов частиц от одной вселенной к другой. Однако возможно объединить эти разные мультивселенные в одну побольше 83.

4. Математическая вселенная

Идея математической вселенной доводит утверждение об окончательности теории до крайности. Раз любая теория, объясняющая нашу Вселенную, требует выбора некоей математики среди всех возможных математик, то абсолютно окончательная теория не может оправдать ни один конкретный выбор, ведь тогда понадобилась бы еще одна теория, чтобы объяснить его. А значит, напрашивается логический вывод: единственная окончательная теория есть та, в которой существуют все математики, создавая мультивселенную, где квадратный корень из –1 столь же реален, как вы и я.

Идея математической вселенной, в которой существуют все эти математически возможные структуры, была предложена Максом Тегмарком в 2007 году 84. Математическая вселенная вбирает в себя все другие мультивселенные. Хотя она и пользуется некоторой популярностью среди философов, большинство физиков обошли ее вниманием.

Из-за этого перечня у вас может создаться впечатление, будто мультивселенная – это что-то новое, но единственно новое здесь то, как упорно физики верят в ее реальность. Поскольку всякая теория нуждается в наблюдательных входных данных, чтобы определить параметры или подобрать аксиомы, любая теория приводит к мультивселенной, когда входных данных нет. Вы могли бы сказать мне: «Что ж, все эти возможные варианты выбора должны существовать, а значит, они составляют мультивселенную». Если цель – теория, которая может объяснить все из ничего, то предсказания этой теории должны в итоге стать неопределенными – и тогда мультивселенная неминуема.

Ньютон, допустим, мог бы просто отказаться измерять гравитационную постоянную и вместо этого заявить, что, мол, на каждое возможное ее значение должно быть по вселенной[64]. Эйнштейн мог бы рассудить, что все решения уравнений общей теории относительности должны существовать где-то в мультивселенной. Вы можете создать мультивселенную для любой теории – стоит лишь отбросить достаточное количество допущений или отринуть привязку к наблюдениям.

Увлечение мультивселенными возникло потому, что некоторые физики более не довольствуются теориями, объясняющими наблюдения. Пытаясь прыгнуть выше собственной головы, они избавляются от слишком многих допущений, а затем делают вывод, что мы живем в мультивселенной, поскольку больше ничего не могут объяснить.

Но может, я просто древняя окаменелость, покоиться бы которой в осадочных породах…

Цель науки – объяснять наблюдаемое в природе. Однако предсказаниям теории, для того чтобы проклюнуться, иногда требуется долгий инкубационный период. А стало быть, утверждаю я, серьезное отношение к мультивселенным вместо обращения с ними как с математическими артефактами, коими, думаю, они и являются, может в конце концов привести к новым открытиям. Вопрос, таким образом, сводится к следующему: насколько вероятно, что такой подход даст новые знания? И это возвращает меня к исходной проблеме, из-за которой я и отправилась в путешествие длиною в книгу: как мы оцениваем перспективы теории, в пользу которой нет никаких эмпирических данных?

Не все варианты мультивселенной абсолютно непроверяемы. Согласно теории бесконечной инфляции, например, наша Вселенная в прошлом могла столкнуться с другой вселенной, а такое «столкновение пузырей» оставило бы в реликтовом излучении измеримый след. Его искали и не нашли. Это не сбрасывает со счетов мультивселенную, но исключает существование в прошлом подобного столкновения.

Другие физики утверждают, что некоторые варианты мультивселенной могли породить особую россыпь маленьких черных дыр в нашей Вселенной, что имело бы последствия, которые мы вскоре сможем наблюдать 85. А несбывающееся предсказание теории о мультивселенной попросту означает, что нам нужно распределение вероятностей, которое сделало бы ненаблюдаемый феномен маловероятным, – так что давайте искать работающее распределение. Такой подход к космологии столь же многообещающий, как попытка постичь «Войну и мир», выкидывая все остальные книги. Но, отдадим должное этим ученым, они хотя бы пытаются.

Имеющиеся предсказания демонстрируют, что мультивселенная в принципе поддается экспериментальной проверке, но осуществима эта проверка только для отдельно взятых сценариев. Преобладающее большинство идей, касающихся мультивселенной, на настоящий момент непроверяемы – и останутся таковыми навсегда.

Лишенные этой возможности проворачивать колесо науки, некоторые физики-теоретики изобрели свой собственный метод оценивать теории – заключение пари. Космолог Мартин Рис поставил свою собаку на то, что мультивселенная существует, Андрей Линде – собственную жизнь, а Стивен Вайнберг «уверен в мультивселенной в достаточной степени, чтобы ручаться за нее жизнями и Андрея Линде, и собаки Мартина Риса»86.

Космический покер

Мультивселенная приобрела популярность, тогда как естественность впала в немилость, и теперь физики преподносят одну идею как альтернативу другой. Утверждается, что коль скоро у нас не получается найти числу естественное объяснение, то никакого объяснения и нет. Просто выбирать значение параметра – слишком некрасиво. Следовательно, если параметр неестественен, то он тогда может принимать любые значения, а для каждого возможного значения имеется своя вселенная. Что приводит к странному выводу: если мы не видим суперсимметричных частиц в Большом адронном коллайдере, значит, мы живем в мультивселенной.

Неужели вот в это выродилась некогда достойная почитания профессия? Раньше физики-теоретики объясняли то, что дают наблюдения. Сейчас они тщатся объяснить, почему не в силах объяснить то, чего наблюдения не дают. И ведь у них и это толком не получается! В мультивселенной вы не можете объяснить значения параметров – разве что оценить вероятность их возникновения. Но есть множество способов не объяснять что-либо.

«Итак, – спрашиваю я Вайнберга, – в случае, если мы действительно обитаем в мультивселенной, вот это требование, чтобы теория была достаточно интересной или порождала достаточно интересную физику, не бессмысленно ли оно? Вы могли бы делать то же самое с любой теорией, не предсказывающей параметры».

«Предсказывать какие-то вещи все же нужно, – отвечает Вайнберг. – Даже если вы не предсказываете параметры, вы можете предсказывать корреляции между ними. Или предсказывать параметры в рамках некоей теории, вроде Стандартной модели, но более эффективной, которая непосредственно сообщает вам массу электрона и так далее, и тогда на вопрос “Почему эта теория верна?” вы ответите: “Это максимум, куда мы сумели добраться, двигаться дальше мы уже не можем”».

Он продолжает: «Я бы не спешил устанавливать четкие требования, какой должна быть хорошая теория. Но я точно могу вам сказать, какой должна быть теория лучше Стандартной модели. Она должна сделать неизбежным наличие именно шести, а не восьми или четырех кварков и лептонов. В Стандартной модели много всего кажется произволом, а более удачная теория сделает эти вещи менее произвольными или непроизвольными вовсе».

«Но мы не знаем, как далеко можем идти в этом направлении. Я не знаю, насколько физика элементарных частиц способна улучшить нынешнюю ситуацию. Просто не знаю. Думаю, важно пробовать и продолжать ставить эксперименты, продолжать строить крупные экспериментальные установки… Но где все закончится, мне неведомо. Надеюсь, все не остановится как раз там, где мы сейчас. Не кажется мне это всецело удовлетворительным».

«Последние данные с Большого адронного коллайдера изменили ваше мнение о том, как выглядит эта лучшая теория?» – спрашиваю я.

«К сожалению, нет, – отвечает Вайнберг. – Большое разочарование. Есть некоторый намек[65] на то, что на энергиях в шесть раз выше, чем масса хиггсовской частицы, может работать какая-то новая физика. Было бы чудесно. Но мы надеялись, что Большой адронный коллайдер вскроет что-то по-настоящему новое. Не просто продолжит подтверждать Стандартную модель, а обнаружит признаки темной материи, или суперсимметрии, или чего-то еще – того, что подтолкнет нас к следующему большому шагу в фундаментальной физике. А этого не произошло».

«Насколько я понимаю, – говорю я, – в большой степени эта надежда, что Большой адронный коллайдер обнаружит нечто новое, основывалась на аргументах о естественности: чтобы масса хиггсовского бозона была естественной, должна быть и новая физика в этом диапазоне энергий».

«Я не принимаю всерьез никакие негативные выводы, согласно которым тот факт, что Большой адронный коллайдер не увидел ничего за Стандартной моделью, якобы демонстрирует, что и нет ничего такого, что решит проблемы с естественностью. Мы можем лишь исключить из рассмотрения конкретные теории, а у нас нет ни одной конкретной теории, достаточно интересной, чтобы, опровергнув ее, можно было сказать: действительно что-то сделано. Суперсимметрия не была опровергнута, поскольку ее предсказания слишком неопределенны».

«Как вы считаете, если фундаментальная теория существует, она должна быть естественной?» – осведомляюсь я.

«Да, если бы она не была естественной, то не интересовала бы нас, – отвечает Вайнберг. – Говоря, что эта теория должна быть естественной, я не имею в виду некое техническое определение естественности, которое используют некоторые теоретики физики элементарных частиц, пытающиеся накладывать ограничения на существующие теории. Под естественностью я понимаю отсутствие совершенно неожиданных равенств и чудовищных соотношений».

Он ненадолго умолкает, а затем продолжает: «Но возможно, я поторопился, когда сказал, что успешная теория должна быть естественной, потому что какие-то вещи она может оставлять без объяснения: они должны быть чисто средовыми в мультивселенной, где имеется много разных вселенных. Вот как астрономы раньше думали, что успешная теория о строении Солнечной системы должна быть такой, в рамках которой расположение Меркурия, Марса и Венеры на своих местах будет естественным. И Кеплер пытался построить такую теорию, основываясь на геометрическом образе из правильных многогранников».

«Но теперь-то мы знаем, что искать такую теорию не нужно, поскольку нет ничего естественного в расстояниях от Солнца до планет: эти расстояния такие, какие есть, в силу исторических случайностей». Впрочем, добавляет Вайнберг, есть факты «вроде того, что период обращения Меркурия вокруг своей оси равен двум третям его периода обращения вокруг Солнца. Это число объясняется приливными силами, действующими на Меркурий со стороны Солнца».

«Таким образом, кое-что может быть объяснено. Но в целом то, что вы видите в Солнечной системе, есть лишь историческая случайность. И поиски того естественного объяснения, на которое уповали астрономы, в том числе Кеплер, а до него Птолемей, приходится оставить. Солнечная система такая, какая есть». После паузы он продолжает: «Надеюсь, с массой электрона все будет иначе».

«Так естественность – оставляем за скобками техническое определение – означает, что нет необъяснимых параметров?» – задаю я вопрос.

«Есть вещи, просто напрашивающиеся на объяснение, – говорит Вайнберг. – Как соотношение 2:1 или разница между двумя величинами на 15 порядков. Встречая подобные вещи, вы чувствуете, что обязаны их объяснить. А естественность лишь означает, что теория располагает объяснениями подобных вещей – они не просто введены ради соответствия эксперименту».

«Тут играет роль еще и опыт?» – уточняю я.

«О да, – отвечает Вайнберг. – Есть вещи, которым вы ожидаете найти естественное объяснение, а есть те, которым не ожидаете».

Он приводит пример: «Представьте, что вы играете в покер и у вас три раза подряд роял-флеш. Вы ведь наверняка подумаете: “Так-так, этому должно быть объяснение, дилер явно пытается что-то провернуть”. Но если у вас в трех раздачах комбинации, которые большинство из нас сочли бы случайными, – король пик, две бубновые карты и прочее – и все три отличаются друг от друга, то в этом нет ничего особенного, среди них нет выигрышных, вам бы не пришло в голову искать какое-то объяснение. В этом случае нам не требуется естественного объяснения, комбинации у вас на руках ничем не выделяются, они такие же, как и любые другие. Разумеется, и роял-флеш так же вероятен или невероятен, как и любая другая комбинация, но все-таки есть что-то, требующее объяснения, в роял-флеше, если он оказывается у вас три раза подряд».

В игре Вайнберга карты – это законы природы, а точнее параметры в законах, используемые нами сегодня. Но в эту игру мы никогда прежде не играли, не могли сыграть. Мы оказались с набором карт на руках, не ведая, почему и кто их нам выдал. Мы понятия не имеем, с какой вероятностью нам мог достаться роял-флеш законов природы и есть ли в нем что-то особенное. Мы не знаем правил игры – не знаем и шансов.

«Это зависит от распределения вероятностей», – говорю я, пытаясь объяснить мою дилемму: любое подобное утверждение по поводу вероятия законов природы требует еще и другого закона – для этого самого вероятия. И с точки зрения простоты предпочтительнее будет как раз теория с заданным параметром, а не распределение вероятностей для этого параметра по мультивселенной.

«Ну, – отвечает Вайнберг, – вероятность получить двойку треф, пятерку бубен, семерку червей, восьмерку червей и червонного валета – эту конкретную комбинацию – точно такая же, как вероятность получить туза, короля, даму, валета и десятку пик. Обе комбинации имеют равные вероятности».

Пытаясь подобрать метафору для распределения вероятностей из области покера, я замечаю: «При условии, что дилер не мухлюет». Но антропоморфический пример меня беспокоит. Я не могу отделаться от ощущения, словно мы взаправду тщимся угадать правила, по которым играет Бог, дабы убедиться, что законы природы были выбраны честным образом, – в надежде, что Бог допустил ошибку и мы заслуживаем вселенной с глюино меньшей массы.

«Согласен, – отвечает Вайнберг на мое замечание, продолжая развивать метафору с покером. – Но из-за значения, которое мы придаем различным комбинациям карт, – одна выигрышная, а другая нет, поскольку таковы правила покера, – вы начинаете отмечать, когда кто-то из игроков за одним столом с вами получает роял-флеш, так же как не обращаете внимания, если соперник получает какую-то совершенно ординарную комбинацию, которая вообще-то так же маловероятна, как и роял-флеш. Все дело в том, какое значение люди приписывают роял-флешу, говоря: “Ага, вот выигрышные карты”. Тогда он и привлекает ваше внимание».

Верно, это из-за приписываемых нами же значений совпадения привлекают наше внимание, как в случае с объединением констант взаимодействий или с кусочком хлеба, выстреливающим из тостера с изображением Девы Марии. Но я никак не возьму в толк, почему такое приписывание значений пригодно при разработке теорий лучше имеющихся.

«Я использую этот пример, чтобы с вами согласиться, – говорит, к моему недоумению, Вайнберг. – Если бы вы ничего не знали о правилах игры в покер, то и не поняли бы, что было нечто особенное в роял-флеше по сравнению с любой другой комбинацией карт. Именно потому, что мы знаем правила покера, некоторые комбинации кажутся нам особенными. Дело здесь в ценности опыта».

«Но у нас ведь нет никакого опыта игры в космический покер!» – думаю я расстроенно, так и не поняв, какое отношение все это имеет к науке. Мы никак не можем знать, насколько наблюдаемые нами законы природы вероятны или невероятны, – у нас нет распределения вероятностей. Чтобы иметь возможность определить, что законы природы маловероятны, нам требуется другая теория, а откуда же эта теория возьмется?[66] Если Вайнберг, которого я считаю величайшим физиком современности, не может сказать мне этого, тогда кто сможет? И я снова спрашиваю: «И что же мы знаем о распределении вероятностей для этих параметров?»

«Ну, тут нужна теория, чтобы их вычислить».

Вот именно.

* * *

Чтобы вычислить вероятности в мультивселенной, нам нужно принять в расчет, что в нашей Вселенной существует жизнь. Звучит банально, однако не всякий возможный закон природы создает достаточно сложные структуры, а следовательно, надлежащий закон должен удовлетворять особым требованиям – например, порождать стабильные атомы или что-то подобное атомам. Это требование известно как «антропный принцип».

Антропный принцип обыкновенно не приводит к точным выводам, но в контексте конкретной теории позволяет нам оценить, какие значения вообще могут принимать параметры теории, чтобы оставаться совместимыми с наблюдением, что жизнь существует. Это похоже на ситуацию, когда вы видите, как кто-то идет по улице со стаканчиком из «Старбакса», и заключаете, что условия в этой части города должны допускать возникновение старбаксовских стаканчиков. Вы можете сделать вывод, что ближайший «Старбакс» находится в радиусе одной мили, а может, и пяти, но, по всей видимости, на расстоянии не дальше ста миль. Не слишком точная оценка и, пожалуй, не то чтобы безумно интересная, но все-таки она говорит вам кое-что о вашем окружении.

Хотя антропный принцип может поразить вас некоей нелепостью и заведомой истинностью, он бывает полезен, чтобы исключить некоторые значения определенных параметров. Скажем, когда я вижу, что вы ежедневно приезжаете на работу на машине, я вправе заключить, что вам достаточно лет для того, чтобы иметь водительские права. Вы, конечно, еще можете упорно нарушать законы, но Вселенная-то – нет.

Должна, правда, предупредить вас: отсылка к «жизни» в связи с антропным принципом или тонкой настройкой – это обычное, но излишнее словесное украшение. Физикам не очень-то есть дело до области науки, которая связана с мыслящими, обладающими самосознанием существами. Физики подразумевают формирование галактик, образование звезд, стабильность атомов (необходимое условие для развития биохимических процессов). Так что не стоит ожидать даже обсуждения больших молекул. Разговоры о «жизни» по понятным причинам выглядят привлекательнее, но за ними больше действительно ничего не стоит.

Первым успешно применил антропный принцип Фред Хойл в 1954 году: он предсказал свойства ядра углерода, необходимые для того, чтобы в недрах звезд мог сформироваться углерод. Эти свойства позднее были действительно открыты – какими и были предсказаны 87. Хойл, как утверждается, учел, что углерод составляет основу жизни на Земле, а значит, звезды должны уметь его производить. Некоторые историки науки сомневаются, так ли на самом деле рассуждал Хойл, но сам факт, что так могло быть, показывает, как аргументация, основанная на антропном принципе, способна приводить к дельным выводам 88.

Антропный принцип, таким образом, служит ограничением, накладываемым на наши теории, которое обеспечивает согласованность с наблюдениями. Он верен независимо от того, существует или нет мультивселенная, и независимо от объяснения, стоящего за значениями параметров в наших теориях, – если таковое есть.

Причина, по которой антропный принцип частенько упоминается сторонниками идеи о мультивселенной, состоит в том, что они утверждают, будто это единственное объяснение и нет иных обоснований, устанавливающих наблюдаемые нами параметры. Но тогда ведь нужно показать, что значения, которые мы наблюдаем, действительно единственные (или по крайней мере высоковероятны), если требуется, чтобы жизнь была возможна. А это крайне спорно.

Типичное заявление, что антропный принцип якобы объясняет значения параметров в мультивселенной, выглядит так: если бы параметр x был хоть чуточку больше или меньше, нас бы не существовало. Есть горстка примеров, когда это так, – скажем, в случае с сильным ядерным взаимодействием. Будь оно слабее, крупные атомы не смогли бы сохранять свою целостность, а будь оно сильнее, звезды сгорали бы слишком быстро 89. Проблема с подобными аргументами в том, что небольшие вариации одного из двух десятков параметров не учитывают большого количества возможных комбинаций. На самом деле, чтобы иметь возможность заключить, что есть лишь одна комбинация, допускающая существование жизни, пришлось бы рассматривать независимые изменения всех параметров. Но в настоящее время такие расчеты неосуществимы.

Хотя прямо сейчас мы и не в состоянии просканировать все параметрическое пространство, чтобы выяснить, какие комбинации могут поддерживать жизнь, мы в силах по меньшей мере опробовать некоторые. И это было сделано. Поэтому-то мы теперь считаем, что есть более одной комбинации параметров, создающей вселенную, пригодную для жизни.

Например, в статье под названием «Вселенная без слабых взаимодействий» Рони Харник, Грэм Крибс и Гилад Перес описали вселенную, которая кажется способной создать предварительные условия для возникновения жизни, но при этом имеет совсем не такие фундаментальные частицы, как у нас 90. В 2013 году Авраам Лёб из Гарварда заявил, что в ранней Вселенной могла быть возможна примитивная форма жизни 91. А недавно Фред Адамс и Эван Грос продемонстрировали, что, если мы поварьируем в наших теориях несколько параметров разом, у звезд появятся способы производить углерод, отличные от механизма, предсказанного Хойлом, – просто эти иные варианты противоречат наблюдениям, о которых Хойл тогда уже знал 92.

Эти три примера показывают, что химия, достаточно сложная, чтобы поддерживать жизнь, может возникнуть при условиях, не имеющих ничего общего с теми, которым подвергаемся мы, а наша Вселенная не такая уж и особенная[67].

Тем не менее антропный принцип для некоего параметра все же может работать, если влияние этого параметра почти независимо от влияния остальных. То есть, даже если мы не вправе применять антропный принцип, чтобы объяснить значения всех параметров, поскольку знаем, что есть другие комбинации, допускающие предварительные условия для возникновения жизни, определенные параметры, возможно, должны иметь одинаковое значение во всех случаях, ибо их влияние универсально. Часто космологическую постоянную считают таковой[68]. Если она слишком большая, вселенная либо разорвет в клочья все структуры, что в ней есть, либо схлопнется обратно, прежде чем звезды получат шанс сформироваться (это зависит от знака постоянной).

Но все равно: если мы хотим получить вероятность, а не ограничение, нам нужно распределение вероятностей для возможных теорий, и это распределение не может исходить из самих теорий – оно требует дополнительной математической структуры, метатеории, которая говорит вам, насколько каждая теория вероятна. Проблема та же, что и с естественностью: попытка избавиться от человеческого выбора просто смещает выбор куда-то еще. И в обоих случаях приходится добавлять лишние допущения – здесь это распределение вероятностей, – которых можно было бы избежать, всего лишь используя простой заданный параметр.

* * *

Самое знаменитое предсказание, основанное на идее о мультивселенной, связано с космологической постоянной, и сделано оно было не кем иным, как Стивеном Вайнбергом 93. Предсказание датируется 1997 годом, когда специалисты по теории струн только-только осознали, что не могут избежать появления мультивселенной в своей теории. Статья Вайнберга существенно повлияла на признание мультивселенной научной идеей.

«Вместе с двумя коллегами с факультета астрономии, Полом Шапиро и Хьюго Мартелом, несколько лет тому назад мы написали статью, – рассказывает Вайнберг. – Мы сосредоточили свое внимание на конкретной константе, космологической постоянной, которая в последние годы[69] была измерена благодаря своему влиянию на расширение Вселенной».

«Мы предположили, что распределение вероятностей совершенно равномерно – все значения космологической постоянной равновероятны. Затем сказали себе: “То, что мы видим, на самом деле искажено, поскольку должно быть значение, допускающее развитие жизни. Так какое же оно, это искаженное распределение вероятностей?” И мы вычислили кривую распределения и задались вопросом: “Где максимум? Какое значение наиболее вероятно?” Наиболее вероятное значение оказалось довольно близким к значению космологической постоянной, измеренному годом позже»[70].

«Так, – объясняет Вайнберг, – если бы вы имели фундаментальную теорию, предсказывающую множество отдельных больших взрывов с различными значениями темной энергии и истинным распределением вероятностей для космологической постоянной, которое было бы равномерным – не делающим различий между значениями, – вы могли бы сказать: что живые существа ожидали бы увидеть – есть в точности то, что они и видят».

Или, думаю я, вы могли бы сказать, что мультивселенная есть лишь математический инструмент. Как те внутренние пространства. Действительно ли они реальны – вопрос, который мы можем оставить философам.

Я некоторое время обдумываю эту мысль, но так и не понимаю, почему угадывание распределения вероятностей для параметра хоть чем-то лучше угадывания самого параметра. Не считая, конечно, того, что вы можете опубликовать первый результат угадывания, поскольку там замешаны хоть какие-то вычисления, тогда как второй уж очевидно ненаучный.

«Должен сказать, что мы разговариваем уже полчаса и у меня садится голос, – говорит Стивен Вайнберг, откашливаясь. – Думаю, я осветил едва ли не все, что хотел. Мы можем прерваться?»

В подобной ситуации благовоспитанность велит поблагодарить и удалиться.

Эмансипированный диссонанс

Не могу сказать, что я фанат двенадцатитоновой музыки. Правда, я и не слишком-то много ее слушала. А вот кто может этим похвастаться – так это музыкальный критик Энтони Томмазини. В видео 2007 года для New York Times он рассказывает об «эмансипации диссонанса» в произведениях Арнольда Шёнберга, изобретателя двенадцатитоновой музыки 94. Эта новаторская разработка Шёнберга относится к 1920-м годам, и она пользовалась недолгой популярностью среди профессиональных музыкантов в 1970-х, но широко так и не прижилась.

«Шёнберг сильно расстроился бы, если бы вы думали о его музыке как о диссонантной в грубом, уничижительном, отрицательном смысле слова, – говорит Томмазини. – Он верил, что позволяет распуститься цветку полноценной жизни, богатства и сложности. <…> Вот, например, фортепианная пьеса из опуса 19, она крайне диссонантна, но легка и прекрасна». Он играет несколько тактов, а затем приводит другой пример. «Можно гармонизировать [эту тему] в до-мажоре, – Томмазини с очевидным неудовольствием демонстрирует, как именно, – но это так скучно в сравнении с тем, что делает Шёнберг». Томмазини возвращается к додекафоническому оригиналу. «Ах», – вздыхает он и берет следующий диссонансный аккорд. Для меня это звучит так, словно по клавишам прогулялась кошка.

Вероятно, если бы я почаще слушала двенадцатитоновую музыку, то перестала бы воспринимать ее как какофонию и, совсем как Томмазини, начала бы размышлять о ней как о «легкой» и «эмансипированной». Привлекательность музыки, как показали Восс и Кларк, до некоторой степени универсальна, что нашло свое отражение в не зависящих от конкретного стиля закономерностях, которые Восс и Кларк открыли. Другие исследователи обнаружили, что привлекательность музыки отчасти связана еще и с тем, что мы приучились слушать в детстве – это влияет на наше восприятие консонансных и диссонансных аккордов 95. Однако мы также ценим новизну. И профессионалы, зарабатывающие себе на жизнь продажей новых идей, пользуются возможностью развеять скуку привычного.

И в науке наше восприятие красоты и простоты отчасти универсально, а до некоторой степени связано с тем, к чему мы привыкли за время обучения. И совсем как в музыке, то, что мы воспринимаем в науке как предсказуемое и в то же время неожиданное, зависит от близости нашего знакомства со средой. Мы повышаем свою толерантность к новизне в процессе работы.

Действительно: чем больше я читаю о мультивселенной, тем интереснее она для меня становится. Я четко вижу, что это удивительно простой и однако же чреватый серьезными последствиями сдвиг в нашем восприятии собственной значимости в мире (или отсутствия таковой). Может, Тегмарк прав – у меня попросту эмоциональная предубежденность против всего лишь логического вывода. Мультивселенная – это воистину эмансипированная математика, позволяющая распуститься цветку полноценной жизни, богатства и сложности.

Не помешает, если еще и лауреат Нобелевской премии поддержит ее своим авторитетом.

ВКРАТЦЕ

• Физики-теоретики используют простоту, естественность и элегантность в качестве критериев при разработке теорий.

• Учитывая, что сейчас естественность вступила в противоречие с наблюдениями, многие физики считают, что единственной альтернативой «естественным» законам природы служит то, что мы живем в мультивселенной.

• Но и естественность, и мультивселенная требуют метатеории, которая позволяла бы вычислить вероятность того, что мы наблюдаем мир таким, каков он есть, – а это противоречит принципу простоты.

• Неясно, какую проблему естественность или мультивселенная вообще пытаются решить, ведь для того, чтобы объяснить наблюдения, не нужна ни одна, ни вторая.

• Не все считают мультивселенную красивой, а значит, восприятие красоты может меняться и меняется; популярность этих субъективных оценок нельзя объяснить только лишь красотой.

Глава 6

Непостижимая постижимость квантовой механики

В которой я раздумываю, какова разница между математикой и магией.

Всё великолепно, но все недовольны

Квантовая механика исключительно успешна. Она объясняет атомный мир и субатомный с высочайшей точностью. Мы проверяли ее вдоль и поперек – и не нашли никаких изъянов. Квантовая механика оказывалась верна, верна и еще раз верна. Но несмотря на это, а может, как раз поэтому, она никому не нравится. Мы попросту с ней свыклись[71].

В обзоре 2015 года в Nature Physics Санду Попеску назвал аксиомы квантовой механики «очень математическими», «физически малопонятными» и «гораздо менее естественными, интуитивными и “физическими”, чем аксиомы других теорий»96. Он выражает общее умонастроение. Сет Ллойд, известный своей работой над квантовыми вычислениями, согласен, что «квантовая механика совершенно контринтуитивна»97. И Стивен Вайнберг в своих лекциях предупреждает читателя, что «идеи квантовой механики серьезно отклоняются от обычных интуитивных представлений человека»98.

Дело не в том, что квантовая механика технически сложна – она не такая. Математика квантовой механики использует уравнения, для которых у нас есть простые техники решения, что резко контрастирует с уравнениями общей теории относительности – вот их-то страшно трудно решать. Нет, не в сложности дело, а в том, что квантовая механика кажется какой-то неправильной. Она возмущает.

Все начинается с волновой функции. Это математический объект, описывающий систему, с которой вы имеете дело. Волновую функцию часто называют состоянием системы, но – вот тут-то и кроется неприятность – саму по себе ее нельзя наблюдать ни в одном мыслимом эксперименте. Волновая функция чисто вспомогательна: с ее помощью мы вычисляем вероятности для измерения определенных наблюдаемых величин.

Это означает, однако, что после измерения волновая функция должна быть изменена таким образом, чтобы измеренное состояние приобрело вероятность, равную 1. Это изменение – иногда называемое «коллапсом» или «редукцией» – мгновенно: оно происходит одномоментно для всей волновой функции, независимо от того, насколько далеко та простиралась. Если волновая функция простиралась между двумя островами, измерение состояния на одном конце определяет вероятность на другом.

Это не какой-то мысленный эксперимент, его на самом деле провели.

Летом 2008 года группа Антона Цайлингера собралась на Канарских островах, чтобы установить мировой рекорд по дальности квантовой телепортации 99[72]. На острове Пальма они с помощью лазера сгенерировали 19 917 фотонных пар: в каждой из них суммарная поляризация равнялась нулю, но поляризация отдельных фотонов была неизвестна. Коллеги Цайлингера послали по одному фотону из каждой пары на приемник, находящийся на острове Тенерифе, за 144 километра. Другой фотон из каждой пары перемещался на 6 километров по оптоволоконному кабелю, свернутому в спираль, на острове Пальма. А затем экспериментаторы измеряли поляризацию на обоих концах.

Поскольку суммарная поляризация известна, измерение поляризации одного фотона из пары кое-что сообщает нам о поляризации второго. Как много оно нам сообщает, зависит от угла между направлениями, в которых измеряется поляризация в двух местах расположения детекторов (рис. 9). Если мы измеряем поляризацию в одном и том же направлении на обоих детекторах, то измерение поляризации одного фотона из пары раскроет нам поляризацию второго. Если же мы измеряем поляризацию в двух взаимно перпендикулярных направлениях, то тогда результат для одного фотона из пары не скажет ничего о втором. А при углах от 0 до 90° мы узнаем немножко, и вероятность того, что оба результата измерения совпадают, количественно выражает, сколько же именно мы узнаем.

Рис. 9. Схематический чертеж для эксперимента, обсуждаемого в тексте. Исходное состояние с суммарной поляризацией, равной нулю (пунктирный кружок), распадается на две частицы, поляризация которых тоже должна в сумме давать ноль. Затем экспериментатор измеряет поляризацию обеих частиц на двух детекторах (серые плоскости) в двух направлениях, повернутых друг относительно друга на некоторый угол.

Мы можем вычислить эту вероятность, не прибегая к квантовой механике: предположив, что частицы уже имели фиксированную поляризацию, когда были сгенерированы. Однако результат такого вычисления не согласуется с измерениями – он неверен. Для некоторых углов результаты измерения поляризации совпадают чаще, чем должны. Создается впечатление, что, хотя частицы и разделены 144 километрами, они связаны сильнее, чем может объяснить их общее происхождение. И только в том случае, когда мы производим вычисления с помощью квантовой механики, результат получается верным. Мы вынуждены заключить, что до измерения частицы не обладали ни одной поляризацией, ни другой – они обладали обеими поляризациями.

Эксперимент Цайлингера на Канарских островах не был ни первым, ни последним экспериментом, показавшим, что для корректного описания наблюдений мы должны принять тот факт, что частицы, за которыми не наблюдают, умеют находиться в двух разных состояниях одновременно. Хотя в том эксперименте и был установлен рекорд дальности (на то время), масса других экспериментов продемонстрировала то же самое: квантовая механика, может, и странная, но она верна. Как ни крути, отделаться от нее мы не в силах.

Особенно беспокоит то, что волновая функция попросту коллапсирует при измерении, ведь ни один другой процесс из известных нам не происходит мгновенно. Во всех остальных теориях связь между двумя местами подразумевает, что нечто должно переместиться из одной точки в другую со скоростью, меньшей скорости света. Это постепенное распространение с течением времени называют «локальностью», и оно согласуется с нашим повседневным опытом. Но квантовая механика обманывает наши ожидания, поскольку запутанные частицы связаны друг с другом нелокальным образом. Подвергните измерению одну из них – и другая узнает об этом мгновенно. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием»100.

Впрочем, нелокальность квантовой механики – штука тонкая, ведь запутанные частицы не обмениваются никакой информацией. Так как результаты измерений поляризации частиц из пары предсказать нельзя, не получится использовать запутанные частицы для передачи сообщений с одного конца на другой. В квантовой механике, так же как в неквантовой механике, информация не может быть передана быстрее скорости света. Все математически непротиворечиво. Просто… кажется странным.

Другая неприглядная особенность квантовой механики состоит в том, что, ссылаясь на измерения, ее аксиомы предполагают существование макроскопических объектов (детекторов, компьютеров, мозга и так далее), а это удар по редукционизму. Фундаментальная теория должна ведь объяснять появление макроскопического мира, а не исходить из его наличия в своих аксиомах.

Квантовые теории поля наследуют проблемы квантовой механики. Так что у Стандартной модели есть та же трудность с объяснением макроскопического мира.

Чтобы проиллюстрировать проблему, связанную с появлением макроскопического, неквантового мира, Эрвин Шрёдингер в 1935 году предложил нам представить себе кота, запертого в коробке. Внутри есть механизм, который, будучи приведен в действие распадом атома, высвобождает яд, убивающий кота. Атомный распад – процесс квантовый, так что если период полураспада атома равен, скажем, 10 минутам, то с вероятностью 50 % атом распадется в течение 10 минут. Но квантовая механика говорит нам, что до того, как мы произвели измерение, атом и не распался, и распался. Он находится в суперпозиции обеих опций. А что же кот Шрёдингера? Он одновременно жив и мертв и умирает или выживает только в тот момент, когда открывают коробку? Кажется каким-то абсурдом.

Это и есть абсурд. И существует веская причина, почему мы никогда не наблюдаем квантового поведения в повседневной жизни. Для крупных объектов – вроде котов, мозгов, компьютеров – квантово-типичные свойства исчезают чрезвычайно быстро. Такие объекты погружены в теплую и беспокойную окружающую среду, а непрекращающиеся взаимодействия смешивают квантовые связи между частями системы. Это смешивание – декогеренция – быстро превращает квантовые состояния в обычные распределения вероятностей, даже в отсутствие измерительных средств. Декогеренция как раз и объясняет, почему мы не наблюдаем суперпозиций для крупных объектов. Кот не жив и мертв одновременно – просто есть пятидесятипроцентная вероятность того, что он мертв.

Однако декогеренция не объясняет, как после измерения распределение вероятностей обновляется до варианта, при котором измеренное состояние обретает вероятность, равную 1. Так что декогеренция разгадывает только часть загадки.

Безнадежная затея

Я все еще в кабинете Стивена Вайнберга в Остине. Он только что уведомил меня, что у него садится голос, и спросил, не можем ли мы прерваться. Проигнорировав его вопрос, я говорю: «Хотела спросить, что вы думаете об основаниях квантовой механики. В своей книге вы написали: трудно изменить хоть что-то в квантовой механике, не исковеркав ее всю».

«Да, это так, – соглашается Вайнберг. – Но у нас нет ни одной по-настоящему удовлетворительной теории квантовой механики».

Он бросает на меня усталый взгляд и берет со стола книгу.

«Могу прочитать вам один абзац из второго издания моего учебника по квантовой механике. В разделе 3.7 первого издания я написал в этом абзаце довольно негативные вещи, а затем, по дальнейшем размышлении, высказался еще негативнее и резче. Вот как я написал:

Я делаю вывод, что сегодня не существует интерпретации квантовой механики, которая не имела бы серьезных недостатков. Не все разделяют эту точку зрения. Многие физики вполне удовлетворены своей собственной интерпретацией квантовой механики. Однако разные физики удовлетворяются разными интерпретациями. По-моему, нам следует серьезно отнестись к возможности найти еще одну удовлетворительную, другую теорию, для которой квантовая механика окажется лишь неплохим приближением.

И я действительно так думаю. Я очень старался разработать эту более удовлетворительную, другую теорию – абсолютно безуспешно… Квантовую механику крайне трудно переплюнуть. Но, хотя она и не противоречива, у нее есть ряд особенностей, которые мы находим отталкивающими. И противен не тот факт, что в ней есть вероятности. А то, какого рода эти вероятности».

Он продолжает объяснять: «Будь у нас теория, которая гласила бы, скажем, что частицы двигаются с места на место и есть некая вероятность, что частица окажется тут, или там, или в другом каком-то месте, я бы с этим смирился. Что мне не нравится в квантовой механике, так это то, что она является способом вычислить вероятности, которые получает человек, когда осуществляет определенные вмешательства в природу, называемые им экспериментами. А теория не должна ссылаться на человека в своих постулатах. Хочется понять макроскопические вещи вроде экспериментального инструментария и человеческих существ с помощью стоящей за ними теории, а не обнаруживать их на уровне ее аксиом».

* * *

Чтобы сделать квантовую механику попривлекательнее, физики придумали различные способы переосмысления ее математики. Две широкие категории предлагают либо принять волновую функцию (обычно обозначаемую буквой ψ, «пси») как нечто реальное (пси-онтический подход), либо же считать ее неким элементом, в котором просто зашифровано знание о мире (пси-эпистемологический подход).

Пси-эпистемологический подход не столько отвечает на вопросы, сколько провозглашает их бессмысленными. Наиболее известный представитель этого класса – копенгагенская интерпретация. Это толкование квантовой механики, которое чаще всего преподают (и выше я тоже использовала именно его). Согласно копенгагенской интерпретации, квантовая механика – это черный ящик: мы залезаем в экспериментальную установку, нажимаем на «математическую» кнопку – и выскакивает вероятность. Что делала частица до измерения – вопрос, который задавать не полагается. Иными словами, «заткнись и считай», как выразился Дэвид Мермин 101. Прагматичная позиция, но коллапс волновой функции многими воспринимается как «уродливый шрам» (Лев Вайдман), из-за которого теория выглядит «нелепой» (Макс Тегмарк)102.

Более современная пси-эпистемологическая интерпретация – это квантовый байесонизм (QBism, где Q означает quantum, «квантовый», а B – Bayesian inference, «байесовский вывод»), метод для вычисления вероятностей. В квантовом байесонизме волновая функция служит устройством, собирающим информацию наблюдателя о реальном мире, и обновляется, когда он или она производит измерение. В этой интерпретации подчеркивается, что может быть несколько наблюдателей (людей или приборов), обладающих разной информацией. Ящик все еще черный, но теперь у каждого свой. Дэвид Мермин называет это «однозначно интереснейшим вариантом», а вот Шон Кэрролл – «стратегией “отрицания”»103.

Что же касается пси-онтических интерпретаций, то они обладают тем преимуществом, что идейно они ближе к полюбившимся нам доквантовым теориям. Зато недостаток пси-онтических интерпретаций в том, что они вынуждают нас сопротивляться другим аспектам квантовой механики.

В теории волны-пилота (теории де Бройля – Бома) нелокальное ведущее поле разводит в остальном классические частицы по траекториям. Звучит совершенно непохоже на квантовую механику, но на самом деле это та же теория, только сформулированная и истолкованная иначе[73]. Сейчас теория волны-пилота непопулярна, поскольку не была так тщательно разработана, как копенгагенская интерпретация, и не так гибка в применении. Однако же теория волны-пилота интуитивно понятна, поэтому Джон Белл считал ее «естественной и простой»104. Джон Полкинхорн, напротив, убежден, что ей присущ «непривлекательно оппортунистический душок»105.

Многомировая интерпретация (или интерпретация множественных историй) постулирует, что волновая функция никогда не коллапсирует. Вместо этого она расщепляется, или «разветвляется», на параллельные вселенные – по одной на каждый возможный результат измерения. В многомировой интерпретации проблемы измерения нет, а есть только вопрос, почему мы живем в этой конкретной вселенной. Стивен Вайнберг считает все эти вселенные «отвратительными», тогда как Макс Тегмарк находит логику «красивой» и верит, что «самая простая и, пожалуй, самая элегантная теория по умолчанию задействует параллельные вселенные»106.

Кроме того, есть еще модели спонтанного коллапса. В них волновая функция не сначала расширяется, а затем резко коллапсирует, а непрерывно понемножечку сжимается, так что она вообще никогда сильно и не расширяется. Это не столько новая интерпретация квантовой механики, сколько поправка к ней, добавляющая явный процесс для коллапса. Эдриану Кенту, считающему, что в квантовой механике «элегантность служит на удивление сильным индикатором физической пригодности», модели коллапса кажутся «несколько специальными и утилитарными», но все же «гораздо менее уродливыми, чем теория де Бройля – Бома»107.

И это лишь главные интерпретации квантовой механики. Есть и другие, и каждая из них может пребывать в нескольких различных состояниях одновременно.

* * *

Стивен Вайнберг кладет на место свою книгу по квантовой механике. Он смотрит на меня, и я пытаюсь разгадать выражение его лица, но не могу решить, он больше озадачен или раздражен тем, что я все еще здесь. Приподнятая бровь, замеченная мною раньше, как я теперь вижу, окончательно закрепилась в этом положении.

Вайнберговские «Лекции по квантовой механике» вышли среди последних его учебных пособий – уже в 2012 году. С тех пор он опубликовал еще несколько статей о том, как проверить или лучше понять основания квантовой механики. Это определенно та тема, что занимала его мысли в последнее время. Интересно, почему он выбрал именно это направление исследований. Чем эта проблема привлекательна для него, ведь он мог бы размышлять над множеством других проблем?

«Что вам не нравится в декогеренции, оставляющей вас с распределением вероятностей?» – спрашиваю я.

«Вы можете очень хорошо понять квантовую механику в терминах взаимодействия изучаемой вами системы с внешней средой, включающей в себя наблюдателя, – говорит Вайнберг[74]. – Но это подразумевает взаимодействие квантово-механической системы с макроскопической системой, что вызывает нарушение когерентности между разными “ветвями” исходной волновой функции. А почему так происходит? Это должно объясняться тоже квантово-механически. И строго говоря, внутри самой квантовой механики декогеренции нет».

Он снова откашливается. «И вот возникает попытка с этим справиться – когда декогеренция отрицается, а человеческие существа рассматриваются с чисто квантово-механической точки зрения, как и все остальное. Таков подход множественных историй. Согласно этому подходу, если вы начинаете с чистой волновой функции, она всегда и будет чистой волновой функцией[75]. Но в разворачивающемся времени есть много промежутков, каждый из которых содержит описание наблюдателей, и наблюдатели в каждом из промежутков думают, что видят нечто разное: скажем, один наблюдатель видит спин [частицы направленным] вверх, а другой – вниз».

«И если еще можно было бы смириться с историей Вселенной, расщепляющейся на две ветви, в подходе множественных историй происходит нескончаемое, непрерывное появление несусветного числа историй Вселенной».

«Что ж, – подводит Вайнберг итог, – возможно, все так и есть. Ни одно логическое противоречие этому мне не известно. Но как же противно представлять себе такое огромное число историй!»

«Почему противно?» – уточняю я.

«Не знаю, просто противно – и все тут. Дело в необузданном числе. Это ведь происходит не только тогда, когда какой-то физик получает правительственный грант и проводит эксперимент, а все время, безостановочно. Всякий раз, как сталкиваются две молекулы воздуха или фотон от звезды врезается в атмосферу, – всякий раз, как что-то случается, истории Вселенной безостановочно увеличиваются в числе».

«Мне бы хотелось доказать, что такое беспрерывное расщепление историй невозможно. Увы, не могу. Но нахожу это отталкивающим. Понятно, что людям, которые придумали этот подход, он не кажется отталкивающим. Но он таков. У разных людей разные интерпретации квантовой механики – все удовлетворительные, но различные».

«И каждый считает теорию другого отталкивающей», – замечаю я.

«Верно. И я с этим уже свыкся, – говорит Вайнберг и вздыхает. – Даже великие умы в этой области расходились во мнениях. Нильс Бор сначала думал, что измерение подразумевает отклонение от квантовой механики, что нельзя объяснить измерение в терминах чисто квантово-механических понятий. Затем другие ученые сказали: нет, можно, но придется отказаться от идеи, будто вы способны сказать, что происходит, – вам придется просто констатировать, что таковы правила для вычисления вероятности того, что вы получаете, когда производите измерение… А потом другие люди сказали, что квантовая механика чудесна, просто вы получаете бесконечное число историй, – это многомировой подход…»

«Трудность, конечно, в том, что вы не обязаны разбираться с этими вопросами, – продолжает Вайнберг. – Я успешно работал все это время, не зная, что такое квантовая механика. В одной своей книге я рассказываю такую историю: мой коллега Филип Канделас как-то упомянул аспиранта, чья работа фактически развалилась. Я спросил, что же случилось, а Канделас ответил: “Он попытался понять квантовую механику”. Ведь мог же построить неплохую карьеру без этого понимания. А залезать в основания квантовой механики – затея безнадежная».

(Если вы процитируете это, то можете стать первым человеком, который цитирует кого-то, кто цитирует кого-то другого, кто цитирует себя, цитирующего кого-то еще.)

«Вам знакома книга “Красота и революция в науке”108, написанная философом науки Джеймсом Макаллистером?» – спрашиваю я.

«Нет, не знакома».

«Он пытается расширить концепцию научных революций Куна. Считает, что всякая революция в науке влечет за собой низвержение понятий красоты, разработанных учеными».

«Кун куда радикальнее, – говорит Вайнберг. – Ясно, что революция взывает к ниспровержению чего-то. Кун представил это как ниспровержение всего, так что одно поколение не может понять физику предыдущего. Я думаю, это не так. Но понятно, что если происходит научная революция, то что-нибудь да ниспровергается».

Он умолкает ненадолго, а затем добавляет: «Думаю, мысль, что это могут быть эстетические критерии, неплоха. Например, коперниканская революция произошла потому, что Коперник считал гелиоцентрическую систему гораздо более привлекательной, чем птолемеевская. А не из-за каких-либо данных. Очевидно, что это было эстетическое суждение, которое отличалось от прежних. И я полагаю, ньютоновская революция могла произойти потому, что Ньютон не считал силу, действующую на расстоянии, ужасной, как думал Декарт. Потому Декарт и пытался сложить очень уродливую картинку Солнечной системы, где все было результатом непосредственных действий тяни-толкай, а Ньютона устраивала сила, действующая на расстоянии обратно пропорционально его квадрату. То был сдвиг в эстетике. Или, можно сказать, смена философских предубеждений, что почти то же самое». Секунду-другую Вайнберг молчит, а потом бормочет, почти про себя: «Да, интересная идея. Нужно взглянуть на эту книгу».

«Но если это так, – говорю я, возвращаясь к тезису Макаллистера, – если при революции нужно ниспровергать понятие красоты в разработке теорий, то какой толк в том, чтобы использовать концепции красоты из прошлого?»

«Скажем так: красота – это просто средство, помогающее найти успешные теории, – говорит Вайнберг. – Когда ваше восприятие красоты меняется, теории тем не менее могут остаться верными». Он приводит пример: «Полагаю, Максвелл мог чувствовать, что по-настоящему удовлетворительной теорией электромагнетизма была бы та, что включала бы в себя напряжения в среде, подверженной вибрациям, и это объяснило бы колебания электрического и магнитного полей, наблюдаемые в луче света. Благодаря работам Максвелла и других ученых, включая Хевисайда, мы стали думать об электрическом и магнитном полях как просто о пронизывающих пустое пространство, а колебания – это попросту колебания самих полей, а не среды. Однако уравнения, разработанные Максвеллом, до сих пор хороши. Теория Максвелла живет, несмотря на то что его концепция, почему теория должна быть верна, изменилась».

Вайнберг продолжает: «Очень часто меняются не сами физические теории, а наше восприятие того, что они значат, почему должны быть верны. Поэтому я и не думаю, что ниспровергается все, хотя могут ниспровергаться прежние эстетические критерии. А что выживает – так это теории, порожденные прежними эстетическими критериями. Если эти теории успешны, каковыми они могут и не быть».

Он встает и выходит из кабинета.

Квантовая механика – это магия

Странна не только квантовая механика сама по себе, но и вся эта область исследований. В физике элементарных частиц у нас есть теория, эксперимент и – посередке – феноменология. Феноменологи – это те, кто (как Горди Кейн) вытягивают из теорий предсказания, обычно упрощая математику и выясняя, что может быть измерено, с какой точностью и как (а нередко еще и кем).

В других областях физики исследователи не разделяются по этим трем категориям так четко, как в физике элементарных частиц. Но во всех областях есть феноменологи. Даже в квантовой гравитации, где нет экспериментов, феноменологи есть. Иное дело – квантовая механика. Тут на одной стороне эксперимент, куча экспериментов. А на другой – много суеты из-за интерпретации. Серединка же практически пуста.

Поизучав все эти интерпретации и попытавшись оценить степень безобразности каждой из них, я решаю поговорить с кем-то из «несуетливого» лагеря, для кого все эти квантовые дела – каждодневная рутина. Мой выбор пал на Чеда Орзела.

Чед – профессор физики в Юнион-колледже в Скенектади (штат Нью-Йорк). Он больше известен как тот, кто обучал свою собаку квантовой физике и написал об этом книгу 109. Еще Чед ведет научно-популярный блог «Неопределенные принципы» (Uncertain Principles), в котором раскрывает тайны квантовой механики. Я вызываю его на сеанс видеосвязи, чтобы спросить, что он думает обо всех интерпретациях квантовой механики.

«Чед, – начинаю я, – напомните, чем вы занимаетесь».

«Я специализируюсь на физике лазерного охлаждения и холодного атома», – отвечает Чед. После того как Чед получил ученую степень, он работал над конденсатом Бозе – Эйнштейна, облаком атомов, охлажденных до столь низких температур, что становятся сильны квантовые эффекты.

«Для своей диссертации я наблюдал за столкновениями ультрахолодных атомов ксенона, – говорит Чед. – Их относительные скорости лежат в диапазоне сантиметров или миллиметров в секунду, и при таких скоростях атомы двигаются настолько медленно, что вы начинаете видеть при столкновениях квантовые эффекты».

«У ксенона много изотопов[76], – объясняет Чед. – Некоторые являются составными бозонами, а некоторые – составными фермионами. И если вы их поляризуете, а они фермионы, то столкновения станут невозможны, поскольку получатся два симметричных состояния, что запрещено».

Эта блокировка – пример страшного индивидуализма фермионов, обсуждавшегося в первой главе. Вы просто не в силах заставить два фермиона делать одно и то же в одном и том же месте.

Чед продолжает: «Мы формируем облако из атомов ксенона, и если они сталкиваются, то обмениваются большим количеством энергии – и образуется ион. Мы просто считаем ионы в двух случаях – когда атомы поляризованы и когда не поляризованы, и это говорит нам, сколько атомов участвовало в столкновениях. Сигнал очень четкий. А по частоте столкновений мы видим разницу: бозоны охотно сталкиваются, а фермионы нет. Это чистый квантовый эффект».

«А что атомы делают, если не сталкиваются?» – спрашиваю я.

«Просто проходят друг мимо друга, – отвечает Чед и пожимает плечами. – На защите диссертации кто-то задал мне такой вопрос: “Что произойдет, если вы выстроите эти атомы в ряд, – как они смогут не сталкиваться?” Ну я и сказал в шутку: “Квантовая механика – это магия”. Более серьезный ответ: не стоит думать об атомах как о маленьких бильярдных шариках, которые можно идеально выстроить в линеечку, о них нужно думать как о больших размытых объектах, способных проходить друг сквозь друга. Я повернулся тогда к моему научному руководителю, только что получившему Нобелевскую премию[77], и спросил: “Вы согласны? Это так?” И он ответил: “Да, квантовая механика – это магия”».

* * *

Кажется разумным, что наша интуиция в квантовом мире буксует. Мы не испытываем квантовых эффектов в повседневной жизни – слишком уж они слабые и хрупкие. Вообще-то было бы удивительно, если бы квантовая физика была интуитивно понятной, ведь нам никогда не представлялась возможность к ней привыкнуть.

Значит, и не стоит эту труднопонятность вменять в вину теории. Но, как и отсутствие эстетической привлекательности, труднопонятность препятствует прогрессу. И не исключено, думается мне, что это не то препятствие, которое мы в силах преодолеть. Возможно, мы завязли в основаниях физики, поскольку достигли пределов того, что человек в принципе способен осмыслить. Возможно, пришло время передать эстафету.

* * *

Адам проводит эксперименты с культурами микроорганизмов. Он выдвигает гипотезы и разрабатывает планы исследований. Сидит в лаборатории и распоряжается инкубаторами и центрифугами. Только вот Адам не живое существо, а машина. Это робот, сконструированный командой Росса Кинга в Университете Аберистуита в Уэльсе. Адам успешно выявил гены дрожжей, кодирующие определенные ферменты 110.

Машины проникают и в физику тоже. Исследователи из лаборатории интеллектуальных систем Корнеллского университета в Итаке (штат Нью-Йорк) создали компьютерную программу, в которую загружают сырые данные, а она выдает уравнения, описывающие движение систем, таких как хаотический двойной маятник. У компьютера ушло тридцать часов на то, чтобы вывести заново законы природы, над которыми люди бились столетиями 111.

В своей недавней работе по квантовой механике группа Антона Цайлингера использовала компьютерную программу – по прозвищу Мелвин, – чтобы разработать план экспериментов, проводившихся тогда людьми 112. Марио Кренн, аспирант, которому пришла в голову идея автоматизировать процесс планирования эксперимента, результатами доволен, но говорит, что ему все еще «довольно трудно понять на уровне интуиции, что конкретно там происходит»113.

И это только начало. Поиск закономерностей и систематизация информации – важнейшие задачи науки, а ведь это ровно те задачи, в решении которых искусственные нейронные сети призваны превосходить нас. Такие компьютеры, предназначенные для того, чтобы имитировать работу настоящего мозга, сейчас анализируют массивы данных, которые ни один человек не в состоянии объять, и ищут взаимосвязи с помощью алгоритмов глубокого обучения. Сомнений нет: технологический прогресс уже меняет то, что мы подразумеваем под выражением «делать науку».

Я пытаюсь вообразить день, когда мы просто-напросто скормим все космологические данные искусственному интеллекту. Сегодня мы гадаем, что же такое эти темная материя и темная энергия, но подобный вопрос для искусственного интеллекта даже не будет иметь смысла. Он просто сделает предсказания. Мы их проверим. И если искусственный интеллект стабильно будет оказываться прав, то мы поймем, что ему удалось найти верные закономерности и сделать нужные заключения. Вот это и станет тогда нашей новой согласованной космологической моделью. Мы вводим в компьютер вопрос, а он выдает нам ответ – и вуаля.

Если вы не физик, то такое положение дел будет не слишком-то отличаться от того, как вы сейчас читаете о предсказаниях, сделанных сообществом физиков, которые используют невразумительную математику и загадочную терминологию. Просто другой черный ящик. Кто знает, может, доверять искусственному интеллекту вы будете даже больше, чем нам.

Однако это всегда было лишь одной стороной науки – делать предсказания и использовать их для разработки практических применений. Другая сторона заключалась в понимании. Мы не просто хотим ответов, нам нужны объяснения этих ответов. В конце концов мы достигнем предела своих интеллектуальных способностей, и после этого лучшее, что мы сможем сделать, – это передать вопросы более сложным мыслительным аппаратам. Но я верю, что еще слишком рано отказываться понимать собственные теории.

«Когда в мою группу приходят молодые люди, – говорит Антон Цайлингер, – видно, как они топчутся на месте в темноте и не могут интуитивно найти правильную дорожку. Но спустя некоторое время, два или три месяца, они приноравливаются и ухватывают интуитивное понимание квантовой механики. И за этим на самом деле очень интересно наблюдать. Словно кто-то учится ездить на велосипеде»114.

А интуитивное понимание чего-либо приходит тогда, когда вы с этим чем-то сталкиваетесь. Пощупать квантовую механику – вообще без каких-либо уравнений – можно в видеоигре «Квантовые ходы» (Quantum Moves)[78]. В этой игре, созданной физиками из Орхусского университета в Дании, игроки зарабатывают очки, когда находят эффективные решения квантовых проблем, например, перемещая атомы из одной потенциальной ямы в другую. Смоделированные атомы подчиняются законам квантовой механики. Они выглядят не как маленькие шарики, а как причудливая жидкость, которая подпадает под действие принципа неопределенности и может туннелировать из одного места в другое (рис. 10). Игра требует некоторого привыкания. Но, к изумлению исследователей, лучшее решение, которое удалось получить благодаря стратегиям игроков, оказалось эффективнее, чем найденное компьютерным алгоритмом 115. Когда дело касается квантовой интуиции, люди, похоже, дают фору искусственному интеллекту. По крайней мере пока.

Рис. 10. Скриншоты видеоигры «Квантовые ходы»

Сдается мне, нам стоит просто перестать жаловаться друг другу на то, что квантовая механика странная, и привыкнуть к ней. Это развитая технология, бесспорно, но все-таки она отличима от магии.

* * *

Шутка Чеда про магию квантовой механики, сопровождавшаяся пожиманием плечами, наводит меня на мысль, что его не слишком волнует осмысление математики. Но трудно ее не осмыслять. Если вы часто используете математический формализм, то начинаете осознавать, что происходит при вычислениях. Вы не просто смотрите на результат, но еще и видите, как к нему пришли. А человеческий интерес так уж устроен, что мы лучше ладим с абстракциями, если в них есть какая-то фишка.

«У вас есть любимая интерпретация квантовой механики?» – спрашиваю я Чеда.

«По своему темпераменту я из разряда “заткнись-и-считай”, – отвечает он. – Мне всегда казалось, что если ты не в силах придумать эксперимент, который мог бы провести и который дает разные результаты в разных случаях, то выбирать интерпретацию как-то бессмысленно. Интересно поговорить о том, что происходит со всеми этими странными вещами на пути к обычной реальности. Но я оцениваю состояние дел в этой области так: прямо сейчас никто не способен описать вам эксперимент, который вы смогли бы провести и который дал бы вам иной результат – в пользу, скажем, многомировой интерпретации против теории волны-пилота. А в отсутствие такого эксперимента предпочтения, отдаваемые каким-либо из интерпретаций, – вопрос эстетического выбора».

«Но я считаю важным, что люди занимаются всевозможными интерпретациями, поскольку это высвечивает вопросы, которые, думается, стоит задавать. И хотя вы можете объяснить все эксперименты с помощью любой из интерпретаций, некоторые типы экспериментов представляются более естественными в свете определенных типов интерпретаций».

В качестве примера он приводит эксперименты, где отслеживаются кривые, вдоль которых движутся частицы, проходя через двойную щель, – кривые, которые имеют смысл в рамках теории волны-пилота, но бессмысленны, если считать, что волновая функция лишь собирает информацию наблюдателя. Зато эксперименты, в которых копируются и стираются квантовые состояния, проще интерпретируются в терминах передачи информации.

«Почему вокруг столько споров насчет “правильной” интерпретации, если это не привязано к экспериментальным проверкам?» – спрашиваю я.

«Насколько я понимаю, – говорит Чед, – есть раскол между эпистемологическим и онтологическим лагерями. В онтологическом лагере волновая функция считается реальным объектом, который существует и меняется, а в эпистемологическом лагере считается, что на самом деле она лишь описывает, что мы знаем, – просто количественно выражает наше незнание о мире. И кого угодно можно поместить куда-то в непрерывный спектр между этими двумя интерпретациями».

«На одном конце спектра люди находят оскорбительным периодический коллапс. Им кажется безобразным верить в эпистемологический подход. На другом же конце – классический аргумент Эйнштейна “Существует ли Луна, когда на нее никто не смотрит?”».

Эйнштейн был убежден, что квантовая механика неполна. Он считал, что объекты должны иметь однозначные свойства, наблюдает ли кто-то за ними или нет. Аргумент, заключающийся в том, что нелепо думать, будто Луны не существует, когда никто на нее не смотрит, иллюстрирует его позицию[79]. Только помните, что мы и не ожидаем от крупных объектов квантовых свойств из-за декогеренции. Как и кот Шрёдингера, луна Эйнштейна – это преувеличение, призванное иллюстрировать проблему, а не проблема сама по себе.

Чед объясняет, в чем привлекательность «лунного» аргумента Эйнштейна: «Объекты должны существовать независимо от того, обладают ли люди какой-то информацией о них или нет. Людям хочется, чтобы существовала незыблемая реальность, так что на онтологическом конце спектра им кажется кощунством говорить, будто нечто на самом деле не существует, пока вы не измерите некое свойство. Таким образом, на любом конце спектра люди находят что-либо отвратительное с другого конца».

«А где вы сами на этом спектре?» – любопытствую я.

«Мне видится некоторая ценность с любой стороны, откуда ни посмотреть, – отвечает Чед. – Я в значительной степени согласен, что познаем мы информацию о мире, но мне также комфортно верить, что есть некое состояние, о котором эта самая информация сообщает. Так что я болтаюсь где-то посередине, ни рыба ни мясо».

«В физике элементарных частиц, – говорю я, – люди критикуют те вещи, что им не нравятся, поскольку видят такие изъяны, как указания на теорию получше. В основаниях квантовой физики происходит то же самое?»

«Мне кажется, не вполне то же самое, – отвечает Чед. – В физике элементарных частиц есть несколько совершенно конкретных количественных проблем. На них можно указать, просто мы не в силах их разрешить. Например, темная энергия. Мы выполняем расчеты для энергии вакуума – и она оказывается на 120 порядков большей, а затем приходится делать что-нибудь дурацкое, чтобы избавиться от этой нестыковки. В основаниях же квантовой физики мы все можем соглашаться с тем, [что получается, когда вы посылаете электрон через двойную щель]. Вопрос в том, что, как вам кажется, происходит до того».

«Все могут использовать существующий [математический] формализм, произвести вычисления и получить правильный результат вплоть до какого-то невообразимого знака после запятой. Так что проблема не количественная. Она гораздо более философская, чем проблемы в физике элементарных частиц. И тут и там присутствует эстетическая составляющая. И тут и там есть ощущение, что так быть не должно, ведь с математической точки зрения это безобразно. Однако в основаниях квантовой физики нет количественных разногласий. Людей не устраивают странные вещи, которые, как мы знаем, должны быть верны, так что все пытаются отыскать какие-то обходные пути».

«Многие философские вещи, с которыми вы сталкиваетесь, погружаясь в квантовый мир, лишь на один шаг отстоят от по-настоящему нелепой философии вроде вопроса Юджина Вигнера, почему мы вообще можем описывать что-либо с помощью математики 116. При такой постановке вопроса вы лишаетесь сна, гадая, почему же Вселенная подчиняется простым, элегантным математическим законам, если на то нет никаких причин. Но вы можете отмахнуться от всего этого и сказать: “Слушайте, у нас есть простые, элегантные законы, и мы можем производить вычисления!” Вот я примерно так чувствую».

«Но когда вы пытаетесь найти новую теорию, разве такое отношение плодотворно?» – спрашиваю я.

«В том-то все и дело, – говорит Чед. – Возможно, нам следует размышлять над этими философскими вопросами и вещами, не поддающимися расчету. Но может, математика попросту неприглядна и кто-то должен сквозь нее продираться?»

ВКРАТЦЕ

• Квантовая механика работает изумительно, однако многие физики жалуются, что она не понятна интуитивно и уродлива.

• Интуицию кует опыт, а квантовая механика – довольно молодая теория. Будущим поколениям она, возможно, покажется более интуитивно понятной.

• И в основаниях квантовой механики тоже неясно, какая же насущная проблема требует решения.

• Может, понять квантовую механику просто сложнее, чем мы думали.

Глава 7

Одна, чтоб править всеми

В которой я пытаюсь выяснить: было бы кому-нибудь дело до законов природы, будь они некрасивы? Я заскакиваю в Аризону, где Фрэнк Вильчек посвящает меня в свою скромную «теорию чего-то», а затем лечу на Мауи и слушаю Гарретта Лиси. Мне открываются некоторые неприглядные факты, и я подсчитываю физиков.

Сходящиеся линии

В последний раз теория всего была у человечества 2500 лет назад. Греческий философ Эмпедокл предположил, что мир соткан из четырех элементов: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель позже добавил пятый, божественный элемент – эфир. Никогда больше объяснение всего не было таким простым.

В философии Аристотеля каждый элемент характеризуется двумя свойствами: огонь сухой и теплый, вода влажная и холодная, земля сухая и холодная, а воздух влажный и теплый. Изменения происходят, поскольку (1) элементы стремятся к своим «естественным местам» – воздух поднимается вверх, камни падают вниз и так далее – и (2) могут менять на противоположное по одному своему свойству зараз, если тому нет препятствий: так, например, сухой и теплый огонь может превратиться в сухую и холодную землю, а влажная и холодная вода – во влажный и теплый воздух.

Утверждение, что камни падают вниз, ибо такова их естественная склонность, не очень-то много объясняет, но то была, несомненно, простая теория, которую можно было проиллюстрировать удовлетворительно симметричной диаграммой (рис. 11).

Рис. 11. Схематическое изображение четырех элементов Аристотеля и их связей – теории, датирующейся IV веком до нашей эры. Схожие классификации сохранились в письменных источниках восточных цивилизаций примерно того же времени.

Впрочем, даже в IV веке до нашей эры стало очевидно, что теория слишком уж проста. Алхимики начали выделять все новые и новые вещества, и теория со всего лишь четырьмя элементами не могла объяснить такого разнообразия. Однако только в XVIII веке химики поняли, что все вещества – комбинации относительно небольшого числа «элементов» (в то время думали, что их меньше сотни), которые дальше уже разложить нельзя. Наступила эра редукционизма.

А тем временем Ньютон понял, что падение камней и движение планет роднит общая причина: тяготение. Джоуль показал, что теплота – это вид энергии, как обнаружилось позднее – происходящий из движения крохотных частиц под названием «атомы». Для каждого химического элемента характерен свой тип атома. Максвелл объединил электричество и магнетизм в электромагнетизм. И всякий раз, когда прежде разрозненные эффекты получали объяснение в рамках общей теории, новые открытия и применения не заставляли себя долго ждать: приливы вызываются Луной, энергию можно использовать для охлаждения, колебательные контуры служат источниками электромагнитного излучения.

В конце XIX века физики заметили, что атомы способны испускать и поглощать только свет с определенными длинами волн, но объяснения наблюдавшимся регулярностям ученые дать не могли. Чтобы с этим разобраться, они разработали квантовую механику, которая объяснила не только атомные спектры, но и большинство свойств химических элементов. К 1930-м годам физики выяснили, что все атомы имеют ядро, состоящее из меньших частиц – нейтронов и протонов – и окруженное электронами. На стезе редукционизма это стало еще одной вехой.

Следующим шагом в истории объединения Эйнштейн примирил пространство и время и получил специальную теорию относительности, после чего свел воедино гравитацию и специальную теорию относительности, создав общую теорию относительности. В итоге возникла необходимость избавиться от противоречий между квантовой механикой и специальной теорией относительности, что привело к благополучному рождению квантовой электродинамики.

Полагаю, примерно на этом этапе наши теории были самыми простыми. Но уже тогда физики знали о радиоактивном распаде – явлении, которое даже квантовая электродинамика объяснить не могла. Ответственность за распады возложили на новое, слабое взаимодействие, добавив его в теорию. Затем коллайдеры достигли энергий, достаточно высоких для того, чтобы нащупать сильное ядерное взаимодействие, – и на физиков обрушился «зоопарк» элементарных частиц (см. вторую главу). Это временное приращение сложности быстро пресекли теория сильного ядерного взаимодействия и объединение электромагнитного и слабого взаимодействий в единое электрослабое, поскольку выяснилось, что большинство из той лавины частиц составные – собраны из всего лишь двадцати четырех частиц, которые уже нельзя разложить на части.

Эти двадцать четыре частицы (с бозоном Хиггса, добавившимся позже, их стало в итоге двадцать пять) остаются элементарными и сегодня, и Стандартная модель плюс общая теория относительности до сих пор объясняют все наблюдения. Мы несколько оживили их темной материей и темной энергией, но, поскольку у нас нет никаких данных о микроскопической структуре этих темных лошадок, в настоящее время их трудно увязать всех вместе.

Объединение, однако, шло столь успешно, что физики считали логичным следующим шагом появление теории Великого объединения.

* * *

Мы классифицируем симметрии своих теорий с помощью того, что математики зовут «группами». Группа содержит все преобразования, которые не изменят теорию, при условии что соблюдается симметрия. Группа симметрии круга, например, состоит из всех вращений вокруг его центра и обозначается как U(1).

Пока в нашей дискуссии о симметрии мы обсудили лишь симметрии уравнений, законов природы. Однако наблюдаемое нами описывается не самими уравнениями, а их решениями. И сам по себе факт, что уравнение обладает симметрией, совершенно не означает, что решения этого уравнения обладают той же симметрией.

Представьте себе волчок, крутящийся на столе (рис. 12). Окружающая его обстановка одинакова по всем направлениям, параллельным поверхности стола, значит, уравнения движения обладают вращательной симметрией относительно любой оси, перпендикулярной столешнице. Когда волчок закручивают, его движение сопровождается уменьшением момента импульса из-за трения. Поначалу волчок действительно подчиняется вращательной симметрии, но в конце концов он заваливается на сторону и останавливается. После этого его ось указывает уже в одном каком-то направлении. Мы говорим, что симметрия «нарушилась».

Подобное спонтанное нарушение симметрии – обычное дело в фундаментальных законах природы. Как иллюстрирует пример с волчком, будет ли система подчиняться симметрии – может зависеть от энергии системы. Волчок, пока обладает достаточной кинетической энергией, симметрии подчиняется. И только когда на трение растрачивается существенное количество энергии, симметрия нарушается.

Рис. 12. Волчок, пока находится в движении, обладает вращательной симметрией. Когда же он растрачивает свою энергию на трение, симметрия нарушается.

То же относится и к фундаментальным симметриям. Энергии, с которыми мы обычно имеем дело в повседневной жизни, определяются температурой окружающей нас среды. С точки зрения физики элементарных частиц эти энергии ничтожны. Скажем, комнатная температура соответствует примерно 1/40 эВ, что на 14 порядков меньше энергии, затрачиваемой на Большом адронном коллайдере на столкновения протонов. При такой низкой энергии, соответствующей комнатной температуре, большинство фундаментальных симметрий нарушаются. При высоких же энергиях они способны восстанавливаться.

Симметрия электрослабого взаимодействия, например, восстанавливается как раз при энергиях, достигающихся на Большом адронном коллайдере, о чем сигнализирует нам рождение бозона Хиггса.

* * *

Стандартной модели нужны три разные группы симметрии – U(1) и SU(2) для электрослабого взаимодействия и SU(3) для сильного. Это маленькие группы, как видно по небольшим числам в скобках. Но более крупные группы симметрии зачастую содержат в себе несколько групп поменьше, так что одна большая группа, чья симметрия нарушается при высоких энергиях, могла бы породить Стандартную модель при энергиях, которые мы исследуем. Получается, теория Великого объединения – словно некий слон, а у нас сейчас, на низких энергиях, есть от него лишь ухо, хвост и нога. Целиком слон восстановится только при энергии объединения, оцениваемой примерно в 10^16 ГэВ, что на 15 порядков превышает энергии Большого адронного коллайдера.

Сначала для симметрии Великого объединения была предложена самая маленькая группа, содержащая группы симметрии Стандартной модели, – SU(5). Такие объединенные силы в общем случае допускают новые взаимодействия, позволяющие протонам распадаться. А если протоны нестабильны, значит, нестабильны и ядра атомов. В подобных теориях объединения время жизни протона может достигать 10^31 лет, существенно превышая возраст Вселенной на текущий момент. Однако в соответствии с квантовой механикой это попросту означает, что среднее время жизни протона таково. Раз протоны вообще могут распадаться, значит, это может происходить и быстро – просто быстрые распады будут событиями редкими.

В каждой молекуле воды 10 протонов, а в каждом литре воды около 10^25 молекул воды. Поэтому вместо того, чтобы ждать 10^31 лет, дабы увидеть распад одного протона, мы можем следить за огромным объемом воды, ожидая, пока распадется один из тамошних протонов. Подобные эксперименты проводятся с середины 1980-х годов, но еще никто не засек распада протона. Текущие наблюдения (а точнее, отсутствие оных) намекают на то, что среднее время жизни протона больше 10^33 лет. Так что SU(5) – модель Великого объединения исключается.

Следующей была предложена группа побольше – SO(10), в этой модели объединения верхняя граница для времени жизни протона проходит повыше. С тех пор опробованы были еще несколько групп симметрии, и в некоторых моделях верхняя граница для времени жизни протона сдвинута аж до 10^36 лет, что на порядки превышает даже возможности будущих экспериментов.

Помимо распада протона теории Великого объединения также предсказывают существование новых частиц, поскольку крупные группы содержат больше, чем есть в Стандартной модели. Предполагается, как обычно, что эти новые частицы слишком тяжелые, поэтому пока и не могли быть замечены. Таким образом, сейчас у физиков-теоретиков есть широкий ассортимент теорий объединения, застрахованных от опровержения на основании экспериментов в обозримом будущем.

Само по себе Великое объединение между тем не решает проблемы с массой бозона Хиггса. Физикам приходится еще и суперсимметризовать Великое объединение. Мы знаем, что суперсимметрия – если это суперсимметрия природы – должна нарушаться при энергиях выше тех, что нами пока достигнуты, ведь мы еще не засекли суперсимметричных частиц. Но мы так пока и не знаем, при какой энергии симметрия восстанавливается – и происходит ли это вообще. Аргумент, согласно которому суперсимметрия должна придать массе бозона Хиггса естественность, подразумевает, что энергия, при которой суперсимметрия нарушается, на Большом адронном коллайдере должна быть уже достигнута.

Добавление суперсимметрии к Великому объединению не только еще больше увеличивает число симметрий – дополнительное преимущество в том, что это приводит к небольшому продлению времени жизни протона. Так, некоторые варианты суперсимметричной SU(5) – модели и поныне держатся на грани жизнеспособности. Тем не менее основная причина для добавления суперсимметрии заключается в числовом совпадении, которое мы обсуждали в четвертой главе, – в объединении констант взаимодействий (см. рис. 8).

Кроме того, теории Великого объединения имеют более строгую структуру, чем Стандартная модель, что добавляет им привлекательности. Скажем, теория электрослабого взаимодействия – это объединение неудовлетворительное, потому что в ней все еще есть две разные группы симметрии, U(1) и SU(2), и две соответствующие константы взаимодействий. Две эти константы связаны параметром, который носит название «слабый угол смешивания», и в Стандартной модели его значение должно определяться экспериментально. Однако в большинстве теорий Великого объединения структура групп фиксирует значение 3/8 для квадрата синуса слабого угла смешивания при энергиях Великого объединения. При экстраполяции в область низких энергий это согласуется с экспериментальными данными.

Многие физики думают, что эти числа не могут быть случайностью. Мне так часто говорили, что они просто обязаны что-то означать, что я и сама иногда верю, будто это так. Есть, правда, несколько «но», о которых вам следует знать.

Что самое важное: насколько точно константы взаимодействий сходятся к одному значению, зависит от энергии, при которой нарушается суперсимметрия. Если эта энергия выше примерно 2 ТэВ, схождение в одну точку начинает ухудшаться. Большой адронный коллайдер уже почти исключил возможность того, что область нарушения суперсимметрии лежит ниже этой энергии, – а тогда рассыпется одно из главных привлекательных свойств суперсимметрии. Более того, если мы так жаждем Великого объединения, нет никаких особых причин, заставляющих константы взаимодействий всем скопом совпадать при одной и той же энергии – сначала вполне могли бы совпасть две из них, а потом уже к ним присоединилась бы третья. Просто это не было бы так красиво, поскольку задействовало бы дополнительную область энергий.

Позвольте также упомянуть, что схождение в одну точку констант взаимодействий не связано исключительно с суперсимметрией. Это следствие добавления тяжелых частиц, которое начинает проявляться при высоких энергиях. Можно измыслить много других комбинаций дополнительных частиц, которые вынудят те кривые пересечься. В случае суперсимметрии мы не вольны выбирать дополнительные частицы, и физики считают, что эта жесткость свидетельствует в пользу теории. Более того, пересечение кривых в случае суперсимметрии стало неожиданностью, когда впервые было замечено. А как мы видели ранее, физики уделяют больше внимания неожиданным открытиям.

Вот какие есть «но». Впрочем, в пользу суперсимметрии говорит еще кое-что: некоторые из новых суперсимметричных частиц имели бы нужные свойства, чтобы составлять темную материю. Они должны были бы возникать в изобилии в ранней Вселенной, никуда не деваться, будучи стабильными, и взаимодействовать очень слабо.

Таким образом, теория суперсимметрии сочетает в себе все, что физики-теоретики выучились лелеять: симметрию, естественность, объединение и нежданные открытия. Суперсимметрия – это то, что биологи называют сверхстимулом, искусственным, но вызывающим непреодолимую тягу.

«Суперсимметрия предлагает решение всех этих проблем, которое явно проще, элегантнее и красивее, чем может предложить любая другая теория. Если наш мир суперсимметричен, то все кусочки пазла идеально подгоняются друг к другу. Чем больше мы исследуем теорию суперсимметрии, тем неотразимее она становится»117, – пишет специалист по физике элементарных частиц Дэн Хупер. По мнению Майкла Пескина, автора одного из самых популярных учебников по квантовой теории поля, суперсимметрия – это «следующий шаг вперед к самой полной картине мира, где мы придаем всему симметрию и красоту»118. Дэвид Гросс называет теорию суперсимметрии «красивой, “естественной” и уникальной» и верит, что «Эйнштейн, если бы ознакомился с [теорией суперсимметрии], полюбил бы ее»119. И Фрэнк Вильчек доверяет природе, хотя и более настороженно: «Все эти подсказки могут быть обманчивы, но это было бы воистину жестокой шуткой матери-природы – и воистину бестактно с ее стороны»120.

Теория чего-то

Я в городе Темпе в штате Аризона. Какой-то парень переходит улицу на красный свет. Водитель автобуса бьет по тормозам и нарушает ход моих мыслей потоком брани. Парень медленно уходит с дороги, уставившись в свой телефон. Закончив ругаться, водитель рассказывает мне об университетской программе по расширению, растущем числе студентов, выскакивающих черт знает откуда на каждом углу, новых студенческих столовых и строящихся зданиях. Я киваю в знак одобрения образованных молодых американцев и стараний водителя их не переехать.

Потом он справляется о цели моей поездки и, услышав, что я посещу факультет физики, спрашивает, имею ли я какое-то отношение к ЦЕРН. Какового я не имею на самом-то деле, но водитель просто хочет узнать, была ли я там когда-нибудь. Да, и видела туннель, некоторые магниты и самый большой детектор, ATLAS, поскольку он еще строился. Помимо этого, впрочем, я преимущественно видела множество слайдов и перепила кофе на конференции, о которой больше почти ничего не помню. Водитель говорит, что мечтает однажды побывать в ЦЕРН, он следит за всеми исследованиями и надеется, что мы обнаружим что-то новое. Я чувствую вину за то, что мы так пока этого и не сделали, а может, и не сделаем вовсе, и боюсь, что мы его разочаруем. Я чуть не извинилась перед ним.

На следующее утро я натираю две мозоли, потому что заставила себя хоть раз не надевать кроссовки, и приезжаю как раз вовремя, чтобы выяснить, что заведение, где мы с Фрэнком Вильчеком должны были встретиться, закрыто. Но мне не приходится долго ждать: Фрэнк появляется в конце улицы в большой шляпе и машет, завидев меня. Не желая умножать мозоли, я останавливаю выбор на соседнем местечке, маленьком бистро, где подают завтрак.

Фрэнк регулярно приезжает в Университет штата Аризона. Нынешний его визит организован «Истоками» (Origins Project), междисциплинарным проектом с обширной просветительской программой, посвященной исследованию фундаментальных вопросов. Сегодня вечером Фрэнк примет участие в дискуссии, модерируемой Лоуренсом Крауссом, директором проекта. Фрэнк дал имя аксиону, питает нежные чувства к ракам-богомолам и буквально утонул в наградах 121. В 2004 году вместе с Дэвидом Гроссом и Хью Дэвидом Политцером он получил Нобелевскую премию за открытие «асимптотической свободы» сильного взаимодействия, что означает ослабление последнего на малых расстояниях. Но сейчас, учитывая, чем озабочена я, во Фрэнке меня больше всего интересует его «художественная» сторона.

В своей последней книге «Красота физики» Фрэнк задается вопросом, «воплощает ли наш мир красивые идеи», и сам же отвечает на него однозначным «да». Однако мне уже известно, что мир воплощает красивые идеи. Я хочу узнать, воплощает ли он и уродливые идеи, и если да, то продолжим ли мы считать их таковыми.

Я перерываю свой рюкзак, точно помня, как в самолете записывала вопросы к Фрэнку, но не могу их теперь отыскать. Ладно, вряд ли будет так уж сложно, говорю я себе, у него наверняка заготовлена какая-то речь. И задаю расплывчатый вопрос: «Насколько красота значима в теоретической физике?» И Фрэнк начинает рассказывать.

«Когда мы вступаем в чуждые нам дебри реальности – субатомные, квантовые области, – на житейскую интуицию полагаться нельзя. И идея просто накапливать много данных, как советовали Фрэнсис Бэкон и Исаак Ньютон, сейчас попросту неосуществима, ведь стало крайне трудно проводить эксперименты. План дальнейших действий, который очень хорошо срабатывал на протяжении большей части XX века, состоял в следующем: надеяться, что уравнения окажутся очень красивы, симметричны и экономичны, выводить из них следствия и затем эти следствия проверять. Чем мы теперь и занимаемся – сначала пытаемся угадать уравнения, а потом проверяем свои догадки».

«Что делает теорию красивой? – спрашиваю я. – Вы сказали, она должна быть экономичной и подчиняться симметрии?»

«Симметрия – определенно одна из составляющих, – отвечает Фрэнк. – Как вы знаете, теории стали крайне мудреными. Есть локальная симметрия, симметрия пространства-времени, аномальная, асимптотическая симметрия – и все они показали себя очень ценными понятиями. Но есть еще и более примитивная концепция красоты. Вы узнаёте красоту, когда видите ее. Красота – это когда вы извлекаете больше, чем вкладываете. Когда вы вводите понятие, чтобы объяснить что-то одно, и видите, как еще и нечто другое тоже получило объяснение. Все это как-то подпитывает ощущение, что вы на верном пути».

«В большинстве случаев, думаю, справедливо называть это аспектом красоты, – добавляет Фрэнк, – но это немножко иное, скорее экономичность и простота».

«Считаете ли вы, что теория лучше имеющихся сегодня должна быть проще, чем они?» – задаю я следующий вопрос.

«Что ж, увидим, – говорит Фрэнк. – Природа делает то, что умеет. Я бы, разумеется, надеялся, что та теория будет проще. Но пока это непонятно. Полагаю, самый серьезный кандидат на роль теории лучше имеющихся – лучше с точки зрения непосредственного увязывания гравитации с остальными взаимодействиями и решения [проблемы с квантовой гравитацией] – это теория струн. Но мне неясно, что представляет собой эта теория. Это какая-то бездна еще не оформившихся идей, и пока слишком рано судить, проста она или нет – и даже правильна ли она или нет. Сейчас теория струн уж точно не выглядит простой».

«Вынести приговор было бы легче, будь у нас какие-нибудь данные», – замечаю я.

«Да, было бы намного проще, – соглашается Фрэнк. – Но вот что еще: иметь физическую теорию, которая не сообщает ничего о физическом мире, – довольно дикий подход. Поэтому, если вы говорите, что у нас нет данных, для меня это также означает, что у нас нет и физической теории. Если нет данных, о чем тогда вообще речь?»

«У нее есть предел – там, где обнаруживается гравитация, – пытаюсь я защитить теорию струн, – так что по крайней мере вы знаете, что в некоторой области параметрического пространства теория описывает кое-что из того, что мы видим».

«Если ваши стандарты достаточно низки, то да. Но я не думаю, что нам стоит соглашаться с идеей постэмпирической физики. Я считаю ее ужасной, по-настоящему ужасной».

Я не знала, что Фрэнк следил за дискуссией, в которой обсуждался пересмотр научного метода, дабы обосновать теорию струн. «Я как раз хотела спросить вас об этом. Не знаю, насколько внимательно вы следили за дискуссией…»

«Не слишком пристально. Идея постэмпирической физики – вот и все, что мне довелось услышать».

«Все началось с книги Рихарда Давида, он сначала занимался физикой, а потом переключился на философию».

По мнению Рихарда, объясняю я, со стороны специалистов по теории струн, чтобы оценить свою теорию, разумно принимать во внимание всю доступную информацию, включая математические свойства.

«Но в чем смысл такой теории, если она ничего не объясняет?» – вопрошает Фрэнк.

«На этот счет Рихард ничего не говорит».

«Я вам так скажу. Была бы хоть крупица экспериментальных доказательств, убедительных и свидетельствующих в пользу теории, вы бы подобных аргументов и не услышали. Не услышали бы, потому что никому не было бы до них дела. А так это лишь отступление. Словно сдаются, но объявляют победу. Мне это совсем не нравится».

Да, думаю я, дискуссия о постэмпирических аргументах была вызвана отсутствием аргументов эмпирических. Но просто осознание сего факта не продвигает нас вперед.

«Но когда проводить новые эксперименты так трудно и затратно, не приходится ожидать, что мы просто случайно наткнемся на какие-то новые данные, – замечаю я. – Мы должны решить, куда смотреть, а для этого нам требуется теория. Возникает вопрос, даже в отсутствие данных: над какой теорией нам работать? И поэтому-то Рихард говорит, что некоторые теории правдоподобнее других по ряду веских причин, на которые полагаются теоретики. Например, отсутствие альтернатив: чем меньше найдено альтернатив, тем вероятнее, что обнаруженные варианты верны. По крайней мере, согласно Рихарду. Однако он не затрагивает вопроса эстетики, что я считаю серьезным упущением – ведь физики-то применяют эстетические критерии».

«Конечно, – говорит Вайнберг. – Но эта дискуссия представляется мне крайне упрощенной и оторванной от реальности. И есть ведь многообещающие эксперименты, так что подобная дискуссия не нужна. Есть эксперименты, связанные с поиском аксионов, с электрическим дипольным моментом, редкими распадами, – и это только в физике элементарных частиц. А ведь есть еще космология, гравитационные волны, странные объекты в небе… Да мало ли какие еще аномалии могли бы проявиться! У нас нет нужды в том, чтобы теоретики разговаривали сами с собой, пытаясь направлять экспериментальную работу».

Да, эксперименты-то есть, но десятки лет они лишь подтверждают уже существующие теории. Поэтому я бы сказала так: слишком много разговоров теоретиков с самими собой – это и причина, и результат нехватки данных.

«Предсказания для экспериментов последних десятилетий не были упоительно успешны», – отмечаю я.

«Как сказать, бозон Хиггса ведь обнаружен», – парирует Фрэнк.

«Да, но это не выходило за рамки физики Стандартной модели», – отвечаю я, оставляя за скобками, что предсказание было сделано еще в 1960-е годы.

«Между прочим, небольшая масса хиггсовского бозона – признак суперсимметрии».

«Но все же он достаточно тяжел, чтобы заставить всех волноваться, справедлива ли теория суперсимметрии».

«Да, – соглашается Фрэнк, – но могло быть и намного хуже».

«И все-таки суперсимметричные партнеры обнаружены не были, – говорю я. – Это вас не беспокоит?»

«Я начинаю беспокоиться, это правда. Я никогда и не думал, что будет легко. Уже давно появились граничные оценки из экспериментов на Большом электрон-позитронном коллайдере и экспериментов по распаду протона, означающие, что многие суперпартнеры должны быть тяжелыми. Но у нас в запасе еще одна неплохая попытка благодаря модернизации Большого адронного коллайдера, повышающей энергию столкновений. Надежда умирает последней».

«Многие люди сейчас встревожены тем, что суперсимметрия в Большом адронном коллайдере не проявляется, – говорю я, – поскольку это означает, что, какой бы искомая теория ни была, она неестественна, или тонко настроена. Что вы об этом думаете?»

«Многие вещи тонко настроены, и мы не знаем почему. Я бы точно не верил в суперсимметрию, если бы не объединение констант взаимодействий, с моей точки зрения, поразительное. Не могу поверить, что это совпадение. К сожалению, расчеты не дают нам точной информации о масштабе масс, где должна проявляться суперсимметрия. Но шансы на объединение начинают ухудшаться, если суперсимметричные партнеры не показываются на энергиях около 2 ТэВ. Для меня это причина оставаться оптимистичным».

«Так вы не беспокоитесь, что основополагающая теория может не оказаться естественной?»

«Нет. Это могла бы быть неминимальная суперсимметричная Стандартная модель или какой-то вариант нарушения симметрии, который мы не понимаем. Это теории сложные. Думаю, что мы будем учиться на экспериментальных открытиях. Или попросту смиримся с неестественностью. Стандартная модель уже сама по себе очень неестественна. Параметр, придающий электрону массу, уже 10–6. Какой есть», – говорит Фрэнк и пожимает плечами.

«То есть это вас не особенно волнует».

«Нет. Аргументы в пользу суперсимметрии были бы еще убедительнее, если бы, скажем так, ее обнаружили. Или, что более реалистично, если бы она четко разрешила проблему иерархии. Но для меня во сто крат более веский довод – объединение констант взаимодействий, а оно пока никуда не делось».

«Так вас устроило бы утверждение, что есть несколько основополагающих теорий и их параметры просто такие, какие есть?» – спрашиваю я.

«В перспективе хотелось бы иметь теорию получше. Опять-таки – вам не обязательно иметь теорию всего, чтобы иметь теорию чего-то. А если теория хорошо объясняет что-то одно, для меня это очень обнадеживающий знак».

«Вы, должно быть, знаете, что Стивен Вайнберг проводит аналогию с коневодством», – говорю я.

«С чем? С коневодством? Нет».

«Коневод перевидал множество лошадей. И теперь, глядя на какую-нибудь лошадь, он говорит “Прекрасная лошадь”, когда знает по опыту, что вот та лошадь, которая побеждает на скачках».

«Полагаю, мы можем отчасти понять свое чувство прекрасного – оно не совсем уж непостижимо. Симметрия точно имеет к нему отношение, а также экономичность. В нем не должно быть незавершенности. Но думаю, пытаться отыскать точное определение – слишком самонадеянно. Вы хотите найти точные нейронные сети в мозге, которые заставляют нас считать что-то красивым? Как правило, люди приходят к одинаковому заключению относительно того, что красиво».

«Ну, устроены-то мы все более или менее одинаково, – говорю я. – Только почему наше эстетическое чувство должно иметь какое-то отношение к законам природы?»

«Думаю, все наоборот, – объясняет Фрэнк. – Людям удается лучше приспособиться к жизни, если они имеют точную модель природы, если их представления соответствуют реальному положению дел. Поэтому в процессе эволюции поощряется ощущение, которое приходит с правотой, – это и есть чувство прекрасного. То, что нам хочется продолжать делать, что мы находим притягательным. Так успешные объяснения становятся привлекательными. И веками люди находили шаблоны, в которые укладывались работающие идеи. Вот мы и выучились считать их красивыми».

«А сейчас мы также проходим процесс обучения, узнавая, что было успешным. Следовательно, мы обучены восхищаться тем, что успешно, и тем, что красиво. А еще мы оттачиваем свое чувство прекрасного по мере накопления опыта, и эволюция поощряет нас воспринимать опыт обучения как вознаграждение».

«Такова моя скромная теория того, почему законы природы красивы. Вряд ли она совершенно ошибочна». После паузы Фрэнк продолжает: «К тому же есть еще аргумент, связанный с антропным принципом. Если бы законы не были красивы, мы бы их не обнаружили».

«И все же вопрос в том, продолжим ли мы находить их, – говорю я. – Мы смотрим на нечто новое, с чем прежде никогда не сталкивались».

«Не знаю, – отвечает Фрэнк, – посмотрим».

«Вы знаете книгу Макаллистера “Красота и революция в науке”? – спрашиваю я 122. – Он предлагает усовершенствованный вариант идеи Куна о том, что наука развивается за счет революций. Согласно Макаллистеру, во время революции ученые отбрасывают не все, а только свои концепции красоты. Поэтому, когда бы ни происходила научная революция, они должны разработать новую концепцию красоты. Он перечисляет несколько примеров: стационарная модель Вселенной, квантовая механика и так далее».

«Если это так, – продолжаю я, – получается, что зацикливаться на концепциях красоты, использовавшихся в прошлом, – ровно то самое, чего делать не стоит».

«Да, верно, – говорит Фрэнк. – Обычно этот руководящий принцип неплох. Но иногда приходится вводить нечто новое. В каждом из этих примеров вы тем не менее обнаруживаете, что новые идеи тоже красивы».

«Но ведь люди обнаруживали новую красоту только после того, как данные вынуждали их взглянуть на нее, – замечаю я. – А я боюсь, что мы можем этого не дождаться. Поскольку уперлись в эту старую концепцию красоты, которую используем для разработки теорий и планирования проверочных экспериментов».

«Может, вы и правы», – отвечает на это Фрэнк.

Сила в количестве

Меня не очень-то убедила скромная теория Фрэнка Вильчека, объясняющая, почему законы природы красивы. Если восприятие красоты стало развившимся в процессе эволюции ответом на успешную теорию, почему тогда так много физиков-теоретиков жалуются на уродливость Стандартной модели, самой успешной теории из всех? И почему они отыскивают красоту в неуспешных теориях вроде SU(5) – модели объединения? Признаю́: я нахожу объяснение Фрэнка симпатичным, но это не означает, что оно верно.

И в любом случае, если мы выучиваемся считать успешные теории красивыми, это не значит, что мы вправе использовать свое эстетическое чувство для разработки еще более успешных теорий; это значит лишь, что мы настроим еще больше таких же теорий. «Если бы законы не были красивы, мы бы их не обнаружили», – сказал Фрэнк. Вот именно это меня и тревожит. Я предпочла бы иметь уродливое объяснение, чем никакого вообще, но если Фрэнк прав, то мы можем никогда не найти более фундаментальную теорию, если она недостаточно красива.

«Позвольте, – возразите вы мне, – всегда были ученые, застрявшие на красивых, но неверных теориях. Ученые всегда напрасно осуждали своих коллег, которые позднее оказывались правы. Всегда было давление среды, всегда была конкуренция, всегда были предвзятость, шаблонное мышление, склонность выдавать желаемое за действительное, профессиональная самонадеянность. Но в итоге-то это ни на что не повлияло. Хорошие победили, плохие проиграли. Истина восторжествовала, прогресс продолжил идти вперед семимильными шагами. Наука, суки, работает[80]. Почему сейчас все должно быть иначе?»

Потому что наука изменилась. И продолжает меняться.

Больше ученых: Самое очевидное изменение состоит в том, что нас стало больше. Количество присуждаемых в США ученых степеней по физике с 1900 по 2012 год выросло примерно в сто раз – с 20 до 2000 степеней в год 123. Подобная же история произошла и с Американским физическим обществом: число членов выросло с 1200 человек в 1920 году до 51 000 в 2016-м. В Германии схожая статистика 124: членов Немецкого физического общества сейчас около 60 000, а в 1900 году было 145. Если судить по количеству авторов в литературе по физике, среднее по миру число физиков выросло даже стремительнее: примерно в 500 раз с 1920 по 2000 год 125.

Больше статей, у́же специализация: А большее число ученых плодит больше статей. В физике годовой прирост количества публикаций составляет 3,8–4,0 % с 1970 года, то есть их число удваивается примерно каждые 18 лет^126. Что делает физику медленно растущей областью науки (признак зрелости).

В то время как общее число публикаций по физике выросло, они разбились на отдельные подобласти (недавнее исследование выявило десять основных), в каждой из которых ученые преимущественно ссылаются на статьи из той же подобласти 127. Наиболее высокая самоцитируемость наблюдается в ядерной физике и в физике элементарных частиц и полей. Большинство обсуждаемых в этой книге тем относится к этой последней подобласти.

Специализация, о которой свидетельствует самоцитируемая литература, повышает эффективность, но может препятствовать прогрессу^128. В статье 2013 года, опубликованной в журнале Science, группа исследователей из США количественно оценила вероятности разных комбинаций тем, попадающихся в списках цитируемой литературы, и проанализировала корреляцию между наличием тех или иных комбинаций тем и шансами конкретной статьи стать «хитом» (при этом учитывался верхний 5-й процентиль цитирований)129. Ученые обнаружили положительную корреляцию между наличием маловероятных комбинаций в списках цитирований и последующей успешностью статьи. Впрочем, также отмечается, что доля статей с такими «нетрадиционными» комбинациями упала с 3,54 % в 1980-х годах до 2,67 % в 1990-х, «демонстрируя устойчивую и ярко выраженную тенденцию к консерватизму».

Больше коллабораций: Рост общего количества статей, как правило, сопровождается и увеличением числа авторов. Примечательно, однако, что количество статей на отдельно взятого автора в последнее время резко возросло: примерно с 0,8 на автора в год в начале 1990-х более чем вдвое по данным на 2010 год 130. Это потому, что физики стали публиковать совместные статьи больше, чем когда-либо. Среднее число авторов на статью выросло с 2,5 в начале 1980-х более чем вдвое по сравнению с сегодняшним днем. В то же время доля статей с одним автором упала: она была больше 30 %, а стала примерно 11 %131.

Меньше времени: Разделение труда до научной сферы еще не добралось. Хотя ученые специализируются на исследовательских проблемах, от них ожидают какой-то многостаночности: они должны обучать, осуществлять научное руководство, заведовать лабораториями, возглавлять группы, заседать в нескончаемых комиссиях, выступать на конференциях, организовывать конференции и – что самое главное – добывать гранты, чтобы шестеренки продолжали вращаться. И все это одновременно с проведением исследований и написанием статей. Опрос, проведенный журналом Nature в 2016 году, выявил, что на исследования научные сотрудники в среднем тратят лишь около 40 % своего времени 132.

Охота за деньгами отнимает особенно много времени. Исследование 2007 года показало, что преподаватели университетов в США и Европе тратят еще 40 % своих рабочих часов на подачу заявок на гранты 133. В области фундаментальных исследований процесс вдвойне выматывающий, поскольку сейчас частенько требуется провидеть будущий практический выход. Предсказать судьбу исследовательского проекта в основаниях физики обычно сложнее, чем провести само исследование.

Таким образом, никого, кто хоть раз подавал заявку на грант, не удивят результаты опросов среди научных сотрудников Великобритании и Австралии: ложь и преувеличения стали обычным делом при написании заявок. Участники опросов характеризовали свои описания значимости работы как «сплошной цирк» и «выдумки»134.

Меньше долгосрочного финансирования: Доля научных сотрудников на постоянных должностях в университетах падает, тогда как все больший процент исследователей наняты внештатно или на неполный рабочий день[81]. С 1974 по 2014 год доля научных сотрудников, нанятых в США на постоянные университетские должности на полный рабочий день, уменьшилась с 29 до 21,5 %. В то же самое время доля внештатников выросла с 24 до более чем 40 %. Опросы, проведенные Американской ассоциацией университетских профессоров, выявили, что отсутствие бесперебойной поддержки препятствует принятию на себя риска и долгосрочных обязательств при выборе исследовательских тем 135. В Германии ситуация аналогичная. В 2005 году 50 % научных сотрудников, нанятых на полный рабочий день, трудились по краткосрочным контрактам. К 2015 году их доля выросла до 58 %136.

Меньше разнородности: Научные сотрудники сейчас вынуждены постоянно доказывать собственную ценность, производя поддающиеся измерению результаты. Это не слишком разумно, потому что в некоторых областях науки могут миновать столетия, прежде чем станут очевидны благотворные последствия. Но поскольку что-то должно измеряться, научные сотрудники оцениваются по их текущему влиянию на область, в которой они работают. Используемые сегодня показатели научной успешности, таким образом, сильно зависят от количества публикаций и цитируемости, главным образом измеряющих продуктивность и популярность. Исследования показывают, что бремя, связанное с необходимостью нравиться и публиковаться, убивает новаторство: проще получить признание в уже известных областях и публиковаться по привычным темам, чем прорабатывать новые и необычные идеи 137.

Другое следствие потуг измерять влияние исследований – размывание национальных, региональных и институциональных различий, ведь показатели научной успешности преимущественно одни и те же всюду. Это означает, что сейчас научные сотрудники по всему миру пляшут под одну дудку.

Проще говоря, стало больше ученых, сотрудничающих друг с другом лучше, чем когда-либо, которые испытывают все возрастающее давление, связанное с необходимостью приносить результаты в специализированных подобластях при менее устойчивом финансовом положении в более короткие сроки. Что превратило научные сообщества в идеальную среду для процветания различных социальных явлений.

И вот вам моя скромная теория чего-то: ученые – люди. Люди подвержены влиянию тех сообществ, частью которых являются. Значит, и ученые подвержены влиянию тех сообществ, частью которых являются. Да, Нобелевская премия мне за это не светит. Но моя теория заставляет меня предположить, что законы природы красивы, ибо физики без устали твердят друг другу о красоте этих законов.

Давайте взглянем на это с другой стороны. Моя мама любит говорить, что «симметрия – это эстетика для тупых». А если я скажу вам, что поистине красивая фундаментальная теория хаотична, несимметрична? Неубедительно звучит? Но будет звучать все убедительнее каждый раз, как вы будете это слышать: исследования показывают, что мы считаем некое утверждение тем правдивее, чем чаще его слышим. Это зовется систематической ошибкой внимания, или эффектом знакомства с объектом. Интересно (или удручающе, в зависимости от вашего отношения), что этот эффект имеет место, даже если утверждение повторяет один и тот же человек 138. На самом деле хаос куда красивее, чем жесткие симметрии. Вы еще не прониклись этим утверждением?

Однако физики сегодня не рассуждают о влиянии, оказываемом на их мнение общими верованиями. Хуже того, обосновывая свои взгляды, они подчас ссылаются на популярность вместо научных доводов – как Джудиче, который упомянул некое «коллективное движение», лежащее в основе тренда на естественность. Или Леонард Сасскинд, заявивший в интервью 2015 года следующее: «…Почти все теоретики, работающие в области физики высоких энергий, убеждены в том, что необходимы своего рода дополнительные измерения, чтобы объяснить сложность элементарных частиц»139. Или специалист по теории струн Майкл Дафф: «Будьте уверены, если бы кто-нибудь нашел другое, более удачное дерево [по сравнению с теорией струн], полторы тысячи [специалистов в этой области] тут же начали бы на него лаять». Эти ученые не только верят, что, если толпа народу работает над какой-то идеей, значит, в той что-то действительно есть, они еще считают это хорошим аргументом, достойным того, чтобы публично его высказывать.

Суперсимметрия особенно выиграла от общественного мнения. Мы уже слышали об этом от Марии Спиропулу и Джозефа Ликкена: «…Без преувеличения можно сказать: большинство специалистов по физике элементарных частиц во всем мире верят, что суперсимметрия должна быть верной»140. А вот что думает по этому поводу Дэн Хупер: «Количество времени и денег, затрачиваемое на поиски суперсимметрии, просто непомерно. Днем с огнем не сыскать специалиста по физике элементарных частиц, который в какой-то период своей карьеры не работал бы над теорией суперсимметрии… По всему миру тысячи ученых рисуют в своем воображении красивую суперсимметричную Вселенную».

Альтернативы

Однако не каждый ученый – фанат суперсимметрии.

Одна из альтернатив, что привлекла внимание среди теорий с бо́льшим математическим уклоном, была предложена лауреатом Филдсовской премии Аленом Конном. Он полагает, что суперсимметрия – это «прекрасная мечта, но еще слишком рано верить, будто она реальна»141. У Конна есть собственная теория объединения, но она не прижилась, хотя и обрела сколько-то последователей. По крайней мере в своей нынешней форме идея Конна далека от изящности: она воплощена в матрицах размерностью 384 × 384, которые и сам Конн называет «вселяющими ужас и не слишком прозрачными». Все усугубляется еще и тем, что используемая им математика очень далека от изучаемой сегодня студентами-физиками.

Суть идеи Конна вот в чем. В обычной квантовой теории не все дробится на дискретные порции. Линии, видимые в спектрах атомов, – исторически первое свидетельство квантования – дискретны, но координата частицы, например, нет, она может принимать любое значение. Конн предписал координатам квантовое поведение, но сделал это не напрямую, а через колебания пространства-времени. Мало того что такой подход позволил обойти некоторые из проблем, обычно возникающих при квантовании гравитации, но поразительным образом он также позволил охватить калибровочные взаимодействия Стандартной модели.

Подход Конна работает, потому что колебательные моды для любой формы содержат информацию об этой форме и искривленное пространство-время общей теории относительности – не исключение. Если колебания преобразуются в звуковые волны, например, мы можем «услышать форму барабана», если не непосредственно органами слуха, то по крайней мере математически анализируя звук 142. Нам не нужно прислушиваться к колебаниям пространства-времени, чтобы извлекать из них пользу. На самом деле колебания могут даже и не происходить. Важно то, что они служат альтернативным способом описать пространство-время.

Преимущество такого альтернативного описания, известного как «спектральная геометрия», в том, что его можно сделать совместимым с квантовой теорией поля и обобщить на другие математические пространства – часть из которых содержит группы симметрии Стандартной модели. Вот что сделал Конн. Он нашел подходящее пространство и сумел вернуть Стандартную модель и общую теорию относительности в тех случаях, в которых мы их проверяли. А еще он сделал дополнительные предсказания.

В 2006 году Конн и его коллеги предсказали, что масса бозона Хиггса окажется равной 170 ГэВ – далеко от 125 ГэВ, измеренных в 2012-м 143. Впрочем, значение 170 ГэВ было исключено еще до 2012 года, на основании результатов, появившихся в 2008-м; когда об этом было объявлено, Конн сказал: «Моей первой реакцией стало, разумеется, глубокое разочарование, смешанное с возросшим любопытством, какая же новая физика будет открыта на Большом адронном коллайдере»144. Правда, спустя несколько лет он подкорректировал модель и утверждал, что предыдущее предсказание более не действительно 145. Как бы то ни было, его подход попал в опалу.

Есть также некоторое количество несогласных, придерживающихся идеи «техницвета». Якобы частицы, считающиеся сегодня элементарными, имеют подструктуру, которая состоит из «преонов», участвующих в некоем взаимодействии вроде сильного ядерного. Эта идея вступила в противоречие с данными десятки лет назад, но некоторые ее варианты уцелели. Впрочем, теория техницвета сейчас не очень популярна.

Поскольку возможно объединить фермионы и получить из них бозоны, но не наоборот, иногда предпринимаются попытки построить всю материю из фермионов – таковы теории спинорной гравитации или причинных фермионных систем 146.

А кроме того, есть Гарретт Лиси.

Прочь от большой земли

Январь, Мауи. Я в аэропорту, жду, когда меня встретят. Вокруг отпускники в ярких майках рассеиваются по автобусам. Я намереваюсь посетить «Тихоокеанский научный институт» в сопровождении Гарретта Лиси, серфера, придумавшего теорию всего. Но у меня нет адреса и телефон, как всегда, разрядился. Во влажном гавайском воздухе мои волосы завились колечками.

Через полчаса – я как раз уже подумываю снять свое зимнее пальто – у обочины тормозит автомобиль с откидным верхом. Из него выбирается Гарретт и, прихрамывая, подходит ко мне, его левое колено щедро забинтовано. «Добро пожаловать на Мауи», – говорит он и надевает мне на шею цветочное ожерелье. А затем запихивает мою сумку в багажник.

По дороге к «институту» Гарретт рассказывает, что под бинтом скрыты двадцать восемь скоб, скрепляющих все, что осталось от колена. Несчастный случай во время полета на параплане: ветер подул не в ту сторону или что-то такое – и Гарретта впечатало в вулканические породы. Самое прикольное, объясняет он, что все попало на видео, поскольку его полет снимали для какого-то документального фильма.

Его «институт» оказывается небольшим домом, расположенным на склоне холма, с верандой, выходящей во внушительных размеров сад. В гостиной висит белая доска, а в кухне есть красный светящийся дракон. Холл украшают фотографии прошлых визитеров. Солнце уже село, поэтому подруга Гарретта, Кристал, дает мне фонарик, чтобы я отыскала дорогу к маленькому деревянному гостевому домику, ютящемуся позади главного. И предупреждает насчет сколопендр.

Рано утром меня будит петух. Я подключаюсь к интернету и обнаруживаю в почте гору срочных писем, накопившихся за неделю разъездов. Два недовольных редактора жалуются из-за не высланных вовремя текстов, журналист просит комментарий, студент жаждет совета. Еще там маячат: документ, взывающий о подписи, два телефонных звонка, которые необходимо сделать, встреча, требующая переноса, приглашение на конференцию, которое нужно вежливо отклонить. Коллега возвращает на доработку черновик заявки на грант.

Я вспоминаю, как читала о героях прошлого века и физики-теоретики рисовались мне бородачами, что восседают в кожаных креслах, попыхивая трубками и думая свои великие думы. Забравшись в гамак, я покачиваюсь, пока не показывается наш серфер.

* * *

Гарретт опускается на какой-то предмет мебели для веранды, осторожно приподняв свою больную ногу. Он сетует на то, что уже неделю не занимался серфингом, и извиняется, что не может отвести меня на пляж. Я уверяю его, что все в порядке, я прилетела сюда не ради пляжа.

«Помните, мы с вами обсуждали математическую вселенную Тегмарка, его утверждение, что Вселенная сделана из математики? Вы тогда сказали, что, да, Вселенная сделана из математики, но только из самой красивой».

«Да, я действительно так думаю, – отвечает Гарретт. – Но остается вопрос: из какой именно математики?»

«Вот поэтому я и считаю идею Тегмарка бесполезной, – говорю я. – Она просто подменяет вопрос “Какая математика?” на другой – “Где в математической мультивселенной находимся мы?”. А по существу все то же самое».

«Верно, – соглашается Гарретт. – Интересно в качестве темы для беседы, но, если проверка невозможна, это не наука».

«Проверка была бы возможна, отыщи мы что-нибудь не поддающееся описанию с помощью математики», – предполагаю я.

«А, ну, такого случиться не может».

«Совершенно верно, – говорю я, – мы никогда не сможем узнать, действительно ли что-то нельзя описать математически, или это мы просто не в силах понять, как это сделать. Так почему же вы убеждены, что математика способна описать что угодно?»

«Все наши успешные теории – математические», – отвечает Гарретт.

«И неуспешные тоже», – возражаю я.

Гарретт, как ни в чем не бывало, с энтузиазмом принимается рассказывать: «Я начал свой путь в физике не с этого фанатичного поиска чего-то красивого для ее описания. Я начал с вопроса “Что такое электрон?”. Мне очень нравилась общая теория относительности. Но потом я добрался до квантовой теории поля – а там это безобразное описание электронов».

Гарретт искал описание фермионов, которое было бы таким же геометрическим, как описание гравитации. В общей теории относительности так называемая гравитационная сила возникает как следствие искривления пространства-времени вблизи масс. Четырехмерную геометрию пространства-времени можно основательно осмыслить только с помощью абстрактной математики. Однако принципиальное его сходство с листом резины делает общую теорию относительности ощутимой: пространство-время предстает перед нами знакомым, почти осязаемым. Любопытно, что и некоторые элементарные частицы – калибровочные бозоны – могут быть описаны схожим геометрическим образом (хотя все равно приходится справляться с теми забавными внутренними пространствами). Но такой геометрический подход не срабатывает в случае с фермионами.

«Это совершенно не давало мне покоя в аспирантуре», – говорит Гарретт.

«Почему вас это беспокоило?»

«Потому что я полагал, что Вселенная должна описываться как-то единообразно».

«Почему?»

«Думается, Вселенная должна представлять собой единый согласованный объект», – объясняет Гарретт.

«Вы говорите, что вам не нравилось, как описываются электроны, а это не есть несогласованность», – замечаю я.

«Верно. Но мне правда это не нравилось».

Гарретт говорит, что способ, которым мы сейчас описываем фермионы, не является «естественно геометрическим», и подчеркивает, что слово «естественный» он употребляет в ином смысле, нежели специалисты по физике элементарных частиц.

«Итак, фермионы не являются естественно геометрическими таким же образом, как гравитация и калибровочные бозоны. И это меня беспокоило, сильно. Но не беспокоило никого другого».

«А что насчет суперсимметрии?»

«Я изучал суперсимметрию. Но способ, каким она обычно определяется, очень странный. Неестественный, в математическом смысле. Кроме того, как только возникает формализм, описывающий бозоны и фермионы, он требует наличия суперсимметричных партнеров для всех частиц. А мы их не видели. И продолжаем не видеть», – говорит он, явно довольный.

«Так что я не был фанатом суперсимметрии. Я хотел найти естественное описание фермионов. Вот что я вознамерился искать после защиты диссертации. Вот почему приехал на Мауи».

«Сперва я работал над старой теорией Калуцы – Клейна[82], – рассказывает Гарретт. – И она казалась мне красивой… Но фермионы мне никак не поддавались».

Вплоть до этого момента история Гарретта во многом схожа с моей. Я тоже начинала работать над теорией Калуцы – Клейна, заинтригованная ее привлекательностью, но разочарованная тем, как в ней обходились с фермионами. Однако, в отличие от Гарретта, я платила за аренду квартиры с трехгодичной аспирантской стипендии, а мои жизненные устремления были типичны для среднего класса, для центральноевропейской семьи, в которой я выросла: достойная работа, милый дом, один или два ребенка, уютная старость и изящная урна для праха. Может, квантованная гравитация где-то на пути. Но переезда на остров в планах точно не было.

Когда мой энтузиазм по поводу теории Калуцы – Клейна за два года никуда не делся, научный руководитель недвусмысленно предложил мне сменить тему на большие дополнительные измерения – оживление теории Калуцы – Клейна Аркани-Хамедом и его коллегами, которое как раз расцветало. Я подумала, что научный руководитель прав, и вот тут наши с Гарреттом дорожки разошлись. Я пополнила ряды специалистов по физике элементарных частиц, финансировала свою работу, добывая краткосрочные контракты и гранты, и на регулярной основе добросовестно производила статьи на приемлемые, актуальные темы. Гарретт же избрал менее заезженную тропу.

«Через шесть лет я полностью оставил все эти калуца-клейновские дела, – говорит Гарретт. – Я мог это сделать, поскольку у меня нет академической инертности, я ведь работал тут на Мауи один – ни студентов, ни грантов».

Гарретт начал все заново и взглянул на проблему уже под другим углом. Спустя годы усердной работы он был вознагражден прорывным открытием. Он обнаружил, что все известные частицы – включая как бозоны, так и фермионы – можно описать геометрически с помощью одной большой группы симметрии. И в отличие от традиционных теорий Великого объединения, его вариант содержит еще и гравитацию.

* * *

Для своей теории Гарретт использует симметрию наибольшей исключительной группы Ли – E_8. Группы Ли, названные в честь Софуса Ли (1842–1899), особенно симпатичны, потому что в них можно еще изучать геометрию, во многом так же, как в привычном пространстве, которое мы видим вокруг себя. Вот что искал Гарретт.

Групп Ли бесконечно много. Однако к концу XIX века все они были классифицированы Вильгельмом Киллингом (1847–1923) и Эли Картаном (1869–1951). Оказывается, большинство групп Ли попадает в одно из четырех семейств, в каждом из которых содержится бесконечное число членов. Группы симметрии SU(2) и SU(3) Стандартной модели, например, тоже являются группами Ли и, как видно по их названиям, довольно просты по структуре. И действительно, для любого натурального N существует простая группа Ли SU(N). Есть еще три подобных бесконечных семейства групп Ли, но нас с вами они сейчас не заботят. Важнее то, что помимо этих четырех семейств есть пять «исключительных» групп Ли – G_2, F_4, E_6, E_7 и самая большая E_8. И можно доказать, что этими четырьмя семействами плюс пятью особыми группами исчерпываются все простые группы Ли, какие только существуют, и точка.

Чтобы прочувствовать, насколько это необычно, представьте, что вы зашли на веб-сайт, где можно заказать дверные таблички с номерами 1, 2, 3, 4 и так далее до бесконечности. А также вы можете заказать там эму, пустую бутылку и Эйфелеву башню. Вот насколько странно исключительные группы Ли смотрятся рядом с чинными бесконечными семействами.

* * *

«Я написал и опубликовал статью, и она привлекла к себе много внимания», – продолжает Гарретт, вспоминая резонанс в средствах массовой информации, вызванный его работой 147.

На тот момент, признает он, его теория еще имела некоторые изъяны, например, в ней не вполне правильно описывались три поколения фермионов. Но то было в 2007-м. В последующие годы Гарретт разрешил часть остававшихся загадок. Однако его шедевр по-прежнему не окончен, он пока еще не полностью удовлетворяет требованиям своего создателя (рис. 13).

«Но я добился-таки естественного описания фермионов, – говорит Гарретт. – Так что в известной степени я выполнил то, что задумал делать после аспирантуры. И нашел эту большую группу Ли E_8, на что и не рассчитывал. Я и не замахивался на поиски симпатичненькой теории всего – это было бы чересчур самонадеянно даже для меня».

Рис. 13. Главная диаграмма E_8, иллюстрирующая теорию всего, которую разработал Гарретт Лиси. Каждый символ – это элементарная частица. Разные символы обозначают разные типы частиц. Линии показывают, какие частицы связаны принципом тройственности. Нет, я тоже не знаю, что все это значит, но красиво ведь, правда? Изображение любезно предоставлено Гарреттом Лиси

«Что ж, это большая группа, – говорю я. – Так ли уж удивительно, что удается вместить в нее много всего? Даже слишком много всего – насколько я понимаю, вы получили еще и дополнительные частицы?»

«Да, около двадцати новых частиц, – соглашается Гарретт. Но поспешно добавляет: – Что не так много, как в теории суперсимметрии».

«Рискну предположить: они настолько массивны, эти ваши дополнительные частицы, что мы их не наблюдаем?»

«Да. Знаю, это типичная увертка теоретиков. Но действие[83] исключительно красиво. Напоминает действие для минимальной поверхности. Во многих отношениях это простейшее действие из возможных. Трудно представить, чтобы природа захотела его преобразовать».

«Откуда вы знаете, чего хочет природа?»

«Ну, таковы правила игры. Если вы намереваетесь найти теорию всего, ваш эстетический вкус – пожалуй, единственное, с чем вам нужно работать».

«Что делает вашу теорию красивой? Вы сказали, что добились геометрической естественности».

«Да, она естественна, потому что все поддается описанию с помощью геометрии. И используется самая большая из простых исключительных групп Ли. Она богата, но при этом проста. И еще расширения вглубь математики в разных направлениях… это правда изящно».

«Вы говорите прямо как специалист по теории струн».

«Я знаю! Знаю, что говорю как специалисты по теории струн. Я разделяю многие их устремления и чаяния. Если бы я тридцать лет вместе с тысячами людей развивал теорию E_8, а она провалилась бы, я оказался бы в таком же точно положении, как они сейчас».

После того как первоначальное внимание со стороны прессы поутихло, Гарретта Лиси и его теорию E_8 быстро забыли. Мало кто из сообщества физиков проявил к ней даже сдержанный интерес.

«Она не привлекла много внимания, не так ли?» – спрашиваю я.

«После исходной шумихи в прессе – нет».

«Какую-нибудь пользу тот ажиотаж принес?»

«Мой отец больше не спрашивает, когда же я наконец устроюсь на работу, – смеется Гарретт. – Я ведь очень хорошо учился в школе, защитил диссертацию, а затем… уехал на Мауи, чтобы стать серфером-бездельником. Так что мои родители были в шоке. Но я счастлив».

«Когда я занимаюсь физикой, – говорит Гарретт, – я прихожу сюда, где не думаю больше ни о чем другом, только о том, что передо мной, – о математике и структурах. В процессе я не могу думать ни о каких иных проблемах, происходящих в моей жизни. Это своего рода бегство, уход от действительности».

Для серфера-бездельника он необычайно умен. Неудивительно, что в интернете его любят.

«Вы говорили с Фрэнком [Вильчеком] о нашем с ним пари?» – спрашивает Гарретт.

Я совсем забыла об этом. В июле 2009 года Гарретт поспорил с Фрэнком на тысячу долларов, что никаких суперсимметричных частиц за следующие шесть лет так и не найдут.

«А потом на Большом адронном коллайдере обнаружились всякие неисправности с магнитами и прочим, – поясняет Гарретт. – Срок вышел в июле, но поскольку данные еще не все получены, мы договорились продлить срок спора еще на год». Он истечет через полгода.

«Да, поговаривали, что Большой адронный коллайдер обнаружит суперсимметрию, – говорю я. – Горди Кейн до сих пор думает, что глюино должны объявиться во втором запуске».

«Ого! – удивляется Гарретт. – Самое мерзкое, как он якобы предсказал массу бозона Хиггса – когда повсюду уже витали слухи. И за два дня до официального объявления результатов выдал свою статью. Затем официальное объявление подтверждает слухи, а он провозглашает это предсказанием теории струн!»

Гарретт не входит в научное сообщество, и это видно. Ему нет дела до грантов, или до будущих перспектив студентов, или до того, придутся ли рецензентам по вкусу его статьи. Он просто занимается любимым делом и говорит то, что думает. Многим людям это не очень нравится.

В 2010 году Гарретт написал статью о своей теории E_8 для журнала Scientific American 148. Он говорит, то был «интересный опыт», и вспоминает: «Когда стало известно, что статья выйдет, Жак Дистлер, специалист по теории струн, подбил кучу людей на то, чтобы угрожать журналу бойкотом, если моя статья будет там опубликована. Редакторы обдумали угрозу и попросили указать, что именно в статье неверно. А в ней не было ничего неверного. Я потратил на нее много времени – в ней все было абсолютно верно. Но от угроз никто не отказался. В конце концов Scientific American решил все равно опубликовать мою статью. Насколько я знаю, никаких негативных последствий не было».

«Я потрясена», – говорю я, и это правда.

«Специалистам по теории струн сейчас приходится трудно, – поясняет Гарретт, – они ведь три десятка лет обещали теорию всего, а результата так и не добились. Они надеялись, что просто придумают некое волшебное пространство с дополнительными измерениями и быстренько выведут из него правильным образом все частицы еще до обеда. Но теперь у нас есть цельная картина – полного провала».

И вместе с тем ставка Гарретта на математику так сильно похожа на уверенность в своей правоте специалистов по теории струн…

«Откуда у вас такая убежденность в том, что теория всего существует?» – спрашиваю я.

«Нынешнее состояние Стандартной модели – это какой-то бардак, – отвечает Гарретт. – Матрицы смешивания и массы, все эти параметры. Я придерживаюсь мнения, что все эти псевдослучайные параметры имеют под собой объяснение, которое приведет нас к лежащей в основе всего единой теории».

«А что не так со случайными параметрами? Почему все должно быть просто?»

«По мере того как мы спускаемся вниз по шкале расстояний, все всегда становится проще. Начинаем с химии: у всех веществ такие разные свойства, но исходные элементы довольно просты. Заглядываем дальше, внутрь атома: все становится даже еще проще. И вот у нас есть Стандартная модель, которая выглядит как полный комплект частиц и калибровочных бозонов. А благодаря моим результатам, думаю, мы получили хорошее геометрическое описание фермионов. Словно все – одно целое. Полагаю, что это просто продолжение пути, каким движется наука. Вещи начинают казаться более простыми, когда мы изучаем их на малых расстояниях».

«Это потому, что вы очень удачно начали с химии, – возражаю я. – Если стартовать с бо́льших расстояний, например масштаба галактик, то упрощаться ничего не будет. Сначала пойдет усложнение – вся эта жизнь, ползающая по планетам, и тому подобное. И только после уровня биохимии все начнет становиться проще.

«Нет, – качает головой Гарретт, – мы знаем, что элементарные частицы не могут быть похожи на планеты. Мы знаем, что они абсолютно идентичны».

«Не бывает никакого “абсолютно” – все всегда справедливо лишь с какой-то ограниченной точностью, – замечаю я. – Но я и не уподобляю элементарные частицы планетам. Я имею в виду только то, что, какой бы теория на малых расстояниях ни была, она может оказаться не проще, чем имеющееся у нас сегодня. Простота не всегда растет с увеличением разрешения».

«Да, теория может оказаться сумбурной, – соглашается Гарретт. – Или окажется, что существует некая исходная структура, которую мы никогда не сможем исследовать экспериментально, и все, что мы способны увидеть, – вот этот сумбур, торчащий на поверхности. Вэнь Сяоган, например, любит говорить, что законы природы в основе своей уродливы. Но мне эта мысль претит. Думаю, есть простое, единое описание, которое объяснит все явления».

Я делаю себе пометку связаться с Вэнь Сяоганом. В этот самый момент на веранде появляется парень в шортах и гавайской рубашке.

«Это Роб, – представляет мне парня Гарретт. – Он пришел сделать барбекю».

Гарретт празднует сегодня день рождения. Он позвал нескольких друзей, чтобы зажарить мертвых животных.

«Я думала, что барбекю будет вечером», – говорю я.

«Его конек – ребрышки, приготовленные на медленном огне, – объясняет Гарретт. – Но вы же вегетарианка, так что не сможете оценить его мастерство».

«То есть весь день будет пахнуть ребрышками?»

«Ага, – Гарретт машет рукой, будто пытается меня прогнать. – Это я выкуриваю вас на пляж».

* * *

В конце концов я все-таки иду на пляж. Морские черепахи проглядывают сквозь волны. Вода чистая, песок белый, и крупные песчинки – причудливой формы. Кристал, подруга Гарретта, объясняет мне, что песчинки делает небольшая рыба-попугай. Она грызет кораллы и, переварив их, возвращает остатки в океан. Местное название этой рыбки на гавайском языке, uhu palukaluka, переводится как «склонная к поносу». Взрослая рыба-попугай может производить больше 360 килограммов песка в год, а вся популяция, получается, – тонны и тонны.

Я обильно намазываюсь солнцезащитным кремом и погружаю большие пальцы в песок. Вот урок, который стоит выучить, думается мне: если нагромоздить большую кучу, даже дерьмо может выглядеть красиво.

ВКРАТЦЕ

• Физикам-теоретикам нравится идея о теории Великого объединения, сращивающей три вида взаимодействий Стандартной модели воедино. Несколько попыток построить такую теорию вступили в противоречие с экспериментальными данными, но идея осталась популярной.

• Многие физики-теоретики верят, что ставка на красоту основывается на опыте. Но опыт не поможет нам найти новые законы природы, если они красивы в каком-то непривычном смысле.

• Наука за последние десятилетия очень сильно изменилась, однако научные сообщества не адаптировались к этим изменениям.

• Нынешняя организация научного мира поощряет ученых присоединяться к уже лидирующим исследовательским программам и не поощряет критику собственной области исследований.

• Поддержка сообщества единомышленников влияет на то, как ученые оценивают полезность и потенциал теорий, над которыми решают работать.

Глава 8

Пространство, последний рубеж

В которой я пытаюсь понять специалиста по теории струн и мне это почти удается.

Всего лишь скромный физик

Январь, Санта-Барбара. Я намеревалась поговорить с Джозефом Полчински в декабре на конференции в Мюнхене, но в последний момент он отменил свое участие. А сейчас он в Санта-Барбаре в отпуске по состоянию здоровья от Калифорнийского университета.

После защиты диссертации я год проработала в Санта-Барбаре, однако адрес, который дал мне Джо, привел меня в ту часть города, где я ни разу не была. Здесь роскошно. Кусты аккуратно подстрижены, машины блестят, трава зеленеет. Я петляю по узким дорогам у подножия холма, вдали от привычных райончиков дешевых студенческих общежитий. В итоге нахожу нужный дом в конце тупиковой улицы и торможу перед гаражом. Середина дня, солнечно. Мимо проезжает садовник в чем-то вроде машины для гольфа. Пальмы раскачиваются на ветру.

На мгновение мой палец замирает у звонка. Обычно я не врываюсь в дома болеющих людей. Но Джо так был воодушевлен мюнхенской конференцией, сказал, что эта тема – «Зачем доверять теоретику?» – немало занимает его мысли. Значительную часть своей жизни он изучал математику теории струн. Я приехала выяснить, почему мы должны доверять математике.

* * *

Краткая история теории струн такова: эта теория изначально развивалась как кандидат на описание сильного ядерного взаимодействия, но физики быстро поняли, что другая теория, квантовая хромодинамика, подходит для этого лучше. Тем не менее они заметили, что струны обмениваются взаимодействием, которое сильно походит на гравитацию, – и струны получили новую жизнь как претенденты на теорию всего. Идея в том, что все частицы состоят из струн в разных конфигурациях, но струнная подструктура настолько мала, что мы не способны увидеть ее на достижимых в настоящее время энергиях.

Ради согласованности специалистам по теории струн пришлось постулировать, что струны населяют мир, в котором не три пространственных измерения, а двадцать пять (плюс одно временно́е)[84]. Поскольку эти дополнительные измерения не наблюдались, теоретики предположили, что они имеют конечный размер, или «компактифицированы», – скорее как (многомерные) сферы, чем бесконечные плоскости. А так как разрешение малых расстояний требует высоких энергий, мы и не могли пока заметить дополнительные измерения, если они достаточно малы.

Далее специалисты по теории струн обнаружили, что для предохранения вакуума в их теории от распада нужна суперсимметрия. Это уменьшило общее число измерений с двадцати пяти до девяти (плюс одно для времени), однако необходимость в компактификации не отпала. Поскольку никаких суперсимметричных частиц не наблюдалось, специалисты по теории струн предположили, что суперсимметрия нарушается при высоких энергиях, вот почему суперпартнеры, если существуют, не могли еще проявиться.

Довольно скоро было замечено, что суперсимметрия, даже если нарушается при высоких энергиях, привела бы к расхождению с экспериментом, допуская взаимодействия, которые вообще-то запрещены в Стандартной модели, взаимодействия, которые никогда не наблюдались. Так была изобретена R-четность, симметрия, вкупе с суперсимметрией попросту запрещающая ненаблюдаемые взаимодействия, поскольку иначе они противоречили бы постулату о новой симметрии.

Но проблемы на этом не закончились. До конца 1990-х годов теоретики имели дело со струнами только в пространственно-временных континуумах с отрицательной космологической постоянной. Когда же она была измерена и оказалась положительной, им пришлось быстро изобретать способ, как к этому приспособиться. Они разработали конструкцию, которая работает с положительным числом, однако теория струн по-прежнему вразумительнее всего для случая с отрицательной космологической постоянной 149. Над ним большинство специалистов по теории струн до сих пор и работают. Однако же он не описывает нашу Вселенную.

Все это не имело бы значения, если бы многочисленные корректировки способствовали созданию единой теории всего. Но физики, наоборот, обнаружили, что теория допускает огромное количество возможных конфигураций: все они берут свое начало от различных вариантов компактификации и приводят к разным теориям в пределе низких энергий. Поскольку существует так много способов построить теорию – по сегодняшним оценкам, 10^500, – Стандартная модель, вполне вероятно, где-то среди них есть. Однако ее не нашли, а учитывая бездну возможных вариантов, не исключено, что так никогда и не найдут.

В ответ большинство специалистов по теории струн отвергли идею, будто их теория однозначно определит законы природы, и вместо этого прониклись мультивселенной, в которой все возможные законы природы где-то да реализуются. И пытаются теперь построить распределение вероятностей для мультивселенной, в соответствии с которым наша Вселенная будет по меньшей мере вероятна.

Остальные специалисты по теории струн вообще бросили ковыряться в основаниях физики и попробовали найти себе применение где-то еще – например, использовать методы теории, чтобы разобраться со столкновениями больших атомных ядер (тяжелых ионов). В таких столкновениях (их изучение тоже внесено в программу Большого адронного коллайдера) на короткое время может образоваться кварк-глюонная плазма. Поведение плазмы трудно объяснить в рамках Стандартной модели, не потому, что Стандартная модель не работает, а потому, что никто не знает, как такие вычисления делать. Поэтому специалисты по ядерной физике радушно приняли новые методы из теории струн.

К сожалению, предсказания для Большого адронного коллайдера, основанные на теории струн, не согласовывались с данными, и специалисты по теории струн тихо похоронили эту попытку 150. Сейчас они утверждают, что их методы применимы для понимания того, как ведут себя определенные «странные» металлы, однако даже Джозеф Конлон, специалист по теории струн, уподобил ее применение для описания подобных веществ использованию карты Альп для путешествия по Гималаям 151.

Непрерывное подлаживание специалистов по теории струн под противоречащие данные стало настолько курьезным, что многие физические факультеты держат у себя нескольких таких ученых, поскольку общественность любит слушать об их героических попытках объяснить всё. Фримен Дайсон толкует популярность этого направления исследований так: «…Теория струн привлекательна, потому что создает рабочие места. А почему теория струн предоставляет так много рабочих мест? Потому что теория струн малозатратна. Если вы возглавляете факультет физики в какой-нибудь глубинке, располагая весьма скромными средствами, то у вас нет возможности оборудовать современную лабораторию для занятий экспериментальной физикой, но вы можете позволить себе нанять парочку специалистов по теории струн. Выделяете для них несколько рабочих мест – и вот у вас уже современный факультет физики»152.

* * *

Альтернативная история теории струн звучит так: теория струн изначально развивалась как кандидат на описание сильного ядерного взаимодействия, но физики быстро поняли, что другая теория, квантовая хромодинамика, подходит для этого лучше. Тем не менее они заметили, что струны обмениваются взаимодействием, которое сильно походит на гравитацию, – и струны получили новую жизнь как претенденты на теорию всего.

Примечательно, что струны естественным образом совмещаются с суперсимметрией, которая была независимо открыта как самое общее расширение пространственно-временных симметрий. Еще примечательнее, что, хотя исходно найдено было несколько различных типов теории струн, все они оказались связаны друг с другом «преобразованиями дуальности». Такие преобразования определяют объекты, описываемые в одной теории, с помощью объектов, описываемых в другой, тем самым показывая, что обе теории – альтернативные описания на самом деле одной и той же физики. Это натолкнуло специалиста по теории струн Эдварда Виттена на предположение, что существует бесконечное число теорий струн, связанных между собой, и все эти теории вбирает в себя более общая, единая «М-теория».

И струны продолжили удивлять физиков. В середине 1990-х физики заметили, что это теория не только струн, но и многомерных мембран, или, коротко, «бран». Вооружившись новым открытием, специалисты по теории струн смогли изучать многомерные аналоги черных дыр и вывели уже известные законы термодинамики обычных черных дыр. Это неожиданное соответствие убедило даже скептиков в том, что теория струн должна быть физически значимой. В то время как физика черных дыр все еще хранит свои тайны, специалисты по теории струн неумолимо приближаются к решению оставшихся проблем.

Физическая интуиция специалистов по теории струн привела еще и к математическим открытиям, особенно в отношении геометрических форм компактифицированных дополнительных измерений – так называемых многообразий Калаби – Яу 153. Физики, например, обнаружили, что пары геометрически очень разных многообразий Калаби – Яу связаны зеркальной симметрией. От математиков эта догадка ускользнула. С тех пор она породила много дальнейших исследований. Теория струн также позволила математику Ричарду Борчердсу доказать «гипотезу чудовищного вздора», связывающую самую большую из известных групп симметрии – группу-монстра – с определенными функциями 154. Хитроумная связь между теорией струн и математикой группы-монстра недавно вдохновила других ученых на то, чтобы оценить потенциальную значимость группы-монстра для понимания квантовых свойств пространства-времени.

Исследования в области теории струн также обеспечили важнейшее открытие в фундаментальной физике последних десятилетий – «калибровочно-гравитационную дуальность». Эта дуальность тоже устанавливает соответствие между структурами двух разных теорий, показывая, что обе на самом деле описывают одинаковую физику. Калибровочно-гравитационная дуальность подразумевает, что некоторые типы гравитационных теорий могут быть эквивалентным образом переформулированы как калибровочные теории, и наоборот[85]. Это означает, в частности, что физики могут использовать общую теорию относительности, чтобы производить вычисления, прежде математически невыполнимые.

Из этой дуальности следует нечто совершенно поразительное. Двойственные теории работают в разном числе измерений: пространство-время калибровочной теории имеет на одно пространственное измерение меньше, чем пространство-время теории с гравитацией. Это означает, что наша Вселенная – включая нас самих – может быть математически сжата в два пространственных измерения. Как голограмма, Вселенная только кажется трехмерной, а в действительности может быть закодирована на плоскости.

И это не просто новый взгляд на мир. Специалисты по теории струн также применили калибровочно-гравитационную дуальность к ситуациям с кварк-глюонной плазмой и высокотемпературными сверхпроводниками, и хотя количественные результаты еще не получены, качественные выглядят многообещающе.

Обе изложенные истории теории струн правдивы. Но ведь гораздо веселее выбрать одну и игнорировать другую.

* * *

Помимо того, что Джо написал один из первых учебников по теории струн, он еще сыграл важную роль в развитии теории, поскольку первым продемонстрировал, что теория струн не описывает исключительно одноразмерные объекты, но и содержит многомерные мембраны. Всего пару дней назад он опубликовал статью, в которой изложил свои размышления о том, полезны ли неэмпирические критерии для оценки перспектив теории, в данном случае – теории струн.

Я пожимаю руку его жене и сыну. Сняв обувь, на цыпочках прохожу по ковру и утопаю в кресле.

«Что вы думаете насчет идеи Рихарда Давида о неэмпирической оценке теорий?» – начинаю я.

«Я не понимаю, что значат эти слова, – отвечает Джо. – Я всего лишь скромный физик, пытающийся понять мир. Но подозреваю, что Давид говорит о чем-то довольно близком моему собственному образу мыслей. Если я задаюсь вопросами: “Над чем я хочу работать, если принять во внимание все указания, что я в своей жизни накопил?”, “Какие направления самые многообещающие?”, “Какие направления вероятнее всего приведут к успеху?”, то мне приходится делать подобную оценку. И я верю, что есть указания – я насчитал шесть типов, – подтверждающие, что теория струн – верное направление»155.

«Некоторые вещи, о которых говорит Давид, вроде бы совпадают с тем, как вижу проблему я. Но в то же время эти слова – “неэмпирическая”… О них я не думаю».

Он смотрит на меня выжидательно.

«Полагаю, что Давид имеет в виду именно то, что вы сказали, – соглашаюсь я. – И мы определенно принимаем в расчет другие факты помимо данных; так, по всей видимости, всегда и было. Однако сейчас задержка по времени между выдвижением гипотезы и ее проверкой стала очень большой, что делает оценку теорий иными способами, кроме как с помощью данных, все важнее».

«Да, – говорит Джо. – [Макс] Планк понял это больше ста лет назад: между тем, что они тогда могли измерить, и тем, куда нам, видимо, придется пойти, двадцать пять порядков величины. Сегодня эти две области все еще разделены пятнадцатью порядками. Есть сильная надежда, что мы сумеем увидеть что-то на низких энергиях, – это ваша тема, феноменология квантовой гравитации: попытка изыскивать все возможные способы видеть вещи, которые были бы доступны на низких энергиях. Увы, пока ничего не обнаружено, хотя всем нам очень бы хотелось обратного».

«Думаю, – продолжает он, – вы приложили много усилий, чтобы отделить идеи, которые звучат как хорошие, от тех, которые таковыми не кажутся. Я действительно вижу в вас того, кто сам лично сильно старался. Это важное дело. И вообще-то поистине неблагодарное, ведь количество плохих идей растет куда быстрее, чем число хороших. А зачастую гораздо больше времени уходит на то, чтобы разобраться, почему что-то неверно, чем породить нечто неверное».

Пожалуй, это самый милый способ, каким мне когда-либо давали понять, что я идиот.

«Люди, надеющиеся на феноменологию, – говорит Джо, – все сталкиваются с одинаковой проблемой: им нужно преодолеть остающиеся пятнадцать порядков. Тяжелейшая задача. В феноменологии теории струн ситуация преимущественно такая: у вас есть не столько теория, сколько возможная феноменология, которая однажды может стать частью теории. И не потому, что люди делают что-то неправильно, а потому, что вывести феноменологию – столь трудная задача. И поэтому сплошь и рядом нам приходится размышлять о значительно больших временных масштабах, чем мы привыкли».

«И все из-за Планка. Если бы только он выдумал число поменьше…»

* * *

Планковская энергия – того масштаба, где мы могли бы заметить квантовые флуктуации пространства-времени. Примерно 10^18 ГэВ, колоссально большая по сравнению с энергиями, достижимыми сегодня в коллайдерах (рис. 14). Большой разрыв между энергиями, доступными сегодня, и теми, на которых должны проявиться Великое объединение и квантовая гравитация, часто называют «пустыней», ведь, насколько нам сейчас известно, там может не быть никаких новых явлений.

Рис. 14. Шкала энергий

Если бы мы возжелали напрямую достичь планковских энергий, нам понадобился бы коллайдер размером с Млечный Путь. А если бы мы хотели измерить квант гравитационного поля – гравитон, – детектор должен был бы равняться по размеру Юпитеру и размещаться не где-нибудь, а на орбите мощного источника гравитонов, такого как нейтронная звезда. Это определенно не те эксперименты, которые нам могут профинансировать в ближайшее время. Поэтому многие физики насчет возможности измерить квантовую гравитацию настроены пессимистически, что влечет за собой философский вопрос: если мы не можем подвергнуть ее проверке, наука ли это?

Однако мало кого из физиков-теоретиков беспокоит эта дилемма, поскольку вопрос это не только эстетики, но и согласованности.

Объединение Стандартной модели с общей теорией относительности порождает внутренние противоречия, которые выше энергии Планка не могут описывать никаких наблюдений. Таким образом, мы знаем, что просто объединить две теории в одну – неправильная стратегия, должен быть способ получше.

Противоречия возникают из-за того, что общая теория относительности – не квантовая теория, но тем не менее должна откликаться на вещество и излучение, обладающие квантовыми свойствами. Согласно Стандартной модели, электрон, к примеру, может находиться в двух местах одновременно, поскольку описывается волновой функцией. А согласно общей теории относительности, масса электрона искривляет вокруг себя пространство-время. Но вокруг какого положения? Общая теория относительности ответить на этот вопрос не способна, потому что искривление пространства-времени не имеет квантовых свойств и не может находиться в двух местах одновременно.

Мы не можем провести нужные измерения, ведь гравитационное притяжение электрона слишком слабое, но это и не важно – теория должна быть способна давать четкие ответы на вопросы независимо от того, осуществима проверка или нет.

Подобные вопросы согласованности – редкие и чрезвычайно эффективные подсказки. Бозон Хиггса – пример как раз такого предсказания по необходимости. Стандартная модель без хиггсовского бозона становится внутренне несогласованной на масштабе энергий, достижимых в Большом адронном коллайдере, поскольку результаты некоторых вычислений начинают противоречить вероятностной интерпретации[86]. Следовательно, мы знали: в Большом адронном коллайдере что-то должно произойти.

Так как ни одно доказательство не лучше своих допущений, невозможно было бы доказать, что в Большом адронном коллайдере должно произойти нечто особенное. Это могло быть что-то, не связанное с бозоном Хиггса, – скажем, электрослабое взаимодействие вдруг становилось бы неожиданно сильным. Но мы знали: что-то должно произойти, раз теории, имевшиеся у нас на тот момент, не согласовывались. Если вы хотите потренировать свой мозг, можете попробовать вообразить природу, демонстрирующую настоящую логическую неувязку или, может, соблюдающую более замысловатые правила логики. Но и это означало бы «что-то новое».

Однако ожидание, что в Большом адронном коллайдере появятся какие-то другие новые частицы, кроме бозона Хиггса, родилось не из необходимости, а из веры в то, что природа старается избегать тонко настроенных параметров.

* * *

«Масса бозона Хиггса стала большим сюрпризом, – говорит Джо, – ведь суперсимметрию пока еще не нашли. И даже если бы ее сейчас нашли, числа уже так подкручены, что все еще требуется много тонкой настройки. Не знаю, что об этом думать. Но и ответа лучше у меня нет. Потому что космологическая постоянная – большая проблема. И нужно делать что-то с массой хиггсовского бозона».

«Сначала у нас было две идеи – техницвета и суперсимметрии – для разрешения проблемы с массой бозона Хиггса. В случае с техницветом решение делало частицы составными. К сожалению, эта идея быстро стала более сложной и менее перспективной. А теперь и суперсимметрия в том же положении. Это была красивая теория, какую очень легко с радостью приветствовать, но сейчас она становится все сложнее. Я все еще надеюсь, что мы ее обнаружим. И тогда, возможно, поймем, почему при высоких энергиях она реализуется более хитроумным образом, чем мы ожидали».

«У меня нет никаких догадок, почему суперсимметрию до сих пор не видно и что это означает для будущего. Все сейчас взволнованы из-за того всплеска на 750 ГэВ[87]. Ну, вы знаете».

«Что делает суперсимметрию такой уж красивой?» – спрашиваю я.

«Я всегда с некоторой осторожностью использую слова вроде “красота”. Они очень неопределенные, – говорит Джо. – Как-то я написал обзор о работах Дирака 156. Его очень сильно вдохновляла красота. В конце обзора я написал: “Красоту узнаёшь, когда видишь ее, и вот она перед вами”. Но все же в каком-то смысле я этого слова избегаю».

«Думаю, что геометрия воодушевляет меня меньше, чем большинство людей. Меня впечатляют идеи, связывающие воедино то, что прежде не было очевидным образом связано. Вот, например, мы знаем, что в мире есть бозоны, а есть фермионы, и было бы здорово, если бы они каким-нибудь образом оказались в прошлом связаны».

«Так вот суперсимметрия обеспечила вид связей, которые все жаждали увидеть. Она обеспечила связь между фермионами и бозонами и объяснила, почему бозон Хиггса не тяжелый. Она обеспечила возможность разобраться и с космологической постоянной, но это не сработало, и других хороших идей сейчас нет…»

Он умолкает. И в итоге заключает: «Возможно, все это просто справедливо на высоких энергиях и не применимо для наблюдаемого сегодня».

Некоторое время он задумчиво смотрит мимо меня, в окно. Затем неожиданно спрашивает, не желаю ли я выпить чашку кофе или еще чего-нибудь. Я отказываюсь, и он берет в руки какие-то записи.

Стена огня, навеки

Готовясь к конференции в Мюнхене, Джо составил список математических указаний, говорящих в пользу теории струн. Его список, замечаю я, хорошо соответствует тем аспектам красоты, о которых я уже слышала.

Теория струн, говорит мне Джо, убеждает его прежде всего тем, что справляется с квантованием гравитации, проблемой, для которой известно не много решений. Более того, как только вы проникаетесь идеей струн, у вас остается не так уж много свободы в том, что касается построения теории. Эти две причины, мне кажется, и отражают привлекательность «жесткости», которую также упоминали Нима Аркани-Хамед и Стивен Вайнберг.

Затем Джо отмечает, что другим свойством в защиту теории струн служит ее геометричность (очень важный аспект для Гарретта Лиси), хотя и добавляет, что лично для него это «не играет большой роли».

Следующие два пункта из списка Джо – случаи «связей», как он их называет, или, как выразился философ Давид, «объяснительной развязки». Они придают теории привкус неожиданности, необходимый, чтобы прослыть элегантной. Связи, которые называет Джо, такие: (1) новые открытия, сделанные благодаря калибровочно-гравитационной дуальности («Мы живем в голограмме»), и (2) вклад теории струн в термодинамику черных дыр.

* * *

Черные дыры образуются, когда достаточно большое количество вещества коллапсирует под действием гравитационного притяжения своей собственной массы. Если вещество не в состоянии создать достаточное внутреннее давление – к примеру, потому что звезда истощила все свои запасы топлива, – то продолжает коллапсировать, пока не сконцентрируется в точку. Когда вещество достаточно сильно сжато, гравитационное притяжение на поверхности становится столь сильным, что даже свет не может ее покинуть: рождается черная дыра. Граница, за которую свет не в силах вырваться, называется «горизонтом событий». Свет, попавший ровнехонько на горизонт событий, уже не сумеет вырваться и будет описывать круги вокруг черной дыры вечно, а так как ничто не может двигаться быстрее света, ничто не в силах покинуть черную дыру.

Горизонт событий – граница не физическая. Она не состоит из какого-то вещества, ее наличие может быть замечено только с расстояния, а не по мере приближения к ней. Вы можете даже пересечь горизонт событий, совершенно того не заметив, при условии, что черная дыра достаточно большая. А все потому, что в свободном падении мы не испытываем на себе гравитационного притяжения, а только его изменение – приливную силу. А приливная сила связана обратной зависимостью с массой черной дыры: чем крупнее черная дыра, тем слабее приливная сила.

И действительно, если вы падаете в сверхмассивную черную дыру – вроде той, что сидит в центре Млечного Пути, – приливная сила так мала, что вы и не заметите, как пересекаете горизонт событий. Если вы занырнули в черную дыру головой вперед, приливная сила будет растягивать вашу голову чуть больше, чем ноги, так что вас подрастянет. У горизонта событий вытяжение ничтожное. По мере приближения к центру черной дыры растяжение начнет становиться некомфортным, но к тому времени уже поздно будет поворачивать назад. Технический термин для причины вашей смерти будет звучать как «спагеттификация».

Черные дыры были гипотетическими объектами, однако за последние двадцать лет астрономы накопили неопровержимые доказательства[88] их существования, как для черных дыр звездных масс (образующихся из выгоревших коллапсировавших звезд), так и для сверхмассивных черных дыр (от 1 миллиона до 100 миллиардов масс Солнца). Сверхмассивные черные дыры обнаружены в центре большинства галактик, хотя до сих пор точно не известно, как эти черные дыры вырастают до своих размеров. Сверхмассивная черная дыра в нашей родной Галактике называется Стрелец А* (произносится «А со звездочкой»).

Лучшие эмпирические данные, доказывающие существование черных дыр, из имеющихся у нас сегодня связаны с орбитами звезд и облаков газа в окрестностях черных дыр в сочетании с отсутствием излучения, которое должно появляться, когда вещество падает на некую поверхность. Орбиты сообщают нам, какая масса стиснута в наблюдаемой области пространства, а отсутствие излучения говорит о том, что изучаемый объект не может иметь твердой поверхности.

Однако черные дыры зачаровывают не только экспериментаторов, но и теоретиков. Последних больше всего интригуют выводы, следующие из вычислений Стивена Хокинга. В 1974 году Хокинг продемонстрировал: хотя ничто не способно вырваться за горизонт событий, черная дыра все-таки может терять массу, излучая наружу частицы. Частицы так называемого излучения Хокинга порождаются квантовыми флуктуациями материальных полей вблизи горизонта событий. Частицы рождаются парами из энергии гравитационного поля. Время от времени одна частица из пары улетает прочь, тогда как вторая поглощается черной дырой, что суммарно ведет к потере черной дырой ее массы. Это излучение состоит из самых разных частиц и характеризуется температурой, обратно пропорциональной массе черной дыры, то есть чем меньше черная дыра, тем она горячее, а при испарении черная дыра нагревается.

Подчеркну, что излучение Хокинга вызывается не квантовыми эффектами гравитации, это результат квантовых эффектов вещества в искривленном неквантовом пространстве-времени. Стало быть, при вычислениях использовались только уже хорошо подтвержденные теории.

Почему испарение черных дыр так интригует теоретиков? Да потому, что излучение Хокинга не несет никакой информации (кроме значения самой температуры), оно абсолютно случайно. Однако в квантовой теории информацию нельзя уничтожить. Она может стать настолько лихо перемешанной, что фактически ее невозможно будет восстановить, но принципиально в квантовой теории информация всегда сохраняется[89]. Если вы сожжете книгу, информация, содержавшаяся в ней, только кажется утерянной, а на самом деле просто трансформировалась в дым и пепел. Хотя сожженная книга пользы вам уже не принесет, противоречий с квантовой теорией не возникает. Единственный известный нам процесс, в котором информация действительно уничтожается, – это испарение черных дыр.

Вот и парадокс: мы попробовали объединить гравитацию с квантовой теорией вещества и обнаружили, что результат несовместим с квантовой теорией. Должно существовать разрешение этой проблемы, но какое? Большинство физиков-теоретиков – включая меня – считают, что нам нужна теория квантовой гравитации, чтобы ответить на этот вопрос.

До 2012 года многие специалисты по теории струн думали, что разрешили проблему потери информации с помощью калибровочно-гравитационной дуальности. Согласно этой двойственности, все, что бы ни происходило во время формирования и испарения черной дыры, можно альтернативным образом описать в рамках калибровочной теории. А в калибровочной теории мы знаем, что процесс обратим, а значит, и испарение черной дыры тоже должно быть обратимо. Это не объясняет, каким же образом информация покидает черную дыру, но демонстрирует, что в теории струн проблемы нет. Еще лучше, что с помощью этого метода специалисты по теории струн могут подсчитать, сколько есть способов сделать черную дыру – «микросостояния» черной дыры, – и результат прекрасно согласуется с вычислениями температуры, произведенными Хокингом.

Для специалистов по теории струн все выглядело хорошо. Но затем случилось нечто неожиданное. Вычисления Джо Полчински и его коллег из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре показали: то объяснение, что они считали верным, не может быть верно 157[90].

Излучение Хокинга – не содержащее информации – согласуется с общей теорией относительности, согласно которой свободно падающий наблюдатель не должен заметить, как пересекает горизонт событий. А Полчински с коллегами показали, что если излучение Хокинга несет-таки информацию, то горизонт событий должен быть окружен частицами, обладающими высокой энергией, которые быстро сжигают все и вся, падающее в черную дыру, – то есть черные дыры были бы окружены своеобразной огненной стеной, «файерволом».

Файервол загнал специалистов по теории струн в безвыходную ситуацию: уничтожить информацию и разрушить квантовую механику – или выпустить информацию из черной дыры и разрушить общую теорию относительности. Для теории, назначение которой – объединить квантовую механику с общей теорией относительности, оба варианта неприемлемы.

За четыре года, прошедших с публикации статьи о файерволе, на нее сослались более пятисот раз, но никакого согласия насчет того, что же делать, достигнуто не было.

Температура черных дыр звездных масс и сверхмассивных черных дыр так мала, что не может быть измерена, – она гораздо ниже и так уже ничтожной температуры реликтового излучения. Черные дыры, за которыми мы сейчас способны наблюдать, прибавляют в массе, заглатывая свое окружение, больше, чем теряют за счет излучения Хокинга. Так что нет ни малейшей возможности экспериментально проверить какие бы то ни было гипотезы относительно испарения черных дыр. Это чисто математическая задача с нулевым риском вступить в конфликт с данными.

Математика против надежды: конкретный пример

Шестое и последнее математическое указание, говорящее в пользу теории струн, из списка Джо – это мультивселенная. Включение мультивселенной в перечень приветствуемых аспектов теории струн далось ему, однако, непросто.

Защитив диссертацию, рассказывает мне Джо, он попытался объяснить значение космологической постоянной – в то время считавшееся равным нулю, – но не мог найти ему объяснения. Затем Стивен Вайнберг предположил, что космологическая постоянная – это случайный параметр, а в таком случае возможно лишь вычислить, какое наиболее вероятное значение мы можем наблюдать.

«Когда Вайнбергу пришел в голову этот аргумент, я ему противился. Я хотел рассчитать значение, не желал, чтобы оно было случайным числом».

Вайнберг не сказал, где существуют все случайные значения космологической постоянной, он просто предположил, что вселенных должно быть много. То еще была довольно туманная мысль, откровенно говоря. Но все изменилось, и не без участия Джо.

Он вспоминает: «Потом мы с [Рафаэлем] Буссо показали, к моему большому огорчению, что теория струн вроде бы обеспечивает ровно тот тип микроскопического закона, который нужен был Вайнбергу». Математика выявила еще одну связь, на этот раз не только неожиданную, но еще и нежеланную.

«Я хотел, чтобы эта связь ушла, но она не уходила, – говорит Джо. – Даже после того, как другие люди начали над ней работать и изучать ее, я хотел, чтобы она ушла. Мне пришлось пойти к психиатру, я не преувеличиваю. Я был так несчастен! Я чувствовал, будто отбирают один из наших последних ключей к разгадке базовой природы фундаментальной физики, потому что значения, которые мы надеялись вычислить, стали случайными».

Космологическая постоянная была измерена, и предсказание Вайнберга оказалось верным. Мультивселенная продемонстрировала свою целесообразность.

Джо продолжает: «Шон Кэрролл через несколько лет напомнил мне, что я пообещал уступить ему свой кабинет, когда будет найдена космологическая постоянная, поскольку я воспринимал это концом физики. Долгие годы я чувствовал, будто значительная часть нашего пути вперед перекрыта».

«Если честно, – добавляет Джо, – есть у меня большая склонность к тревожности, не раз осложнявшая мне жизнь. Но мультивселенная довела меня до такого состояния, что я подумал, не сходить ли к врачу. Правда-правда, я в итоге ходил к психиатру из-за мультивселенной». И смеется.

Но потихоньку Джо примирился с новым положением вещей. Теперь он считает достоинством теории струн то, что она обеспечивает целый ландшафт решений, который делает возможными вероятностные предсказания.

«Мысленно проследив историю науки и отбросив собственные мои ожидания, – говорит Джо, – признаюсь, что теория струн предоставила недостающий кусочек пазла, необходимый Вайнбергу, чтобы завершить его картину».

* * *

Мне кажется, история Джо обнажает сложность, о которой ученые редко рассказывают: принять правду бывает трудно, особенно если она уродлива.

Поиск красоты и смысла в естественном порядке вещей – это извечное человеческое стремление, и ученые тоже ему подвержены. Психолог Ирвин Ялом выделил бессмысленность как один из четырех наших экзистенциальных страхов[91], и мы прилагаем много усилий, чтобы убежать от нее. И действительно, многие когнитивные искажения, такие как склонность выдавать желаемое за действительное (психологи предпочитают называть ее «мотивированным мышлением»), служат нам защитой от грубой реальности.

Но как ученый вы обязаны отпустить эти утешительные заблуждения. Не всегда это просто. Открывшееся в ваших уравнениях может оказаться не тем, на что вы надеялись, – и цена несовпадения бывает высока.

Джо – один из самых интеллектуально честных людей из всех, кого я знаю. Он всегда готов следовать за аргументом, независимо от того, нравится ли ему, куда тот ведет, – как показывают примеры с файерволом черной дыры и с мультивселенной. Это позволяет ему исключительно ясно мыслить, хотя иногда ему совершенно не нравятся выводы, которые заставила его сделать логика. И вот та самая причина, по которой мы используем математику в теоретической физике: если математика выполнена корректно, выводы неоспоримы.

Но физика – не математика. Даже безупречный логический вывод все равно зависит от допущений, от которых мы отталкиваемся. В случае с теорией струн эти допущения, в числе прочих, – симметрии специальной теории относительности и процедура квантования. Никак нельзя доказать сами эти допущения. В конечном счете только эксперимент способен установить, какая из теорий природы верна.

* * *

Джо дошел до конца своих записей. Он говорит, что для него самая большая проблема из стоящих сейчас перед теорией струн – это файервол черной дыры. Файервол «преподал нам урок: мы знали куда меньше, чем нам казалось», объясняет Джо.

«Как далеко, по вашему мнению, мы продвинулись на пути к теории всего?» – спрашиваю я.

«Ненавижу термин “теория всего”, потому что “всё” – это расплывчато и кичливо, – замечает Джо как бы между прочим. – Думаю, теория струн неполна. И нуждается в новых идеях. Они могут прийти из петлевой квантовой гравитации. Тогда произойдет слияние направлений… И может оказаться, что новое направление как раз таки нам и нужно. Однако теория струн была столь успешна, что люди, которые собираются добиваться прогресса, будут неизбежно опираться на эту идею».

Теория струн и ЕЕ недостатки

Действие в романе Стивена Кинга «Томминокеры», изданном в 1987 году, начинается в лесу, где Роберта находит частично закопанный металлический объект. Она пробует вытащить его из земли, но тот не поддается, поэтому она начинает его раскапывать. Вскоре и другие люди присоединяются к ней в фанатическом порыве откопать захороненный объект, чем бы тот ни был, – огромную штуковину неизвестного назначения, уходящую глубоко под землю. Чем больше люди откапывают, тем хуже становится их здоровье, но зато они приобретают новые способности, включая телепатию и суперинтеллект. Объект оказывается инопланетным космическим кораблем. Некоторые люди умирают. Конец.

Стивен Кинг сам называл «Томминокеров» «ужасной книгой»158. Может, он и прав, но получается отличная метафора теории струн: чужеземный объект неизвестного назначения, глубоко погребенный в математике, и крайне фанатичная толпа людей с суперинтеллектом, пытающихся разобраться, в чем тут дело.

Они до сих пор не знают, что их теория из себя представляет. Даже лучший друг специалистов по теории струн Джозеф Конлон таинственно назвал ее «упорядоченной структурой непонятно чего»159. А Даниэль Амати, один из основоположников области, сказал, что «теория струн – это часть физики XXI века, случайно попавшая в век XX»160. Знаю, в XX веке это звучало убедительнее.

Но несмотря на все споры, не утихающие вокруг теории струн в обществе, внутри сообщества физиков мало кто сомневается в ее полезности. В отличие от вихревой теории атома, математика теории струн глубоко коренится в теориях, которые очевиднейшим образом описывают природу: в квантовой теории поля и общей теории относительности. Поэтому мы уверены, что теория струн имеет связь с реальным миром. Также мы знаем, что она может помочь лучше понять квантовую теорию поля. Но действительно ли теория струн – это та желанная теория квантовой гравитации и объединения взаимодействий Стандартной модели, мы до сих пор не знаем.

Сторонники теории струн любят указывать на то, что, раз она является некоей теорией квантовой гравитации и связана с теориями, в правильности которых мы не сомневаемся, кажется разумным надеяться, что это та самая теория квантовой гравитации. Теория струн – настолько грандиозный и красивый математический аппарат, что ее сторонники не понимают, как это природа могла им не воспользоваться.

Например, широко используемый учебник по теории струн, написанный Ларсом Бринком и Марком Энно, начинается так: «Необыкновенная красота теории струн пленила многих физиков-теоретиков современности. Эта теория очаровала даже очень скептически настроенных людей уже известными своими результатами и большими возможностями в перспективе»161[92]. А вот слова Джона Шварца, одного из основоположников области: «…Математическая структура теории струн столь прекрасна и имеет столько поразительных свойств, что, несомненно, должна указывать на что-то более глубокое» 162[93].

Впрочем, в математике полно потрясающих и красивых вещей, и большинство из них мир не описывают. Я могла бы до скончания вечной инфляции распространяться о том, как же несправедливо, что мы живем не в комплексном многообразии размерности шесть, ведь расчеты в подобных пространствах куда красивее, чем в вещественном пространстве, с которым нам приходится иметь дело, – но это ничего бы не изменило. Природе все равно. К тому же не только никто не доказал, что теория струн однозначно следует из общей теории относительности и Стандартной модели, но такое доказательство вообще невозможно привести, поскольку – а теперь хором – ни одно доказательство не лучше своих допущений.

А мы никогда не сумеем доказать истинность допущений. Следовательно, теория струн – не единственный подход ни к квантовой гравитации, ни к объединению; просто другие подходы берут иные допущения в качестве отправных точек, как теория E_8 Гарретта Лиси, которая исходит из предпосылки, что природа должна быть геометрически естественна. Однако помимо теории струн есть лишь несколько подходов к квантовой гравитации, развившихся до уровня заметных исследовательских программ.

Сейчас самый главный конкурент теории струн – петлевая квантовая гравитация. Во избежание проблем, которые обычно возникают при попытке проквантовать гравитацию, в этой теории вводятся новые динамические переменные, квантовые объекты – маленькие петли в пространстве-времени (отсюда и название теории). Сторонники петлевой квантовой гравитации считают, что важнее с самого начала соблюдать принципы общей теории относительности, чем принимать в расчет объединение взаимодействий Стандартной модели. Специалисты же по теории струн придерживаются противоположной точки зрения, полагая, что требование объединения всех взаимодействий дает дополнительные ориентиры.

Асимптотически безопасная гравитация – это, пожалуй, наиболее консервативное продолжение имеющихся у нас на сегодня теорий. Исследователи в этой области утверждают, что мы попросту ошибаемся, думая, что с квантованием гравитации возникает проблема. Если посмотреть внимательнее, говорят они, обычное квантование работает весьма неплохо. В этой теории проблемы, возникающие с квантованием гравитации, предотвращаются, поскольку гравитация становится слабее при высоких энергиях.

Причинная динамическая триангуляция разрешает проблему, сначала аппроксимируя пространство-время триангулярными формами (отсюда и название), а затем квантуя их. Благодаря этой идее в последние годы достигнут существенный прогресс, особенно в описании геометрии ранней Вселенной.

Есть и еще парочка подходов к квантовой гравитации, но перечисленные – в настоящее время самые популярные[94]. Сегодня почти при всех попытках проквантовать гравитацию предполагается, что симметрии, обнаруженные нами в Стандартной модели и общей теории относительности, уже выдают часть глубинной структуры. Противоположная точка зрения заключается в том, что наблюдаемые нами симметрии сами по себе не фундаментальны, а эмерджентны.

И возникает красота

Вэнь Сяоган – профессор физики конденсированного состояния в Массачусетском технологическом институте. Его область исследований имеет дело с системами, состоящими из многих частиц, которые действуют сообща, то есть с твердыми телами, жидкостями, сверхпроводниками и тому подобным. В терминах третьей главы физика конденсированного состояния использует эффективные теории, справедливые только при низком разрешении, или низкой энергии, – и не относится к основаниям физики. Однако Сяоган думает, что Вселенная и все в ней работает как конденсированное вещество.

В его воображении пространство состоит из крохотных элементарных ячеек, и то, что мы считаем частицами Стандартной модели, есть лишь коллективные движения – «квазичастицы» – этих элементарных ячеек. У Сяогана еще имеется квазичастица, исполняющая роль гравитона, так что гравитация тоже охвачена; он нацелился на завершенную теорию всего 163.

В теории Сяогана элементарные ячейки – это квантовые биты, или «кубиты», квантовые аналоги классических битов. Классический бит допускает два состояния (скажем, 0 и 1), а кубит может находиться в обоих состояниях разом, в любых возможных комбинациях. В квантовом компьютере кубиты состоят из частиц. Но в теории Сяогана кубиты – фундаментальные объекты. Они не сделаны из чего-то еще, они просто есть, как струны в теории струн. Согласно Сяогану, Стандартная модель и общая теория относительности не фундаментальны, а эмерджентны – и возникают они из кубитов.

Думаю, его идея послужит неплохим антидотом против привлекательности теории струн, поэтому я договариваюсь с ним созвониться.

«А чем вам не нравятся, – начинаю я, – существующие подходы – теория струн, петлевая квантовая гравитация, суперсимметрия – в том, что касается квантовой гравитации и объединения взаимодействий?»

«У меня очень строгий подход к квантовой теории», – говорит Сяоган и начинает излагать свои идеи. Чтобы описать кубиты и то, как они взаимодействуют, он использует большую матрицу – более строгий вариант таблицы, – каждый элемент которой описывает кубит. Матрица эта меняется в абсолютном времени, тем самым разрушая концепцию единства пространства и времени, сформулированную Эйнштейном.

Мне это совсем не нравится. Но ведь потому и решено было поговорить с ним, напоминаю я себе.

«Ваша матрица конечна?» – спрашиваю я, не очень-то желая верить, что всю Вселенную можно свести в таблицу.

«Да», – отвечает Сяоган. И добавляет, что его подход предполагает конечность и самой Вселенной. «Если рассматривать пространство как решетку, то в каждом ее узле будет один или два кубита. Мы утверждаем, что постоянная решетки может быть планковского масштаба. Но у решетки нет непрерывной геометрии – Вселенная есть лишь отдельные кубиты. Квантовая динамика кубитов описывается матрицей, и матрица конечна».

Чудесно, думаю я; это еще уродливее, чем я предполагала. «Вы просто постулируете эту матрицу?» – спрашиваю я Сяогана.

«Да, – говорит он, – и я убежден, что все главные особенности Стандартной модели могут быть из этой матрицы получены. У нас еще нет полной модели, но все необходимые составляющие могут быть образованы кубитами на решетке».

«А что происходит со специальной теорией относительности?» – интересуюсь я.

«В точку! Вот об этом нам действительно стоит беспокоиться».

Действительно, думаю я, пока он объясняет, что специальная теория относительности «согласуется с кубитным подходом, но не естественным образом».

«Что значит “не естественным образом”?» – желаю я знать.

Оказывается, чтобы отладить специальную теорию относительности, Сяоган должен тонко настроить параметры модели. «Почему должно быть так, я не знаю, – говорит он. – Но если вы настаиваете, я могу это сделать».

Как только тонкая настройка будет осуществлена, кубитная модель Сяогана сможет примерно воспроизвести специальную теорию относительности, по крайней мере, так он мне говорит.

«Но калибровочные симметрии эмерджентны при низких энергиях?» – допытываюсь я, желая убедиться.

«Да», – подтверждает Сяоган. Учитывая, что «фундаментальная теория природы может и не иметь вообще симметрии», объясняет он, «нам в кубитной модели и не нужна никакая симметрия, чтобы на низких энергиях получить калибровочную».

Кроме того, говорит Сяоган, он и его коллеги нашли некоторые намеки на то, что модель может также содержать приближение общей теории относительности, хотя, подчеркивает он, точных выводов они пока не делали.

Я настроена скептически, но велю себе быть более открытой. Разве это не то, что я искала, – тропинка вне проторенной дороги? Разве на самом деле менее странно верить, что все состоит из струн, или петель, или некоего 248-размерного представления алгебры Ли, чем верить, что все состоит из кубитов?

Какой же явной дикостью должно выглядеть для человека, в последний раз имевшего дело с физикой в одиннадцатом классе, то, что людям платят за подобные идеи! Но ведь людям платят и за бросание мяча в кольцо, вспоминаю я.

«Как вашу работу приняли?»

«Плохо, – говорит Сяоган. – Специалистов по физике высоких энергий мало волнует то, что мы пытаемся сделать. Они спрашивают, зачем мы это делаем, поскольку думают, что Стандартной модели плюс теории возмущений вполне достаточно, а выходить за эти пределы, по их мнению, и не нужно».

Внезапно я понимаю, из чего исходит Сяоган. Дело вообще не в объединении взаимодействий. Он хочет вычистить грязную математику Стандартной модели.

* * *

Если вдруг у вас сложилось впечатление, что мы понимаем теории, с которыми работаем, вынуждена вас разочаровать – это не так. Мы даже не можем решить уравнения Стандартной модели, поэтому находим их приближенные решения с помощью так называемой теории возмущений.

Для этого мы сначала смотрим на частицы, вообще не взаимодействующие, чтобы понять, как они движутся в непотревоженном состоянии. Затем позволяем им сталкиваться друг с другом, но легонько, так, чтобы они не сшибали друг друга со своих траекторий слишком сильно. Затем мы производим последовательные уточнения, принимающие в расчет возрастающее число мягких столкновений, пока не достигнем желаемой точности вычислений. Будто сперва намечаем контур, а затем постепенно добавляем детали.

Однако этот метод работает только тогда, когда взаимодействие между частицами не слишком сильное – столкновения не чересчур жесткие, – поскольку иначе уточнения не становятся все более тонкими (то есть перестают быть уточнениями). Вот почему, например, трудно рассчитать, как кварки объединяются для формирования атомных ядер, ведь при низких энергиях сильное взаимодействие действительно сильно – и уточнения не становятся прецизионнее. По счастью, так как сильное взаимодействие ослабевает при высоких энергиях, расчеты для столкновений на Большом адронном коллайдере сравнительно просты.

Даже несмотря на то, что метод в некоторых случаях работает, мы знаем, что математика в конце концов даст сбой, поскольку уточнения становятся все деликатнее не до бесконечности. Для прагматичного физика метод, обеспечивающий корректные предсказания, вполне подходит, независимо от того, пришли ли математики к согласию относительно причин действенности этого метода. Однако, как заметил Сяоган, по большому счету мы не понимаем собственной теории. Возможно, мы допускаем промах в математике, а может, это намек на более глубокую проблему[95].

Вэнь Сяоган считает, что эта проблема получает незаслуженно мало внимания, а недостаток внимания означает недостаток экспериментов, которые помогли бы расставить все по местам. «Нам нужны новые эксперименты, которые заставляют людей взглянуть в лицо проблеме», – говорит он. И предлагает изучать поведение вещества в ранней Вселенной в тех случаях, с которыми нельзя справиться обычными приближениями.

Он прав, думается мне, жаль, что я недооценила его идею. Я совершенно забыла об этих общеизвестных проблемах. Никто о них вообще не упоминает.

«Когда я пытаюсь написать статью для специалистов в области квантовой гравитации и физики высоких энергий, а ведь исходно я и сам занимался физикой высоких энергий, то чувствую, насколько затруднено общение, – говорит Сяоган. – Стандартная точка зрения и стартовая точка сильно различаются. На наш взгляд, стартовая точка – просто много обычных кубитов. Но это ведет к калибровочной симметрии, [фермионам] и так далее. А красота эмерджентна. Это, увы, непопулярно, не мейнстрим».

ВКРАТЦЕ

• Проблемы согласованности служат эффективными подсказками при поиске новых законов природы. И это не вопрос эстетики.

• Но даже проблемы согласованности нельзя разрешить исключительно математически, без экспериментальной помощи, потому что сама формулировка проблемы зависит от допущений, принятых как истинные.

• Физики-теоретики виновны в том, что сложные вопросы заметают под ковер, а упор делают на тех вопросах, которые с большей вероятностью дадут пригодные для публикации результаты за короткое время.

• Причина сегодняшнего отсутствия прогресса может быть в том, что мы усиленно занимаемся не теми вопросами.

Глава 9

Вселенная: все, что в ней есть, и даже больше

В которой я восхищаюсь тем, как же много выдумано способов объяснить, почему никто не видит изобретаемых нами частиц.

Законы как сосиски

Если вам кажется, что в последнее время было больше прорывных открытий, чем когда-либо прежде, вы правы. В 2015 году исследователи из Нидерландов подсчитали прилагательные, использующиеся в научных статьях, и обнаружили, что частота слов «беспрецедентный», «прорывной» и «новый» выросла на 2500 % или больше с 1974 по 2014 год. На втором месте оказались слова «оригинальный», «поразительный» и «перспективный», которые стали встречаться более чем на 1000 % чаще 164. Мы изо всех сил стараемся продать свои идеи.

Науку иногда называют «рынком идей», но он отличается от рыночной экономики прежде всего потребителями, нужды которых мы удовлетворяем. В науке специалисты удовлетворяют нужды только других специалистов, и мы оцениваем продукты друг друга. Окончательный вердикт основывается на нашей успешности в объяснении наблюдений. Однако в отсутствие экспериментальной проверки самым важным свойством, которым должна обладать теория, становится одобрение коллег.

Для нас, теоретиков, одобрение коллег, как правило, и определяет, будут ли вообще наши теории когда-либо подвергнуты проверке. Если оставить за скобками счастливое меньшинство, осыпанное призовыми деньгами, в современном научном мире судьба идеи зависит от анонимных рецензентов, выбираемых среди наших коллег[96]. Без их одобрения добыть финансирование на свои исследования сложно. Непопулярная теория, разработка которой требует больших затрат времени, чем может себе позволить исследователь без финансовой поддержки, скорее всего, обречена на скорую смерть.

Другое различие между рынком потребительских товаров и рынком идей состоит в том, что стоимость товара определяется рынком, а стоимость научного объяснения в конечном счете определяется его полезностью для описания наблюдений – просто эта стоимость зачастую неизвестна, когда исследователи должны решить, чему посвятить свое время. Таким образом, наука – не тот рынок, внутри которого создается стоимость, это скорее прогностическая платформа для определения стоимости извне. Функция научного сообщества и всех его институций – отбирать самые перспективные идеи и поддерживать их. Однако это означает, что в науке маркетинг не дает системе работать должным образом, поскольку искажает относящуюся к делу информацию. Ведь если все прорывное и новое, то ничто не таково.

Необходимость оценивать, какие идеи стоят того, чтобы получить отсутствующую экспериментальную поддержку, возникла сначала в фундаментальной физике, ведь в этой области исследований новые гипотезы проверить сложнее всего. Но эта проблема рано или поздно заявит о себе и в других дисциплинах. По мере того как добывать данные становится все сложнее, задержка по времени между разработкой теории и ее экспериментальной проверкой растет. И поскольку теории дешевы и изобильны, а эксперименты дороги и малочисленны, так или иначе нам приходится выбирать, какие теории стоят проверки.

Это не значит, что наши описания природы обречены оставаться социальными конструктами без всякой связи с реальностью. Наука – деятельность социальная, нет сомнений. Но пока мы осуществляем экспериментальные проверки, наши гипотезы завязаны на наблюдения. Вы могли бы возразить, что эксперименты тоже проводятся и оцениваются людьми, и это так – наука «определяется обществом» в том смысле, что ученые тоже люди и работают в сотрудничестве друг с другом. Но если теория работает, то она работает – и обзывание ее социальным конструктом становится бессмысленной претензией.

Однако это подразумевает, что мы вполне можем застрять на непроверенных гипотезах и устаревших идеях, когда нам не хватает новых данных. В фундаментальной физике мы словно канарейка в шахте. И лучше бы нам не сидеть безучастно на земле, потому что социальные конструктивисты глядят в оба, предвкушая добычу.

И канарейка чувствует себя неважно. Казалось бы, ученые, с их профессиональной обязанностью быть объективными, должны защитить свою творческую свободу и восстать против необходимости угождать коллегам, чтобы обеспечивать себе дальнейшее финансирование. Но они этого не делают.

Есть несколько причин, почему ученые принимают участие в этом безобразии. Одна состоит в том, что те, кто не в силах терпеть подобную ситуацию, уходят, а тех, кто остается, все вполне устраивает – или, может, им просто удается убедить себя, что все в порядке[97]. Другая причина заключается в следующем: размышления о том, как лучше всего провести исследование, отнимают время у самого исследования и приводят к конкурентному отставанию. Несколько друзей из лучших побуждений пытались отговорить меня от написания этой книги.

Но главная причина в том, что ученые доверяются науке. Они не беспокоятся. «Такая система», – пожимают они плечами, а затем рассказывают себе и всем, кто готов слушать, что это не имеет значения, ведь они верят, что наука в любом случае работает, тем или иным образом. «Послушайте, – говорят они, – наука всегда работала». И проповедуют новаторство по наитию. Неважно, что мы делаем, гласит проповедь, все равно нельзя провидеть достижения. Все мы неглупые люди, так позвольте же нам заниматься своим делом и изумляться непредвиденным побочным результатам, когда те будут случайно появляться. Разве вы не слышали: Тим Бернерс-Ли изобрел Всемирную паутину для того, чтобы помочь специалистам по физике элементарных частиц обмениваться данными?

«Все сойдет» – это, конечно, славная идея, но если вы считаете, что неглупые люди лучше всего работают, когда свободно следуют своим интересам, то вы должны убедиться, что они могут-таки свободно следовать своим интересам. И ничегонеделания недостаточно.

Я насмотрелась этого в своей собственной области исследований, о чем и рассказывается в данной книге. Но это проблема не только оснований физики. Почти все ученые сейчас отягощены скрытым конфликтом интересов между финансированием и честностью. Даже от исследователей, работающих по бессрочным контрактам, сегодня ожидаются непрерывный поток высокоцитируемых публикаций и добывание грантов, а и то и другое требует постоянного одобрения коллег-рецензентов. Чем больше одобрят коллеги, тем лучше. И наоборот: открыто говорить о недостатках чьей-либо исследовательской программы – значит перечеркивать чьи-то шансы на финансирование в будущем. Мы заряжены на то, чтобы производить все больше того же самого.

Вы добьетесь куда большего в подобной игре, если вам удастся убедить себя в том, что это все еще хорошая наука. Очевидно, что я в этом не преуспела. «Законы, как и сосиски, уважают тем больше, чем меньше знают, как они делаются», – сострил Джон Годфри Сакс. Он имел в виду гражданские законы, но сегодня то же можно сказать и о законах природы.

Подкоп под темноту

В 1930 году Вольфганг Паули постулировал существование новой частицы – нейтрино, – чтобы объяснить загадочную потерю энергии при радиоактивном распаде. Он назвал это «отчаянным средством» и признался своему коллеге, астроному Вальтеру Бааде: «Сегодня я совершил ужасную вещь, совершенно недопустимую для физика-теоретика. Я выдвинул гипотезу, которую никогда нельзя будет подтвердить или опровергнуть экспериментально»[98]. Существование нейтрино было экспериментально подтверждено четверть века спустя.

Со времен Паули постулирование новых частиц стало любимым занятием теоретиков. У нас имеются: преоны, сфермионы, дионы, магнитные монополи, симпы, вимпы, вимпзиллы, аксионы, гигантские магноны, максимоны, «макро», скирмионы, стерильные нейтрино (и это я перечислила только самые популярные)[99]. У нас даже есть «нечастицы». Ни одну из них никто никогда не видел, но их свойства тщательно описаны в тысячах опубликованных научных статей.

Первое правило изобретения новой частицы звучит так: вам нужна уважительная причина, почему эта частица еще не была обнаружена. Вы можете постулировать, что для ее рождения нужна слишком большая энергия, или что эта частица взаимодействует слишком редко – и чувствительности существующих детекторов просто не хватает, или и то и другое.

Схоронить новые частицы подальше, на высоких энергиях, особенно модно в физике высоких энергий. Для рождения частицы много энергии может требоваться либо потому, что сама частица очень массивна, либо потому, что частица сильно взаимодействующая и, чтобы ее увидеть, связь нужно разорвать. Альтернативный вариант – объяснять отсутствие обнаружения предполагаемой слабостью взаимодействия – больше приветствуется в астрофизике, поскольку такие частицы становятся неплохими кандидатами на роль темной материи. В совокупности и те и другие частицы составляют так называемый скрытый сектор теории.

* * *

Вселенная что-то от нас скрывает. Мы знаем об этом с 1930-х годов, когда Фриц Цвики направил стодюймовый[100] телескоп Хукера на скопление Волосы Вероники – несколько сотен галактик, связанных взаимным гравитационным притяжением. Галактики движутся со средней скоростью, определяемой суммарной массой скопления, удерживающей их вместе. Цвики, к своему удивлению, обнаружил, что движутся они значительно быстрее, чем могла бы объяснить их общая масса. Он предположил, что скопление содержит дополнительное невидимое вещество, и назвал его dunkle Materie – темной материей.

Это не осталось единственной странностью в небе. Когда Вера Рубин сорок лет спустя изучала вращение спиральных галактик, то заметила, что звезды во внешних областях галактик обращаются вокруг центра быстрее, чем должны были бы. Так происходило в каждом из более чем шестидесяти исследованных ею случаев. Скорость, необходимая для того, чтобы звезда оставалась на устойчивой орбите, зависит от суммарной массы в центре траектории движения. И раз внешние рукава галактик так быстро вращаются, значит, галактики должны содержать больше вещества, чем можно увидеть. Они должны содержать темную материю.

По мере того как проводились все новые эксперименты, накапливались доказательства, что подобное происходит во Вселенной повсюду. Флуктуации реликтового излучения согласуются с другими данными, только если мы добавляем в расчеты темную материю. Темная материя также нужна, чтобы привести формирование галактических структур во Вселенной в соответствие с данными наших наблюдений. Без темной материи Вселенная просто не выглядела бы такой, какой мы ее видим. Следующее доказательство связано с гравитационным линзированием – искривлением траектории света, вызываемым искривлением пространства-времени. Скопления галактик отклоняют свет больше, чем может объяснить их видимая масса. Там должно быть что-то еще, чтобы столь сильно искривлять пространство-время.

Сначала родилось предположение, что галактики содержат неожиданно много трудноразличимых звездных объектов вроде черных дыр или коричневых карликов. Но такие объекты должны тогда присутствовать и в нашей Галактике, вызывая существенно большее гравитационное линзирование, – чего не наблюдается. Идея, согласно которой темная материя состоит из сверхкомпактных объектов с массами гораздо меньшими, чем у типичной звезды, не была полностью сброшена со счетов, поскольку они бы не искривляли траектории света в достаточной степени, чтобы вызвать поддающееся наблюдению гравитационное линзирование. Неясно, однако, как вообще подобные объекты сформировались бы. Поэтому физики сейчас оказывают предпочтение другому типу темной материи.

Объяснение, привлекшее больше всего внимания, заключается в следующем: темная материя состоит из частиц, которые собираются в облака и окружают видимые диски галактического вещества почти сферическими гало. Но известные частицы практически все слишком сильно взаимодействуют и слишком сильно сгущаются, чтобы образовывать такие гало. Исключение – нейтрино, но они чересчур легкие, слишком быстро движутся и недостаточно скучиваются. Получается, из каких бы частиц темная материя ни состояла, это нечто новое.

* * *

Второе правило изобретения новой частицы таково: вы должны обосновать, почему она вот-вот будет обнаружена, иначе никому до нее и дела не будет. Довод не обязан быть веским – все коллеги и так хотят вам поверить, – но вы должны предоставить людям объяснение, которое они смогут повторять. Распространенный способ сделать это – выискать какие-нибудь численные совпадения и затем объявить, что они намекают на новую физику в запланированном на будущее эксперименте, причем использовать при этом такие выражения, как «естественное объяснение» и «многообещающая связь». Если ваша идея таких совпадений не порождает, не волнуйтесь – просто попытайте удачи со следующей идеей. Чисто статистически вы иногда будете попадать в яблочко.

Особенно удачное численное совпадение, инициировавшее много исследований в астрофизике, – так называемое WIMP-чудо. WIMP («вимп») означает «слабо взаимодействующая массивная частица» (Weakly Interacting Massive Particle). Эти частицы сейчас самые главные кандидаты на роль темной материи, не в последнюю очередь потому, что их легко включить в суперсимметричные теории. Исходя из их массы и силы взаимодействия, мы можем оценить, сколько вимпов образовалось бы в ранней Вселенной. Расчеты дают правильную распространенность темной материи – близко к измеренному значению в 23 %. Вот это соответствие и называют WIMP-чудом.

По мнению астрофизика Кэтрин Фриз, WIMP-чудо – «основная причина того, что вимпы так серьезно принимают за кандидатов на роль темной материи»165. Джонатан Фэн, другой хорошо известный исследователь в этой области, считает такое численное соответствие «чрезвычайно волнующим», а остальные соглашаются, что оно «служило важнейшей движущей силой теоретиков в этой области на протяжении многих лет»166. Оно служило движущей силой и для экспериментов.

Поскольку мы знаем суммарную массу, которую темная материя добавляет Млечному Пути, то можем оценить, сколько частиц темной материи определенной массы каждая должны проноситься сквозь нас. Число колоссальное: если брать для расчетов в качестве типичной массу вимпа в 100 ГэВ, получается, что около десяти миллионов этих частиц проходят через вашу ладонь ежесекундно. Но взаимодействуют они крайне редко: оптимистическая оценка показывает, что килограмм вещества детектора взаимодействует с одним вимпом в год 167.

Однако редко – не значит никогда. Возможно, нам удастся найти доказательства существования вимпов, пристально следя за большими объемами вещества, защищенного от всех прочих взаимодействий частиц. Какая-нибудь частица темной материи нет-нет да и натолкнется на один из атомов нашего вещества, оставив по себе чуточку энергии. Экспериментаторы сейчас отслеживают три возможных намека на эту энергию: ионизацию (выбивание электронов из атомов, меняющее заряд), сцинтилляцию (испускание атомом вспышки света) и фононы (нагрев или колебания). Эксперименты такой чувствительности нередко проводятся глубоко под землей, где большинство частиц космических лучей отсеиваются окружающей породой.

О возможности отслеживать редкие взаимодействия темной материи первыми заговорили Марк Гудман и Эдвард Виттен в 1985 году 168. Охота же на частицы темной материи началась задним числом: экспериментаторы, работавшие с детектором, исходно созданным для поимки нейтрино, в 1986 году сообщили о первых «интересных ограничениях для галактической холодной темной материи и легких бозонов, испущенных Солнцем»169. На обычном языке «интересные ограничения» означают, что не найдено ничего. В нескольких других экспериментах, связанных с нейтрино, тогда тоже были получены интересные ограничения.

В начале 1990-х годов темная материя удостоилась первого собственного эксперимента – COSME. На волне внимания, привлекаемого суперсимметрией, один за другим были приставлены к делу многочисленные другие детекторы: NaI32, BPRS, DEMOS, IGEX, DAMA[101] и CRESST-I. Те получили еще какие-то интересные ограничения. В середине 1990-х EDELWEISS получил «самые строгие ограничения, основанные на наблюдении нулевого события»170.

Однако все это может попросту означать, что разыскиваемая частица взаимодействует слабее, чем предполагалось. И запущены были новые эксперименты: ELEGANTS, CDMS, Rosebud, HDMS, GEDEOn, GENIUS, GERDA, ANAIS, CUORE, XELPLin, XENON 10 и XMASS. CRESST I обновили до CRESST II. CDMS модернизировали до SuperCDMS. ZEPLIN I усовершенствовали до II, а затем и до III. Во всех этих экспериментах были получены интересные ограничения. И новые детекторы с еще большей чувствительностью вступили в строй: CoGeNT, ORPHEUS, SIMPLE, PICASSO, MAJORANA, CDEX, PandaX и DRIFT. В 2013 году участники проекта XENON100 – проверяя вероятность взаимодействия, уже в 100 000 раз меньшую, чем предполагалось исходно, – сообщили, что нет «данных, свидетельствующих в пользу сигнала от темной материи»171. XENON100 недавно превратился в XENON1T. Строятся установки для новых экспериментов.

Минуло тридцать лет. Темная материя все еще не отловлена. Диапазон параметров, где имеет место WIMP-чудо, был между тем исключен[102].

Просто сидеть и надеяться

Но наука требует терпения, напоминаю я себе, и лезу в интернет в поисках свежего оптимизма и энергии. «Твиттер» подсказывает мне Кэтрин (Кэти) Мэк, больше известную как Астрокэти.

Астрокэти недавно стала в «Твиттере» знаменитостью, когда один ее остроумный ответ опубликовала у себя Джоан Роулинг. Я просматриваю ленту Кэти. Селфи с котом, фото с Брайаном Коксом, запись телевизионного интервью с ней и много-много ответов на вопросы по астрофизике. Когда вам необходимо обоснованное мнение о воде на Марсе или об актуальных проектах по поиску темной материи, вы можете рассчитывать на Астрокэти. Когда вы жаждете фактов о гравитационных волнах или об открытых за прошедшую неделю экзопланетах, стоит спросить Астрокэти. А когда вы ищете кого-нибудь, кто сможет открыто выступить на темы сексизма и домогательства в науке, Астрокэти и тут к вашим услугам: она привлекает внимание своей аудитории в «Твиттере» к малому числу представителей меньшинств и женщин в науке, о чем многие ученые предпочли бы забыть.

«Вот продвинутый ученый», – думаю я. И отправляю Кэти сообщение.

За публичным образом Кэти стоит профессиональный астрофизик и научный сотрудник с ученой степенью в Мельбурнском университете (Австралия). Когда мы разговариваем по «Скайпу», на Кэти куртка с логотипом НАСА, и я никогда не видела ничего круче. Я спрашиваю Кэти о ее области исследований и получаю емкий ответ: «Я работала над многими вещами, которыми темная материя, по всей видимости, не является».

«В чем привлекательность этой модели?» – задаю я следующий вопрос.

«В моей области модель интересна, если у нее есть следствия, которые мы можем обнаружить, – говорит Кэти. – Я подхожу к теориям с очень практической точки зрения. Мне интересны по-настоящему впечатляющие новые модели, но только если у них есть следствия, которые можно проверить».

«Работая над диссертацией, я занималась аксионами. Аксионы всегда были моей любимой моделью темной материи, поскольку они играют такую важную роль в стольких вещах. Они возникают из сильного ядерного взаимодействия и затем вписываются в космологию, а также в теорию струн. С точки зрения теории, думаю, аксионы – самые перспективные кандидаты на роль темной материи, потому что вам не приходится доставать их из ниоткуда, они возникают отовсюду, а это, мне кажется, лучше всего».

* * *

Аксионы – следующие по популярности после вимпов кандидаты на роль темной материи. Исходные аксионы, придуманные для решения проблемы с тонкой настройкой сильного взаимодействия (сильной CP-проблемы), были сброшены со счетов почти так же быстро, как предложены. Потом теорию подкорректировали так, чтобы аксион мог взаимодействовать только очень слабо. Иногда так прямо и называемую «невидимым аксионом», новую частицу трудно детектировать, и она служит неплохим кандидатом на роль темной материи.

Невидимые аксионы, если существуют, образовывались бы в ранней Вселенной. Они могут возникнуть в состояниях с крайне низкой энергией, а затем сформировать стабильный конденсат, пронизывающий Вселенную. Это могла бы быть темная материя, признаки присутствия которой мы наблюдаем. Но за аксионами не числится никакого чуда, и если вы хотите довести их плотность до плотности темной материи, то вам придется осуществить тонкую настройку их зарождения в ранней Вселенной[103]. Что делает их менее привлекательными, чем вимпы. Но специалисты по физике элементарных частиц все равно симпатизируют аксионам, потому что те придают красивый вид сильному ядерному взаимодействию.

Многие из упомянутых выше экспериментов по поимке вимпов чувствительны также и к аксионам и дали интересные ограничения. Но, в отличие от вимпов, аксионы взаимодействуют с электромагнитными полями, пусть и слабо, и поэтому их можно детектировать, создав мощные магнитные поля, которые превратят небольшую долю приходящих аксионов в фотоны. Этим методом аксионы темной материи ищутся в эксперименте ADMX (Axion Dark Matter Experiment) с 1996 года. В эксперименте ЦЕРН CAST (CERN Axion Solar Telescope), запущенном в 2003 году, идет поиск аксионов, родившихся в Солнце, на энергиях, сильно превышающих энергию аксионов темной материи. В других экспериментах, например ALPS-I и ALPS-II, PVLAS и OSQUAR, пытаются наблюдать обратный процесс – как фотоны превращаются в аксионы, – тщательно изучая поведение света в магнитных полях. Пока ни в одном из этих экспериментов ничего не обнаружили.

* * *

К сожалению, в своей диссертационной работе я не сумела найти хороших способов сделать так, чтобы аксионы работали без какой-либо тонкой настройки в одном или другом месте, – говорит Кэти. – Это было не очень весело. Ведь проблема, которую решает аксион, сильная CP-проблема, – это проблема тонкой настройки. Так что если вы порождаете новую проблему тонкой настройки, то просто рядите исходную в новые одежды».

«А что не так с тонкой настройкой?» – спрашиваю я.

«Вообще тонкая настройка сигнализирует о том, что в наших теориях есть что-то неестественное. Если в них присутствует крайне маленькое число, вы вынуждены заключить, что вам очень сильно повезло. Привлекательного в этом мало. Просто кажется, что должно быть какое-то другое объяснение. В иных случаях, когда имелась тонкая настройка, всегда находилось объяснение и в итоге оказывалось, что то была не тонкая настройка».

«Вы сказали “очень сильно повезло”. Но как же можно делать утверждения о вероятности, не имея распределения вероятностей?» – удивляюсь я.

«Что ж, вы правы. Это лишь эстетическое чувство теоретиков, – отвечает Кэти. – Если в теории присутствует маленькое число, им это не нравится. Гораздо приятнее иметь число, близкое к 1. Я не знаю ни одной важной причины, по которой все должно быть именно так – все наши константы должны быть порядка 1. Мы просто так подходим к своим теориям. Это не вполне бритва Оккама, ведь упрощения не происходит, но ощущение такое есть».

«Люди так делают, но следует ли им так делать?» – вопрошаю я.

«Если вы основываете всю аргументацию в пользу существования новой частицы на решении проблемы с тонкой настройкой, то вы, собственно говоря, обязаны ее решить. Но так как сама я модели не разрабатываю, мне не приходится глубоко в это погружаться. Так что тут я немножко агностик. Но я правда считаю, что естественность попросту привлекательнее. И если учесть, как теоретическая физика развивалась, действительно кажется, что руководящий принцип, связанный с простотой, неплох для начала. Так что я поддерживаю озабоченность естественностью. Но не могу делать какие-то громкие заявления, и не должна. И это хорошо».

«Мультивселенная – это выход из положения?»

«Ненавижу мультивселенную, – отвечает Кэти. – Знаю, это клише, но я действительно ее ненавижу. Полагаю, ей присуща своего рода элегантность, ведь вы можете просто махнуть рукой на попытки понять параметры. Но мне не нравится, что ее трудно подвергнуть проверке, и я нахожу ее уродливой. Какая-то неприглядная мешанина, а мы просто случайно тут оказались, и приходится прибегать к антропному принципу… Мне правда не нравится мультивселенная. У меня нет веских доводов против нее, но мне она, ей-богу, не нравится».

«Как вы расцениваете последние данные с Большого адронного коллайдера, ведь масса хиггсовского бозона, похоже, требует тонкой настройки?» – спрашиваю я.

«Я этим активно не занимаюсь, так что не знаю, каковы трудности и каковы ограничения. Просто сижу и надеюсь. Но я сильно бы удивилась, если бы достаточно было просто нагромоздить друг на друга множество эпициклов, чтобы все заработало правильно. У нас есть некоторые указания на то, что нужна новая физика, и непохоже, чтобы суперсимметрия собиралась заработать. Но я оптимист. Полагаю, мы найдем суперсимметрии какую-нибудь замену, которая не будет ужасно подкручена».

«Масса бозона Хиггса, – продолжает Кэти, – тревожит меня в том смысле, что я не знаю, что произойдет. Я слышала, люди говорят, будто это кошмарный сценарий. Но не думаю, что мы зашли в тупик. Наверное, я просто доверяюсь специалистам по физике элементарных частиц – у них появятся новые идеи и новые модели. Мне не кажется это удручающим, скорее, наоборот, волнующим – теперь у нас есть эта большая загадка».

«Может, и нет ничего красивей Стандартной модели, а теперь она станет уродливее, – говорит Кэти, – но чутье мне подсказывает, что мы найдем способ упростить беспорядочную картинку, превратив ее во что-то более цельное. Вот это и привлекало меня всегда в физике: выявление красивой картинки, которая объединяет в себе беспорядочные вещи».

«Вас не беспокоит, что эксперименты по детектированию темной материи ничего не дали?» – спрашиваю я.

«Я не слишком-то тревожусь, что частица не обнаружилась. Думаю, свидетельства в пользу того, что темная материя состоит из частиц с определенными свойствами, стали только надежнее. У нас теперь есть более сильные ограничения, и становится труднее поймать эту частицу – и это облом. Но все очень хорошо укладывается в схему, согласно которой темная материя состоит из частиц. Страшно интересно, что бы это могло быть. Я беспокоилась бы, что темная материя, возможно, состоит не из частиц, будь у нас другая модель, столь же хорошо согласующаяся с данными».

«Определенно есть люди, утверждающие, что модифицированная гравитация может не меньше», – напоминаю я.

«Она не очень-то убедительна. Мне не доводилось видеть ничего, что говорило бы, будто темная материя, состоящая из частиц, – плохая модель. И мне не доводилось видеть ничего, что говорило бы, будто модифицированная гравитация хоть чем-то лучше. Думаю, частицы проще, чем добавление дополнительных полей. Если бы модифицированная гравитация лучше согласовывалась с данными, я бы ею заинтересовалась».

* * *

Чтобы объяснить имеющиеся космологические данные, мы вынуждены предположить, что Вселенная содержит два новых, до сих пор загадочных компонента. Один из них – темная энергия. Другой обычно приписывают состоящей из неких частиц темной материи, обобщенно называемой жидкостью. Но ровно тот же эффект, что дает эта дополнительная жидкость, может еще иметь место, если ответ гравитации на обычное вещество не такой, как предсказывают наши уравнения.

Однако модифицировать гравитацию сложнее, чем добавить частицы в Стандартную модель. Модификация гравитации присутствовала бы всюду, тогда как частицы могли бы находиться здесь в одном количестве, а там в другом. Поэтому темная материя, состоящая из частиц, куда более гибкая.

Возможно, слишком гибкая. Астрофизики обнаружили у части галактик закономерности, которые темная материя, состоящая из частиц, объяснить не способна, такие как зависимость Талли – Фишера (эмпирически полученное соотношение между светимостью галактики и скоростью ее наиболее удаленных звезд). Есть и другие проблемы с темной материей, состоящей из частиц. Например, эта модель предсказывает, что Млечный Путь должен иметь больше галактик-спутников, чем мы наблюдаем, и никак не объясняет, почему те, что мы наблюдаем, лежат почти в одной плоскости. Еще центры галактик получаются не вполне правильными, если исходить из модели темной материи, состоящей из частиц: плотность вещества там должна быть выше наблюдаемой.

Возможно, эти изъяны вызваны астрофизическими процессами, которые не были еще должным образом учтены в согласованной космологической модели. Интересный был бы сценарий, но он не изменил бы оснований физики. Или, может, эти изъяны подсказывают нам, что темная материя, состоящая из частиц, – неверное объяснение.

Первая попытка модифицировать гравитацию, известная как модифицированная ньютоновская динамика, не подчинялась симметриям общей теории относительности, что серьезно свидетельствовало против этой альтернативной гипотезы 172. Новые варианты модифицированной гравитации симметриям общей теории относительности подчиняются и объясняют наблюдаемые галактические закономерности лучше, чем темная материя, состоящая из частиц 173. Но эти варианты плоховато работают на расстояниях, сильно меньших или больших, чем размер галактики.

Решение может находиться где-то посередине. Недавно группа исследователей предположила, что темная материя – это сверхтекучая жидкость, которая на малых расстояниях походит на модифицированную гравитацию, а на больших допускает гибкость темной материи, состоящей из частиц 174. Эта идея объединяет преимущества обеих теорий, избегая их недостатков.

Несмотря на терминологические различия, математика модифицированной гравитации и математика темной материи, состоящие из частиц, почти одинаковы. Как говорит Кэти, для модифицированной гравитации приходится вводить новые – пока не обнаруженные – поля. Для темной материи, состоящей из частиц, приходится вводить новые – пока не обнаруженные – частицы. Но частицы описываются полями, так что разница ничтожна. Что отличает эти подходы, так это тип полей и их способ взаимодействия с гравитацией. С точки зрения специалиста по физике элементарных частиц, поля модифицированной гравитации обладают необычными свойствами. Они непривычны. Несимпатичны. И поэтому модифицированная гравитация осталась где-то на задворках сообщества физиков. У нее всего-навсего несколько десятков сторонников, тогда как над вимпами и аксионами работают тысячи ученых.

Сегодня модифицированная гравитация согласуется не со всеми космологическими данными, равно как и согласованная космологическая модель. Возможно, дело в том, что этот подход неверен. Но не исключено, что просто мало кто пытается согласовать модифицированную гравитацию с данными.

* * *

«А что думаете вы? – спрашивает Кэти в конце нашего разговора. – Считаете ли вы, что мы отыщем более красивые и простые модели?»

И тогда я осознаю, что из всех, с кем я говорила, никто больше не спросил моего собственного мнения. И я этому рада, поскольку ответа на вопрос у меня не было бы.

Но за время моих странствий мне стало ясно, что я не упускаю какое-то обоснование того, почему коллеги полагаются на красоту. Такого обоснования попросту нет. Как бы мне ни хотелось верить, что законы природы красивы, не думаю, что наше чувство прекрасного – надежный руководящий принцип; напротив, оно отвлекает наше внимание от других, более насущных вопросов. Вроде того, на который указал Стивен Вайнберг, – связанного с появлением макроскопического мира. Или, как напомнил мне Вэнь Сяоган, – с нашим непониманием квантовой теории поля. Или, как показывает ситуация с мультивселенной и естественностью, – с нашим непониманием того, что применительно к закону природы означает быть вероятным.

И я отвечаю Кэти, что, да, думаю, у природы припасено для нас еще много красоты. Только вот красоту, как и счастье, нельзя найти, просто жалуясь на ее отсутствие.

Призрачные поля и пятые силы

Есть еще один способ постулировать новую физику и тут же припрятать ее в рукаве – ввести поля, которые становятся значимыми либо только на очень больших расстояниях, либо только в очень ранней Вселенной, а и то и другое проверить трудно. Подобные изобретения сегодня допустимы, поскольку тоже объясняют численные совпадения.

В общей теории относительности космологическая постоянная – свободный параметр. Это означает, что нет никакого глубинного принципа, исходя из которого можно было бы вычислить ее значение, – оно должно быть определено экспериментально. Ускоряющееся расширение Вселенной показывает, что космологическая постоянная положительна и ее значение относится к масштабу энергий, сравнимых с массой самого тяжелого из известных нейтрино. Таким образом, для специалистов по физике элементарных частиц это очень маленькие энергии (см. рис. 14)[104].

Если космологическая постоянная ненулевая, значит, пространство-время, не содержащее никаких частиц, уже не плоское. Поэтому космологическая постоянная часто интерпретируется как вакуум с ненулевыми плотностью энергии и давлением.

Общая теория относительности ничего не говорит нам о значении космологической постоянной. В квантовой теории поля, однако, мы можем вычислить плотность энергии вакуума – и она оказывается бесконечно большой. Но в отсутствие гравитации это не важно: мы все равно никогда не измеряем абсолютные значения энергий, мы измеряем лишь разницу энергий. В Стандартной модели без гравитации мы можем, таким образом, использовать нужные математические процедуры, чтобы избавиться от бесконечности и получить физически осмысленный результат.

Но в присутствии гравитации бесконечный вклад становится физически значимым, ведь он вызвал бы бесконечное искривление пространства-времени. А это определенно не имеет смысла. Дальнейшая проверка, по счастью, показывает, что энергия вакуума ничем не ограничена, только если экстраполировать Стандартную модель в область бесконечно высоких энергий. А поскольку мы ожидаем, что эта экстраполяция будет нарушаться при планковской энергии (самое позднее), энергия вакуума должна быть степенью планковской энергии. Уже лучше – теперь энергия вакуума по крайней мере конечна. Но все же слишком велика, чтобы согласовываться с наблюдениями. Такая огромная космологическая постоянная давным-давно разорвала бы нас в клочья или схлопнула бы обратно Вселенную.

Впрочем, мы можем просто выбрать в общей теории относительности свободную константу, так чтобы при добавлении ее ко вкладу квантовой теории поля (каким бы тот ни был) результат согласовывался с наблюдениями. Стало быть, ожидание, что сумма окажется где-то вблизи от планковской энергии, опять-таки основано на аргументе о естественности. Если бы мы могли проделать вычисления, так гласит легенда, мы вряд ли нашли бы два больших числа, которые почти, но не точно друг друга уничтожают, оставляя после себя только то маленькое значение, что мы наблюдаем.

Следовательно, космологическая постоянная неестественна, если выражаться языком физиков. Она требует тонкой настройки. Ее маленькое значение некрасиво. С ней все в порядке – просто физикам она не нравится.

Казалось бы, константа – самое простое допущение, какое теория вообще может иметь. Однако вера в то, что значение космологической постоянной требует объяснения, служит для теоретиков предлогом, чтобы изобретать новые законы природы. Вайнберг задал тон с антропным принципом – и теперь часть физиков занята тем, что придумывает распределения вероятностей для мультивселенной. Другой часто применяемый способ объяснить значение константы – сделать ее динамической, чтобы она имела право меняться во времени. Если динамическая константа удачно определена, она может предпочитать маленькие значения – и это может что-то объяснять. Подобные обобщенные версии космологической постоянной называются темной энергией.

Если темная энергия – это не просто космологическая постоянная, то ускорение расширения Вселенной должно чуточку меняться со временем. Доказательств тому нет. Зато есть обширнейшая литература о предполагаемых полях темной энергии, таких как хамелеоновые поля, дилатонные поля, модули, космоны, фантомные поля и квинтэссенция. Эксперименты разрабатываются.

И это не все невидимые поля, в которые играют космологи. Есть еще инфлатонное поле – раздувшее раннюю Вселенную.

* * *

Инфляция – стремительное расширение Вселенной сразу после Большого взрыва – это смелая экстраполяция в прошлое, назад во время, когда плотность вещества была гораздо выше тех плотностей, что мы когда-либо исследовали.

Чтобы строить предсказания, связанные с инфляцией, надо прежде указать, что делает инфлатонное поле, придуманное для ее осуществления. Для этого необходимо придать инфлатонному полю потенциальную энергию, которая будет зависеть от нескольких параметров. Как только потенциал поля выбран, можно из инфляции рассчитывать распределение флуктуаций плотности в ранней Вселенной. Результат зависит от параметров потенциала, и для некоторых простейших моделей вычисления хорошо согласуются с наблюдениями 175. Те же инфляционные модели неплохо согласуются еще и с другими наблюдаемыми свойствами реликтового излучения[105].

Таким образом, инфляция помогает соотнести наблюдаемые параметры с базовой математической моделью. Правда, предсказания зависят от потенциала инфлатонного поля. Мы могли бы выбрать один потенциал, который согласуется с имеющимися на сегодня данными, и дорабатывать его по мере необходимости, но тогда у космологов оставалось бы много свободного времени. Поэтому они усердно штампуют инфляционные модели и в каждом случае высчитывают предсказания для измерений, которые еще не были сделаны.

При учете 2014 года насчитывалось 193 инфлатонных потенциала, и это только для случая с одним полем 176. Однако способность теоретиков чеканить модели, предсказывающие любые возможные будущие наблюдения, продемонстрировала лишь, что те не в состоянии ничего предсказать. Эти модели сильно «недоопределены», как сказали бы философы; у нас недостаточно данных для однозначной экстраполяции 177. Можно построить модель, исходя из имеющихся наблюдений, но не получится надежно предсказывать результаты будущих измерений.

Эта ситуация побудила Джо Силка заметить, что «всегда найдутся инфляционные модели для объяснения какого угодно популярного на данный момент феномена»178. А в статье, опубликованной недавно в журнале Scientific American, космологи Анна Иджас, Ави Лёб и Пол Стейнхардт посетовали, что из-за огромного количества моделей «инфляционная космология, как мы ее сегодня понимаем, не может быть оценена с помощью научного метода»179.

Рискуя напугать вас, скажу, что существует бесконечное число инфлатонных потенциалов – для дальнейших исследований. И конечно же, никто не запрещает брать сразу несколько полей или вообще какие-то иные поля. Безграничные возможности для творчества!

Согласно современным оценкам теорий, это исследования высшего уровня.

Краеугольный камень наук

Середина апреля, Вупперталь, город в нескольких милях к северу от Кёльна (Германия). Я ожидала, что окажусь у отеля или институтского здания, но адрес привел меня к жилому дому где-то на окраине. Перед ним разбит маленький цветник. Плющ взбирается ввысь по бокам от двери. Я нажимаю на кнопку звонка, и мне открывает женщина примерно моих лет.

– Да?

– Здравствуйте, – говорю я. – Э-э-э… Я Сабина.

На ее лице написано непонимание.

– Я ищу Джорджа Эллиса, – объясняю я.

Она явно в замешательстве.

– Это мой отец. Но он сейчас в Кейптауне.

Она приглашает меня в дом и звонит отцу.

«О боже, – кричит Джордж в телефон из какого-то автобуса, – она приехала на две недели раньше!»

* * *

Конец апреля, Вупперталь. Та же улица, тот же дом, тот же плющ. Звоню в дверь в надежде, что не потратила снова четыре часа на дорогу только ради того, чтобы всполошить незнакомого человека и поехать обратно домой.

К моему огромному облегчению, дверь открывает Джордж. «Приветствую», – говорит он, приглашая меня войти, и провожает на залитую солнцем кухню. На стенах висят детские рисунки.

Джордж Эллис, почетный профессор Кейптаунского университета, – одна из главных фигур в космологии. В середине 1970-х годов вместе со Стивеном Хокингом он написал книгу «Крупномасштабная структура пространства-времени», на которую все в этой области до сих пор ссылаются 180. Уже в 1975 году он изучал вопрос о том, что в космологии проверяемо, – задолго до того, как мультивселенная привлекла к этой проблеме всеобщее внимание^181. Но интересы Джорджа космологией не ограничиваются. Он также исследовал эмерджентность в сложных системах – не только в физике, но и в химии с биологией, – а еще его не напугать и философией. Он любит смотреть на вещи широко. Однако последнее время ему не нравится то, что он видит.

«Что вас тревожит?» – начинаю я с вопроса.

«Сейчас есть физики, которые говорят, что нам не нужно подвергать их идеи проверке, ведь эти идеи так хороши», – отвечает Джордж. Он подается вперед через стол и устремляет на меня взгляд. «Они говорят – открыто или косвенно, – что хотят ослабить требование, согласно которому теории должны подвергаться проверке». Он замолкает и откидывается назад, словно желая убедиться, что я осознаю всю серьезность ситуации. «По-моему, это шаг назад на тысячу лет, – продолжает он. – Вы писали об этом. То, что вы говорите, очень созвучно моим мыслям: такой образ действий подрывает саму суть науки. Мне не нравится это по ряду причин – часть совпадает с вашими, а остальные чуть отличаются».

«Причины, как мне кажется, у нас с вами общие, состоят в том, что сейчас науке в мире приходится сложно из-за всех этих разговоров, демонстрирующих скептицизм по отношению к ней: о вакцинации, изменении климата, генно-модифицированных сельскохозяйственных культурах, ядерной энергии. От теоретической физики ждут, что она будет краеугольным камнем, незыблемым основанием наук, показывая, как безраздельно ей можно доверять. И если мы начнем ослаблять требования тут, думаю, последствия будут крайне серьезны и для других наук».

«Но есть и совсем иные причины, почему все это меня занимает, причины, которые, полагаю, могут быть вам не столь близки: каковы пределы науки в том, что касается человеческой жизни? Что наука может и чего не может? Что может она сказать о человеческих ценностях, о смысле и цели жизни? Думаю, это очень важно для взаимоотношений науки и широкой общественности».

Как же мне может быть это не близко? Я слушаю не перебивая.

«Одна из основных причин, по которым люди отвергают науку, связана с тем, что такие ученые, как Стивен Хокинг, Лоуренс Краусс и другие, утверждают, будто наука доказывает, что Бога не существует и тому подобное. А ведь наука не в силах это доказать. Вот что порождает враждебность к науке, особенно в США».

«Если вы на Среднем Западе и вся ваша жизнь и местной общины вращается вокруг церкви, а вдруг объявляются ученые и молвят: “Отринь все это”, им бы лучше обзавестись аргументами поубедительнее. Но Дэвид Юм уже сказал 250 лет назад, что наука не может ни доказать, ни опровергнуть существование Бога. Он был очень аккуратным философом, и ничего с тех пор в этом отношении не изменилось. А эти ученые – небрежные философы».

«Но вам это, возможно, не так интересно», – добавляет Джордж.

То, что ученые – плохие философы, для меня не новость, в конце концов, я одна из них. Но мне не вполне понятно, говорю я, какое отношение это имеет к оценке теорий.

«Это оценка теорий в том смысле, что некоторые ученые делают пространные утверждения о том, чем наука является – что она может доказать и опровергнуть, – объясняет Джордж. – Если Лоуренс Краусс приходит и говорит, что наука опровергает некоторые аспекты религии, – это научное утверждение или философское? И если научное, то где доказательства? Они стоят на том, что это научное утверждение. Вот та область, где, мне кажется, мы с вами расходимся во мнениях».

«Виктор Стенджер, например, не так давно написал книгу, где утверждает, что наука опровергла существование Бога, – говорит Джордж. – Меня попросили написать на нее рецензию, в которой я сказал: “Я открыл эту книгу с большим нетерпением, ожидая увидеть, какой была экспериментальная установка, давшая результат, как выглядели данные и был результат с тремя сигма или пятью”». Он издает короткий смешок. «Конечно же никакого эксперимента не было. Эти ученые не уяснили базовой философии, в том числе работ Дэвида Юма и Иммануила Канта».

«Это имеет отношение к оценке теорий, – объясняет Джордж, – поскольку наука ничего не может сказать по философским вопросам, а эти ученые утверждают, что может. Наука производит факты, имеющие значимость для философских вопросов, но между наукой и философией есть граница, которую нужно соблюдать. И я много времени посвятил размышлениям об этом».

Я тоже, хоть и по иным причинам. Если бы физики помнили о границе между наукой и философией, это помогло бы им отделять факты от верований. И я не вижу большой разницы между верой в то, что природа красива, и в то, что Бог всемилостив.

«Если вернуться к физике – вас беспокоит, к чему все идет?» – спрашиваю я.

«Да… Вам, должно быть, знакома книга о мультивселенных, которую написал…» Пытаясь вспомнить имя, Джордж спрашивает: «Специалист по теории струн из Колумбийского?..»

«Брайан Грин?» – подсказываю я.

«Точно. У него там девять мультивселенных. Девять! И использует он очень скользкий аргумент. Получается, по эту сторону – Мартин Рис, который говорит, что Вселенная не кончается за нашим горизонтом видимости, поэтому в некоем смысле это мультивселенная. Конечно я соглашусь! Чуть дальше – хаотическая инфляция Андрея Линде с бесконечным множеством пузырей-вселенных. Еще намного дальше – ландшафт теории струн, где физика в каждом из пузырей разная. А еще дальше – математическая мультивселенная Тегмарка. А вон там, далеко-далеко – люди вроде [Ника] Бустрёма, утверждающего, что мы живем в компьютерной симуляции. Это уже даже не псевдонаука, это фантастика».

«По своей сути это современная версия вселенной с механическим заводом. Тогда были болты и шестеренки, теперь квантовые компьютеры», – говорю я.

«Да, – соглашается Джордж. – Но ведь Брайан Грин в своей книге называет эту версию возможной. А когда люди пишут о подобном как о возможном с точки зрения науки, я удивляюсь: до какой степени можно поверить в то, что они выдумывают? Это же просто нелепость! А что же еще, если вы не можете полагаться на то, что они говорят?»

Не думаю, что у нас так уж много расхождений во мнениях, как считает Джордж.

«Мне не все равно, потому что в науке много доверия, – продолжает он. – Возьмем Большой адронный коллайдер – я доверяю тем, кто ставит эксперименты. И коллаборация “Планк”[106] – я им доверяю. Доверие много значит в науке. А если появляются люди, которые говорят, будто действительно возможен вариант, что мы живем в симуляции, я не могу доверять им как ученым, да и как философам тоже».

Во время экспериментов Большой адронный коллайдер создает около миллиарда протон-протонных столкновений в секунду. Такой объем данных слишком огромен даже для вычислительных мощностей ЦЕРН. Поэтому события фильтруются в реальном времени и отбраковываются, если алгоритм не помечает их как интересные. Из миллиарда событий этот «механизм срабатывания» сохраняет лишь сотню-другую 182. Мы доверяем экспериментаторам – что они все делают правильно. Мы вынуждены им доверять, ведь не каждый ученый способен досконально проверить работу всех остальных. Это нереально, мы бы так никогда никуда не сдвинулись. Без взаимного доверия наука не работает.

ЦЕРН последние десять лет удаляет данные, в которых содержится ключ к новой фундаментальной физике… Вот что я бы назвала кошмарным сценарием.

«Я не против мультивселенной, – говорит Джордж. – Я просто против того, чтобы называть такое наукой в общепризнанном смысле этого слова. Если люди так говорят, они хотят ослабить требование проверяемости».

«К предположению о существовании мультивселенной они пришли, следуя неплохой цепочке рассуждений. Но теперь так много шагов отделяет мультивселенную от надежно установленной физики! Каждый шаг кажется отличной идеей, но все они – непроверенные экстраполяции из известной физики. Раньше ведь как было: выдвигаешь гипотезу – проверяешь этот шаг, затем делаешь следующее предположение – проверяешь и этот этап и так далее. Без такой проверки на соответствие действительности мы окажемся на неверном пути».

«Но это оттого, что экспериментальные проверки очень трудны, – замечаю я. – А что нам делать дальше?»

«Думаю, мы должны вернуться назад и начать с некоторых базовых принципов. Например, нам нужно переосмыслить основания квантовой механики, поскольку в ней не разрешена проблема измерения. Когда же на самом деле происходит измерение? Скажем, когда фотон испускается или поглощается. И как вы это описываете? Используете квантовую теорию поля. Но возьмите любой учебник по квантовой теории поля – и вы не найдете в нем ничего о проблеме измерения».

Я киваю. «В них просто рассчитываются вероятности, но никогда не обсуждается, как эти вероятности превращаются в результаты измерений».

«Именно. Поэтому нам нужно вернуться назад и переосмыслить проблему измерения».

Следующий принцип, рекомендуемый Джорджем, – не работать с бесконечностями.

«Когда люди говорят о бесконечностях, возникают всевозможные парадоксы. Я вообще-то писал об этом еще в 1970-х 183. Пример я тогда привел следующий: ДНК – это конечный код, поэтому, если вероятность жизни ненулевая, в достаточно большом объеме пространства вы рано или поздно исчерпаете все возможные комбинации генетического кода и в итоге получите бесконечное число генетически идентичных близнецов. Понимаете, если у вас бесконечная вселенная, то, как только вероятность отклоняется от нуля, вы получаете бесконечное число осуществлений всего, что может произойти».

«Тема бесконечности – один из моих пробных камней, – продолжает Джордж. – Гильберт написал о нефизической природе бесконечности еще в 1925 году 184. Он сказал, что бесконечность нужна, чтобы сделать математику полной, но не реализуется нигде в физической Вселенной. Физики в наши дни, похоже, считают, что могут обращаться с бесконечностью просто как с еще одним большим числом. Но по своему смыслу бесконечность совсем не похожа ни на одно конечное число. Она никогда не сможет реализоваться, сколько бы вы ни ждали и что бы ни делали. Она всегда вне досягаемости».

«Поэтому я считаю, что это следует воспринимать как философский основополагающий принцип: ничто из физически реального не бесконечно. У меня нет возможности это доказать – это может быть верно, а может быть неверно. Но нам следует использовать это в качестве принципа», – заключает Джордж.

«Меня как раз смущает, что физики в других областях действительно используют отсутствие бесконечности как принцип», – говорю я.

«Используют?»

«Да, когда у нас в функции появляется бесконечность, мы полагаем, что это нефизично, – объясняю я. – Однако нет никаких веских математических причин, почему теория не должна содержать бесконечностей. Это философское требование, превратившееся в математическое допущение. Люди говорят об этом, но никогда не фиксируют. Вот почему я говорю, что оно оказывается затерянным в математике. Мы используем множество допущений, в основе своей философских, но не обращаем на них внимания».

«Верно, – соглашается Джордж. – Проблема в том, что определенная часть философов, несущих всякий вздор – та знаменитая шутка Сокала и прочее, – отвратила физиков от философии. И действительно есть философы, которые – с научной точки зрения – несут чепуху. Но тем не менее, занимаясь физикой, вы всегда используете философию как основу, и есть много хороших философов, таких как Джереми Баттерфилд, Тим Модлин, Дэвид Алберт, очень грамотных в том, что касается взаимоотношений между наукой и философией. И всем нужно выстраивать хорошие рабочие отношения с ними. Потому что они помогут увидеть, каковы основания и как лучше всего поставить вопрос».

Философия разрывов

В 1996 году профессор физики Алан Сокал отправил в научный журнал статью-розыгрыш под названием «Нарушая границы: к трансформативной герменевтике квантовой гравитации». Журнал принял ее к публикации. Тот факт, что рецензенты и редакторы журнала не сумели отличить очевидную бессмыслицу от научной работы, травмировал философов и придал физикам уверенности в собственном превосходстве.

Мистификация Сокала – одна из причин, почему у философов и физиков, особенно тех, кто занимается фундаментальными вопросами, отношения сейчас натянутые. Я знаю много физиков, использующих слово «философия» как ругательство, и даже те, кто симпатизирует исканиям философов, опасаются его произносить.

И это понятно. Я слышала, что философы заново изобретают аргументы, давным-давно отринутые физиками как неверные, беспокоятся из-за парадоксов, которые физики уже много лет назад разрешили, и логически выводят, какими должны быть законы природы, игнорируя то, каковы те на самом деле. В общем, есть, на беду, много философов, не замечающих своей некомпетентности.

Но то же можно сказать и о физиках, и я бы не удивилась, если бы некоторые философы сказали подобное и обо мне. Физики полагаются на философские аргументы чаще, чем желают признавать, и я точно не исключение. Нам довольно легко отвергать философию как бесполезную – потому что она бесполезна.

Ученые в своих профессиональных поисках крайне целеустремленные, они заинтересованы в обретении новых знаний, только если есть шанс, что те продвинут вперед их исследование. Но я еще не нашла философа, который действительно придумал что-то такое, с чем физик мог бы работать. Даже философы, понимающие физику, судя по всему, довольствуются анализом и критикой того, что делаем мы. Приносить пользу не входит в круг их задач.

Мой опыт тут совершенно типичен. Я готова подписаться под словами Лоуренса Краусса: «Как практикующий физик… я – и большинство коллег, с кем я обсуждал этот вопрос, – считаю, что философские дискуссии о физике и природе науки не особенно полезны и оказывают мало влияния или не оказывают его вовсе на прогресс в моей области»185. Стивен Вайнберг высказал похожее замечание: «…Знание философии, похоже, бесполезно для физиков»186. А Стивен Хокинг вообще сказал, что философия «мертва. Она не поспевает за современным развитием науки, особенно физики. Теперь исследователи, а не философы держат в своих руках факел, освещающий наш путь к познанию»187[107].

Один из ответов на эти заявления дал Массимо Пильюччи, философ из Городского университета Нью-Йорка. Он просто признал, что «задача философии состоит не в том, чтобы развивать науку»188. Что ж, поскольку задача философии состоит не в том, чтобы развивать науку, нетрудно понять, почему ученые не находят философию полезной.

Однако мне определенно не следовало бы позволять одному философу говорить от лица всего сообщества. И поэтому я пришла в восторг, обнаружив, что Тим Модлин согласен: «физика нуждается в философии» и физики настаивают на пользе, поскольку «философский скептицизм сосредотачивается на концептуальных слабых местах в теориях и аргументах»189. Превосходно. Но, черт возьми, где вы были? Где были вы двадцать лет назад, десять? Где вы были, пока мы вгоняли себя в этот бардак?

Сегодня большинство проблем в основаниях физики – философские вопросы, не противоречия в данных, и нам нужна философия, чтобы разобраться с этими затруднениями. Следует ли нам обращать внимание на численные совпадения? Оправданно ли вообще использовать эстетическое восприятие, чтобы оценивать законы природы? Есть ли у нас хоть какие-то основания считать, что более фундаментальные законы должны быть еще и проще? И раз ученые штампуют гипотезы сотнями, чтобы печатные станки не простаивали, какие есть хорошие критерии для оценки перспективности этих идей?

Философы нужны нам, чтобы преодолеть разрыв между донаучной путаницей и научной аргументацией. Впрочем, это также означает, что по мере развития науки и расширения нашего знания пространство для философии неминуемо сокращается. Как и хорошие психологи, хорошие философы науки достигают цели тогда, когда оказываются ненужными. И как хорошим психологам, им не следует обижаться, если клиент яростно отрицает, что нуждается в помощи.

* * *

«Мне кажется, что естественность (теория не должна содержать численных случайностей) – это тоже философский критерий», – говорю я.

«Да», – говорит Джордж.

«Вы соглашаетесь, но, когда я разговариваю с людьми моего поколения, многие попросту относятся к ней как к математическому критерию. Однако, если вы хотите сделать из нее математический критерий, вам нужно распределение вероятностей. А откуда оно возьмется? Нужна теория для распределения вероятностей или другое распределение вероятностей для распределения вероятностей той теории и так далее».

«Да, – соглашается опять Джордж. – И в мультивселенной вы вправе отстаивать любое распределение вероятностей, какое вам только нравится, но вы не в силах доказать, что оно справедливо для физики. Его нельзя подвергнуть научной проверке: это теория, специально созданная для подгонки под данные». Он недолго молчит, а затем добавляет: «Сдается мне, мир теоретической физики находится в очень странном месте».

ВКРАТЦЕ

• Современная структура научного мира откровенно поощряет идеи, распространяющиеся быстро и широко, – например красивые, но трудно проверяемые теории.

• Физики-теоретики сейчас активно применяют хорошо отработанные методы для формулирования новых законов природы, обреченных оставаться непроверяемыми еще очень-очень долго.

• Контакт с философами мог бы помочь физикам определиться, какие вопросы стоит задавать, но в настоящее время такого контакта почти нет.

• Доверие физиков-теоретиков критериям красоты и наблюдаемое отсутствие прогресса демонстрируют неспособность науки к самокорректировке.

Глава 10

Знание – сила

В которой я делаю вывод, что мир сильно выиграл бы, если бы все слушали меня.

Я, робот

Неудивительно, что физики видят в законах природы красоту. Если вы отсидели курс математики, глядя на уравнения как на безобразную писанину, то вряд ли в итоге стали физиком-теоретиком. Известно не так много физиков, которые жалуются, что законы природы отталкивающи, – по той же причине, по которой мало кто из водителей грузовиков считает большие моторы ужасными: мы выбрали свою профессию, поскольку она нас привлекает.

И поиск красоты, без сомнений, остается мотивирующим фактором на всю нашу профессиональную жизнь. «Потому что так приятнее работать, это распаляет», как сказал Горди Кейн. Или, как выразился Джан Франческо Джудиче, «именно эта иррациональная составляющая и делает физику интересной и волнующей». И перспектива отыскать эту красоту добавляет волнения. Как пишет Дэн Хупер в своей книге о суперсимметрии: «Самая прекрасная теория может быть записана в простой и краткой форме, не исключено, что и одним уравнением… Я пишу этот абзац – и чувствую, как немного учащается пульс и потеют ладони»190.

Да, ученые – люди с потеющими ладонями, хотя обществу и не нравится видеть нас такими. Недавний опрос показал, что ученого считают более «благонадежным», чем «обычный человек», но также и более «роботоподобным», «ориентированным на достижение цели» и «холодным»191. Не слишком приятно. Но обидно не само суждение, а то, что не учитывается род занятий ученых. Если же принять его во внимание, клише становится справедливым: ученые стремятся быть сверхлюдьми. Мы стараемся подняться над недостатками человеческого мышления – и используем для этого процедуры, предназначение которых в том, чтобы не позволить нам врать ни другим, ни самим себе.

Существующих процедур, однако, недостаточно. Чтобы быть хорошими учеными, мы также должны отдавать себе отчет в собственных желаниях, устремлениях и слабостях. Мы должны помнить о своей человеческой природе – и исправлять ее изъяны, когда необходимо.

Уверена, вы слышали сказку о том, как все мы рождаемся маленькими учеными и исследуем мир естественным путем, легко и непринужденно, пока сбивающее с пути образование не вступает в конфликт с нашими природными склонностями. Я тоже ее слышала. Она романтическая, но неверная. Да, мы рождаемся любопытными, а младенцы быстро учатся путем проб и ошибок. Но наш мозг развивался не чтобы служить науке, а чтобы служить нам. А то, что в ходе эволюции шло на пользу нам, не всегда шло на пользу и нам в науке.

Нагромождения математики

Физики – не единственные ученые, алчущие красоты. Джеймс Уотсон, например, вспоминал, как Розалинд Франклин поверила в то, что ДНК имеет структуру двойной спирали, поскольку «эта структура слишком изящна, чтобы не оказаться истинной»192[108]. Биологи преимущественно изучают «приятных» животных 193. И математик Дэвид Оррелл высказал мнение, что климатологи предпочитают элегантные модели в ущерб точности[109].

Но гонка за красотой – не теория всего. Если еще не придумали названия для такого когнитивного искажения, связанного с попыткой убить сразу легион зайцев, то очень напрасно. И я постараюсь не попасть в эту ловушку. Я заметила наличие эстетических предубеждений лишь в нескольких научных дисциплинах, и даже в физике они господствуют преимущественно в тех областях, о которых я писала. Но прежде чем я перейду к более общей проблеме когнитивных искажений, в том числе социально обусловленных, хочу заострить внимание на случае, когда страсть к изящной математике влияет на наши жизни несколько больше, чем квантовая гравитация. Речь об экономике.

* * *

«Профессия экономиста отклонилась от нужного курса, потому что экономисты – все в целом – ошибочно приняли красоту, облаченную во впечатляющего вида математику, за истину»194. Так считает американский экономист Пол Кругман. Как и многие физики-теоретики, я однажды рассматривала возможность переключиться на экономику в надежде, что работу там найти будет проще. Математика меня не впечатлила, а вот отсутствие данных потрясло. Я бы не назвала экономику красивой, но она казалась мне, в принципе, простой. Слишком простой, как я поняла. Одно дело – ожидать от элементарных частиц подчинения простым, универсальным законам, и совершенно другое – ожидать того же от рода человеческого.

Разумеется, я не первый физик, кому пришло в голову, что экономике не повредили бы математические методы позатейливее. Дойн Фармер – один из основателей эконофизики, дисциплины, в которой математические методы, разработанные в физике, применяются для решения проблем в экономике. Будучи специалистом по теории хаоса и нелинейной динамике, Дойн сейчас возглавляет программу по экономике сложности в Институте нового экономического мышления Оксфордской школы Мартина. Я звоню ему, чтобы спросить, что он думает об изящных экономических теориях.

«В экономике есть такая странность: существует некий шаблон, которому следуют теории, – говорит Дойн. – Этот шаблон, по сути, предписывает вам иметь систему, в которой агенты эгоистично максимизируют свои преимущества. Если в вашей системе этого нет, вам скажут, что она лишена экономического смысла. Господствует идея, что все теории должны исходить из этого принципа. И он упорно навязывается, особенно так называемыми топовыми журналами».

«В экономике очень сильная иерархия журналов, – объясняет Дойн. – Всего их около трехсот пятидесяти, и все знают порядок: вот этот – номер двадцатый, тот – тридцатый и так далее. Топовых журналов пять, и опубликоваться в них крайне сложно. Единственная статья в одном из них обеспечит вам штатную должность в хорошем университете».

«Ого, – говорю я, – все еще хуже, чем в физике».

«Да, хуже в том смысле, что крайне высок уровень конформизма. Очень строгие требования предъявляются к тому, как статья должна быть написана (по стилю и манере изложения), к типу теории (отвечает ли она общепринятым убеждениям о том, какой следует быть теории). Считается, что должны приводиться изящные и красивые аргументы. Только вот мне эти аргументы, красивые и изящные, не попадались. Может, они, конечно, и изящны в каком-то смысле, но я не верю в исходную структуру. Мне она кажется немножко глупой, если честно».

«С теорией струн, например, другая история, – говорит Дойн. – Там, по крайней мере, вы извлекаете какую-то интересную, оригинальную математику. Но в экономике математика не глубока и не оригинальна. Рутинное применение стандартных методов анализа. Сомневаюсь, что экономисты способствуют развитию математики каким-либо интересным образом».

«Может статься, что они и правы, – продолжает Дойн, – и в конце концов найдут то, что ищут. Но, по-моему, очевидно, что мейнстримные модели в лучшем случае лишь отчасти удачны. И мне кажется, это потому так, что в экономике, дабы добиться успеха, нужно отказаться от каких-то существующих принципов, поскольку это позволяет получить изящные результаты – а вовсе не объяснить, как что-то устроено в мире».

«Например, равновесие, – говорит Дойн. – Оно всем нравится, потому что стоит предположить равновесие – и становится легко получить результаты. Но ведь если мир устроен иначе, если не равновесие лежит в основе экономики, тогда все оборачивается просто потерей времени. И во многих случаях это она и есть, мне кажется». В экономике под равновесием понимается устойчивое состояние, когда сбалансированы спрос и предложение и оптимизирована стоимость товаров.

«Помню, что читала некоторые ваши статьи, где вы критиковали теорию равновесия, но это было лет десять назад 195, – говорю я. – Я-то думала, или надеялась, что с тех пор экономисты уже осознали, что она слишком упрощенная. В том, что касается данных, экономика должна быть безумно запутанной. И это не как в физике – там я хотя бы могу понять, почему они верят в простоту. Я бы ожидала, что описание экономики реального мира должно требовать сложного компьютерного анализа».

«Абсолютно с вами согласен. И пытаюсь сдвинуть ситуацию в этом направлении, но сторонников очень мало».

«Странно, – удивляюсь я, – ведь “большие данные” – теперь такое модное выражение, мне казалось, экономисты должны быть в этом впереди планеты всей».

«Экономисты навострили уши, – говорит Дойн. – Но это сильно отличается от того, что они делали прежде, так что потребуется какое-то время».

«Как же экономисты так подсели на математику?» – недоумеваю я.

«Математика ведь царствует в физике не случайно, – объясняет Дойн. – Она позволяет принять набор допущений и вывести из них следствия. Поэтому идея использовать математику в общественных науках очень привлекательна. Проблема ведь не с математикой как таковой. Преобладающие методы, боюсь, стали таковыми потому, что они изящны и люди с их помощью могут доказывать какие-то умозаключения, а не потому, что эти методы хорошо описывают мир. Математик, ищущий ключи под фонарем».

«Я считаю, что красота – это замечательно, и обеими руками за изящность, – говорит Дойн. – Но тревожусь, когда вижу нагроможденные друг на друга горы математики, пусть и изящной. Может, это и интересная математика, но в итоге-то вы уверены, что действительно делаете науку?»

Не верьте мне – я ученый

Вы слышали любопытнейшую историю о жизни нейтрона? Нейтроны состоят из трех кварков и вместе с протонами составляют ядра атомов. Атомные ядра, по счастью, стабильны, но вытащите нейтрон из ядра – и он распадется, среднее время его жизни будет равняться примерно десяти минутам. Если более точно – 885 ± 10 секунд. Любопытная часть здесь – вот этот плюс-минус.

Рис. 15. Результаты измерений времени жизни нейтрона по годам. Источники: Patrignani C. et al. (Particle Data Group). 2016. Review of particle physics. Chin. Phys. C. 40: 100001 (погрешности – 1σ); Bowman J. D. et al. 2014. Determination of the free neutron lifetime. arXiv:1410.5311 [nucl-ex].

Время жизни нейтрона измеряется с неуклонно возрастающей точностью начиная с 1950-х годов (рис. 15, слева). Сейчас есть два разных метода измерения, которые дают разные же результаты (рис. 15, справа). Расхождение[110] больше того, что дозволяется погрешностями измерения, то есть шансы, что это случайность, меньше 1 к 10 000. Ситуация загадочная, возможно предвещающая новую физику. Но я хотела привлечь ваше внимание к другому.

Взгляните снова на левый график на рисунке 15. Маленькие черточки посередине – измеренные значения, а вертикальные линии – заявленные погрешности. Обратите внимание, как данные располагаются на одной своеобразной ступеньке, а потом вдруг резко перепрыгивают на новую – со значением, которое до того было очень редким, иногда даже не попадавшим в пределы погрешности. Похоже, экспериментаторы не только занижали погрешности измерений, но и преимущественно приходили к значениям, максимально воспроизводящим предыдущие результаты. И это не единственная величина, претерпевшая со временем подобные скачки измеренных значений. За последние десятилетия это произошло как минимум с дюжиной времен жизни, масс и частот рассеяния других частиц 196.

Мы никогда не узнаем доподлинно, почему это произошло. Но вероятное объяснение состоит в том, что экспериментаторы неосознанно старались воспроизвести известные им результаты. Я не имею в виду умышленное жульничество. Просто, если вы получаете результат, не согласующийся с существующей литературой, вы с большей вероятностью начнете искать у себя ошибки, чем если ваш результат прекрасно совпадает с имеющимися. И это перекашивает ваш анализ в сторону воспроизведения предыдущих результатов.

Однако экспериментаторы осознали эту проблему и предприняли шаги для ее решения. И действительно, как вы видите, результаты последних измерений не согласуются между собой (см. рис. 15, справа). Во многих коллаборациях сейчас заведен следующий порядок: ученые выбирают метод анализа еще до того, как вообще смотрят на данные (в рамках «ослепления»), а затем просто придерживаются заранее согласованной процедуры. Это помогает пресечь тенденцию перебирать разные методы анализа, когда результат выходит не таким, какого хотелось бы.

В биологических науках недавний кризис воспроизводимости тоже подстегнул ученых к тому, чтобы приложить усилия и подстраховаться от предвзятости при планировании эксперимента, при статистическом анализе его результатов и при их публикации 197. Впереди еще долгий путь, но хотя бы начало положено.

При разработке же теорий аппаратура, которой мы пользуемся, – наш мозг. Но мы не делаем ничего, чтобы избежать предвзятости при работе с ним. Мы не можем визуализировать свой прогресс в простых графиках, но, если бы сумели, я уверена, что мы тоже узрели бы у теоретиков установку на воспроизведение существующих результатов. По некоторым темам мы наплодили столько статей, что те превратились в самоподдерживающиеся области исследований даже в отсутствие экспериментальных доказательств. В случае теоретиков речь идет о сложных теоретических построениях, которые тщательно проверяются – проверяются с точки зрения математической согласованности. Выдвижение иного решения, также математически согласованного, равносильно получению результата, противоречащего существующей литературе.

Возьмем, например, испарение черных дыр. Данных по нему нет никаких. Парадокс файервола (см. главу восьмую) продемонстрировал, что самая изучаемая попытка разрешить проблему потери информации в черной дыре – калибровочно-гравитационная дуальность – нарушает принцип эквивалентности. Стало быть, она не решает проблему, которую призвана была решить, поскольку несовместима с главным постулатом общей теории относительности[111]. Но проведена такая большая работа ради этого предполагаемого решения, что совершенно немыслимо выкинуть все на помойку. Поэтому физики-теоретики пытаются сейчас привести новый результат в соответствие с предыдущей работой, переизобретая квантовую механику.

Например, Хуан Мальдасена и Леонард Сасскинд объявили, что запутанные частицы соединены так называемыми кротовыми норами – деформациями пространства-времени, столь сильными, что две прежде не связанные друг с другом области оказываются соединены коротким туннелем 198. Нелокальность тогда перестает быть «жуткой», а пространство и время и наша Вселенная оказываются пробуравлены кротовыми норами. Кротовые норы связывали бы в том числе и пары частиц, образующих излучение Хокинга, устраняя разом и проблему файервола, и проблему потери информации в черной дыре. Эта идея разрабатывается для пространства-времени с отрицательной космологической постоянной, так что не описывает Вселенную, в которой мы живем. Но Мальдасена и Сасскинд надеются, что это некий общий принцип, который имеет место и в нашей Вселенной[112].

Может, они и правы. Это интересная новая идея. Если природа действительно так устроена, это стало бы ошеломительным открытием. И оно так славно согласуется со всеми предыдущими результатами.

Этот шалаш воняет

Пестование красоты и желание соответствовать – характерные черты человека. Однако они коверкают нашу объективность. Это когнитивные искажения, не позволяющие науке работать оптимальным образом, и они сейчас не принимаются в расчет. И это не единственные когнитивные искажения, которым подвержены теоретики. В то время как экспериментаторы прикладывают все усилия, чтобы противостоять системной предвзятости, теоретики совершенно беспечно продолжают свою работу, блаженно полагая, что точные законы природы возможно постичь интуитивно.

Когнитивные искажения для человека – это не всегда плохо. Большинство из них возникли потому, что приносят – по крайней мере, приносили – нам пользу. Например, мы чаще высказываем мнение, которое, как полагаем, будет благосклонно воспринято другими. Этот «эффект социальной желательности» – побочный продукт необходимости вписаться в группу, чтобы выжить. Вы не высказываете вождю племени, что шалаш воняет, если позади вас стоит с десяток соплеменников с копьями. Умно! Но хотя подобное соглашательство может способствовать нашему выживанию, оно редко способствует обретению нового знания.

Пожалуй, самая распространенная в науке ошибка сознания – это предвзятость подтверждения. Если вы ищете в статьях подтверждения своим аргументам, это она. Если вы заподозрили у себя ошибку, потому что ваш результат не совпал с ожидаемым, это она. Если вы избегаете коллегу, задающего вам неудобные, раздражающие вопросы, это она. Предвзятость подтверждения – еще и причина, по которой мы почти всегда в итоге зря распинаемся, когда описываем преимущества фундаментального исследования. Вы ведь знаете, что, если не открывать фундаментально новые законы природы, инновации рано или поздно себя исчерпают, не так ли?

Но есть и другие когнитивные искажения, в том числе социально обусловленные, которые влияют на науку, но не столь широко известны 199. Одно из них – мотивированное мышление^200. Оно заставляет нас верить, будто положительные результаты получаются с большей вероятностью, чем в действительности. Вы ведь слышали, что на Большом адронном коллайдере наверняка обнаружатся доказательства в пользу физики за пределами Стандартной модели? Что тамошние эксперименты в ближайшие пару лет, вероятно, прольют свет на темную материю? Неужели они все еще это говорят?

Далее, существует ошибка невозвратных издержек, больше известная как бросание денег на ветер. Чем больше времени и усилий вы потратили на суперсимметрию, тем меньше вероятность, что вы поставите на ней крест, даже если шансы отыскать ее выглядят все хуже и хуже. Мы продолжаем делать то, что делали, еще долго после того, как это дело перестало быть перспективным, ведь мы уже столько в него вложили и не хотим признавать, что все, возможно, было зря. Вот почему Планк остроумно заметил, что науку двигают вперед похороны[113].

Из-за внутригрупповой предвзятости мы считаем, что исследователи в нашей собственной области умнее, чем в других. Эффект предпочтения разделенной информации заставляет нас беспрестанно обсуждать то, что все и так уже знают, и при этом не уделять внимания информации, которой обладают лишь несколько человек. Мы склонны обнаруживать структуру и взаимосвязи в бессмысленных, случайных данных (апофения). Мы думаем, что аргументы весомее, если вывод кажется правдоподобным (предвзятость убеждения). А из-за эффекта ореола вам интереснее, что скажет нобелевский лауреат, чем я, причем независимо от темы.

Еще мы подвержены эффекту ложного консенсуса: склонны переоценивать число людей, согласных с нами, и степень их согласия. А одно из искажений, доставляющих в науке больше всего проблем, выражается в том, что мы считаем некий факт тем более вероятным, чем чаще о нем слышали. Это называется искажением, вызванным вниманием, или эффектом знакомства с объектом. Мы обращаем особенно много внимания на информацию, если она повторяется другими людьми в нашем окружении. Такое групповое подкрепление может превратить научные сообщества в эхо-камеры, где исследователи повторяют свои аргументы друг другу снова и снова, непрестанно убеждая себя, что всё они делают правильно.

А есть еще величайшее из всех когнитивных искажений – эффект слепого пятна, когда человек свято верит, что сам-то уж точно мыслит непредвзято. По этой причине мои коллеги лишь смеются, когда я говорю им, что когнитивные искажения представляют собой проблему, и не принимают всерьез мои «социальные аргументы», считая, что они не важны для научного дискурса. Однако существование этих когнитивных искажений было подтверждено в бесчисленных исследованиях. И нет вообще никаких оснований думать, будто высокий интеллект защищает от ошибок мышления. В исследованиях не было выявлено никакой связи между уровнем когнитивных способностей и подверженностью ошибкам мышления 201.

Разумеется, когнитивные искажения свойственны не только физикам-теоретикам. Эта проблема существует во всех областях науки. Мы не способны отринуть направления исследований, оказывающиеся бесплодными. Плохо обобщаем новую информацию. Не подвергаем критике идеи своих коллег из страха стать «социально нежелательными». Пренебрегаем идеями, выбивающимися из разряда общепринятых, потому что исходят они от людей «не таких, как мы». Подыгрываем системе, наносящей ущерб нашей интеллектуальной независимости, потому что все так делают. И настаиваем на том, что наше поведение – добротный научный подход, основанный исключительно на непредвзятых суждениях, поскольку при всем желании не можем находиться под влиянием социальных и психологических эффектов, какими бы распространенными те ни были.

Конечно, когнитивным, в том числе и социально обусловленным, искажениям мы были подвержены всегда. Именно из-за них ученые сегодня используют строго установленные методы для повышения объективности, включая рецензирование, оценку статистической значимости и рекомендации по правильному научному образу действий. И наука развивалась весьма неплохо, так зачем же начинать сейчас уделять этим вещам особенное внимание? (Кстати, это называется эффектом статус-кво.)

В больших группах люди менее эффективно делятся друг с другом актуальной информацией 202. Кроме того, чем специализированнее группа, тем больше вероятность, что ее члены склонны слушать только то, что подтверждает их точку зрения. Вот почему сегодня так важно понимать, как передается информация в научных структурах и сетях, – гораздо важнее, чем сто или даже двадцать лет назад. И беспристрастная аргументация становится тем важнее, чем больше мы полагаемся на логическое мышление без оглядки на эксперимент. Этой проблеме, поразившей некоторые направления теоретической физики больше, чем любую другую область науки, и посвящена данная книга.

Экспериментаторы, конечно, действуют по своему собственному усмотрению. Они грезят о разработке новых технологий и не оставляют решения о будущих экспериментах на милость теоретиков. Но все же мы, теоретики, указываем на новые области параметрического пространства, которые стоит исследовать. Мы несем ответственность за оценку своих теорий, которая должна быть настолько объективной, насколько это возможно, – чтобы помочь выявить самые перспективные новые эксперименты.

Пока теории разрабатываются людьми, независимо от конкретной области исследований, по умолчанию должно считаться, что на оценку теорий влияют когнитивные искажения, в том числе социально обусловленные, если только не были предприняты специальные шаги для устранения этих проблем. Но подобные шаги сейчас не предпринимаются. А значит, прогресс почти наверняка идет медленнее, чем мог бы.

Как же мы очутились в подобной ситуации? Поскольку нам, ученым, очень просто обвинять руководящие и финансирующие органы, в жалобах недостатка нет: примерно раз в две недели Nature и Times Higher Education публикуют стенания по поводу нелепых попыток измерять научный успех. Когда я делюсь этими статьями в «Фейсбуке», они гарантированно получают одобрение. И тем не менее ничего не меняется.

Жалобы на других не помогают, потому что эту проблему мы вызвали сами – и сами же должны ее разрешить. Мы не сумели защитить свою способность выносить непредвзятые суждения. Мы позволили себе загнать самих же себя в угол и теперь вынуждены регулярно лгать, если хотим продолжать свою работу. То, что мы миримся с этим положением, – настоящий провал научного сообщества в целом, и ответственность за то, чтобы это исправить, лежит на нас.

Не очень-то принято критиковать свое собственное племя. Но этот шалаш воняет.

* * *

Критиковать легко, как говорят критики. Я посвятила девять глав тому, чтобы обосновать утверждение, согласно которому физики-теоретики застряли на идеалах красоты из прошлого, но теперь вы, вероятно, гадаете, что еще, по моему мнению, им следует делать. Предлагаю ли я какую-то альтернативу?

У меня нет чудодейственного средства, разом избавляющего от проблем, которые физики-теоретики пытаются решить, а если бы я сказала, что есть, вы имели бы полное право меня высмеять. Это проблемы серьезные, и сетования на эстетические предубеждения не заставят их раствориться в воздухе. В следующей подглавке я предлагаю некоторые идеи, откуда можно начать. Но и у меня, как и у всех, разумеется, есть личные предпочтения. Я тоже мыслю предвзято.

Однако мое беспокойство – более общего свойства, оно не ограничивается моей собственной дисциплиной. Когнитивные искажения, а среди них и социально обусловленные, угрожают научному методу. Они препятствуют прогрессу. Пусть мы никогда и не сможем полностью избавиться от человеческих ошибок восприятия и мышления, но мы не должны просто с ними мириться. Мы можем хотя бы научиться сознавать эти проблемы и не допускать их усугубления плохими подходами. Я собрала некоторые практические рекомендации в Приложении В.

Затерянная в математике

Я говорила вам, что математика заставляет нас быть честными. Не дает соврать ни другим, ни самим себе. Вы можете ошибаться с математикой, но не лгать. И это так – вы не можете обманывать с математикой. Однако она сильно способствует запутыванию.

Помните аналогию с храмом знаний, где самый нижний уровень составляют основания физики и мы пытаемся пробиться к более глубокому пониманию? К окончанию моих путешествий во мне прочно поселилось опасение, что находимые нами трещины в фундаменте – и не трещины вовсе, а всего лишь замысловатый узор. Мы копаем не там, где надо.

Как вы видели, большинство проблем, исследуемых нами сегодня в основаниях физики, связаны с численными случайностями. Тонкая настройка массы хиггсовского бозона, сильная CP-проблема, малость космологической постоянной – все это не противоречия и неувязки, а эстетические сомнения.

Но в истории нашей области науки математическая дедукция указывала путь, только если у нас действительно была проблема с несовместимостью. Несовместимость специальной теории относительности и ньютоновской теории тяготения вызвала к жизни общую теорию относительности. Несовместимость специальной теории относительности и квантовой механики породила квантовую теорию поля. Проблемы с вероятностной интерпретацией Стандартной модели позволили нам заключить, что в Большом адронном коллайдере должна обнаружиться новая физика, которая и проявилась в виде бозона Хиггса. Встречались вопросы, поддававшиеся решению с помощью математики. Но подавляющее большинство проблем, с которыми мы имеем дело сегодня, иного свойства. Одно исключение составляет квантование гравитации.

Поэтому первый извлеченный мною урок таков: если хочешь разрешить проблему с помощью математики, сначала убедись, что это действительно проблема.

Физики-теоретики гордятся своей умудренностью и чутьем. И я обеими руками за то, чтобы использовать интуицию, строя предположения, которые лишь позднее могут оказаться подтвержденными (или не оказаться). Но мы должны держать в голове эти предположения, иначе они рискуют превратиться в общепризнанные, несмотря на свою неподтвержденность. Предположения, основанные на интуиции, часто донаучны и попадают в сферу философии. А раз так, то нам необходимо сотрудничать с философами, чтобы понять, как сделать свои интуитивные представления более научными.

Отсюда второй урок: формулируйте свои предположения.

Естественность – одно из таких допущений. И простота тоже; редукционизм не подразумевает неуклонного увеличения простоты с уменьшением расстояний. Возможно, мы, наоборот, должны пройти через стадию (в смысле масштабов), где наши теории вновь усложняются. Упование на простоту, рядящуюся под объединение или под уменьшение числа аксиом, может сбить нас с пути.

Но даже если мы столкнулись со всамделишной проблемой и четко сформулировали свои предположения, все равно с математической точки зрения возможными могут оказаться несколько решений. И в конечном счете единственный способ выяснить, какая же теория верна, состоит в том, чтобы проверить, какая из них описывает природу; неэмпирическая оценка теорий тут не поможет. В поисках теории квантовой гравитации и улучшенного формализма квантовой физики единственный путь вперед – выводить и проверять разные предсказания.

И вот мой третий и последний урок: руководствоваться наблюдательными данными необходимо.

Физика – не математика. Физика – это выбор правильной математики.

Поиски продолжаются

22 июня 2016 года: появляются слухи, что дифотонный всплеск в новых данных с Большого адронного коллайдера исчезает.

21 июля 2016 года: экспериментальный проект LUX по поиску частиц темной материи объявляется завершенным, никаких свидетельств существования вимпов не найдено.

29 июля 2016 года: разговоры о том, что дифотонная аномалия развеялась как дым, звучат громче.

4 августа 2016 года: обнародованы новые данные с Большого адронного коллайдера. Они подтверждают, что дифотонный всплеск пропал без следа. За восемь месяцев с момента его «открытия» было написано свыше пятисот статей о статистической флуктуации. Многие из них опубликованы в ведущих журналах области. Самые популярные из этих статей уже процитированы больше трехсот раз. Если нас это хоть чему-то учит, так это тому, что существующая практика позволяет физикам-теоретикам моментально изобретать сотни объяснений чему угодно, какие бы данные им случайно ни подбросили.

В последующие недели Фрэнк Вильчек проигрывает пари Гарретту Лиси – суперсимметрию на Большом адронном коллайдере так и не нашли. Сходное пари, заключенное на конференции в 2000 году, тоже приносит победу «несуперсимметричной» стороне 203.

Тем временем, пока я дописываю свою книгу, я выигрываю пари у самой себя, сделав ставку на то, что мои коллеги потерпят череду неудач. Шансы были на моей стороне – коллеги потратили тридцать лет, снова и снова пытаясь делать одно и то же, но ожидая другого результата.

В октябре коллаборация CDEX-1 объявляет, что аксионы не обнаружены.

Сколько вообще можно ждать, чтобы теория получила экспериментальное подтверждение? Я не знаю. Я даже не думаю, что такая формулировка имеет смысл. Может, частицы, что мы ищем, где-то совсем близко – и на самом деле это только вопрос уровня технологического развития, когда мы их обнаружим.

Однако, найдем мы что-то или нет, уже очевидно, что ранее действовавшие правила для разработки теорий изжили себя. Пять сотен теорий для объяснения сигнала, которого не было, и 193 модели ранней Вселенной – более чем исчерпывающее доказательство того, что существующие стандарты качества больше не работают при оценке наших теорий. Чтобы отбирать перспективные будущие эксперименты, нам нужны новые правила.

В октябре 2016 года в Карлсруэ (Германия) запущен экспериментальный проект KATRIN. Его цель – измерить доселе неизвестные абсолютные массы нейтрино. В 2018 году радиотелескоп SKA (Square Kilometer Array), строящийся в Австралии и ЮАР, начнет искать сигналы от самых первых галактик. В течение следующих нескольких лет в экспериментах Muon g–2 в Фермилаб в США и J-PARC в Японии будет с беспрецедентной точностью измеряться магнитный момент мюона, чтобы разрешить давние противоречия между экспериментом и теорией. Европейское космическое агентство планирует создать космический лазерный интерферометр eLISA, который сможет регистрировать гравитационные волны в неисследованных частотных диапазонах и добывать новые данные о том, что происходило во время инфляции. Преобладающую часть данных с Большого адронного коллайдера еще только предстоит проанализировать, и мы все еще можем обнаружить признаки физики за пределами Стандартной модели.

Мы знаем, что известные нам сегодня законы природы неполны. Чтобы придать им полноту, мы должны постичь квантовое поведение пространства и времени, пересмотрев теорию гравитации или квантовую физику, а может, и обе. И то, что мы поймем, вне всяких сомнений, поднимет новые вопросы.

Может показаться, будто физика была историей успеха прошлого столетия, а теперь настал век нейронаук, или биоинженерии, или искусственного интеллекта (все зависит от того, кого спросить). Но я думаю, это не так. Мне дали новый исследовательский грант. Впереди много работы. Следующий прорыв в физике произойдет в этом столетии.

И он будет прекрасен.

Благодарности

Я признательна всем тем ученым, беседы с которыми позволили мне воссоздать столь живой образ научного сообщества: Ниме Аркани-Хамеду, Стивену Вайнбергу, Фрэнку Вильчеку, Вэнь Сяогану, Джану Франческо Джудиче, Гордону Кейну, Михаэлю Кремеру, Гарретту Лиси, Кэтрин Мэк, Киту Оливу, Чеду Орзелу, Джо Полчински, Дойну Фармеру и Герарду Хоофту[114]. Спасибо вам огромное – вы были великолепны!

Я в неоплатном долгу перед многими людьми, кто годами помогал мне лучше понять различные темы, обсуждаемые в этой книге: перед Говардом Бэром, Рихардом Давидом, Ричардом Истером, Ксавье Кальме, Уиллом Кинни, Стэйси Макго, Флорином Молдовяну, Джоном Моффатом, Тильманом Плином, Итаном Сигелом, Дэвидом Спергелом, Тимом Тейтом, Джорджо Торрьери и многими-многими другими, чьи семинары, лекции, книги и статьи принесли мне пользу.

Благодарю также добровольцев, вызвавшихся читать черновые варианты этой книги: Ниаэша Афшорди, Ренате Вайнек, Джорджа Массера, Ли Смолина и Штефана Шерера.

Отдельное спасибо Ли Смолину за то, что он в конце концов понял – не отговорить ему меня от написания этой книги, и моему агенту Максу Брокману и сотрудникам издательства Basic Books, особенно Лиа Стечер и Томасу Келлехеру, за их поддержку.

Наконец, хочу поблагодарить Штефана за то, что он вытерпел два года проклятий в адрес «этой чертовой книги», и Лару с Глорией за столь необходимый мне тогда отдых.

Книга посвящена моей маме. Когда мне было десять, она разрешила мне разломать ее пишущую машинку. Смотри, мам, все было не зря.

Приложение А. Частицы стандартной модели

Частицы Стандартной модели (см. рис. 6) классифицируются в соответствии с калибровочными симметриями[115]. Фермионы сильного ядерного взаимодействия – это кварки, их шесть. Они называются нижним, верхним, странным, очарованным, прелестным и истинным. Верхний, очарованный и истинный кварки имеют дробный электрический заряд, равный +2/3 заряда электрона, остальные три кварка имеют заряд –1/3 заряда электрона. Взаимодействие между кварками осуществляется посредством восьми безмассовых глюонов – калибровочных бозонов сильного ядерного взаимодействия. Их число следует из группы симметрии сильного взаимодействия, SU(3).

Оставшиеся фермионы в сильном взаимодействии не участвуют и зовутся лептонами. Их тоже шесть: электрон, мюон и тау-лептон (с зарядами –1) и соответствующие нейтрино – электронное, мюонное и тау-нейтрино (электрически нейтральные). Электрослабое взаимодействие осуществляется посредством безмассового, электрически нейтрального фотона и обладающих массой Z-, W+– и W—-бозонов, имеющих заряды 0, +1 и –1 соответственно. Опять же число калибровочных бозонов вытекает из группы симметрии, для электрослабого взаимодействия равной SU(2) × U(1).

Фермионы подразделяются на три поколения – грубо говоря, ранжируются по массе. Важнее, однако, то, что поколения разбивают фермионы на подмножества, обязательно содержащие одинаковое количество кварков и лептонов, иначе Стандартная модель не была бы согласованной. Число поколений требованиями согласованности четко не устанавливается, но имеющиеся данные убедительно показывают, что поколений всего три 204.

Помимо фермионов (кварков и лептонов) и калибровочных бозонов в Стандартной модели есть еще только одна частица – бозон Хиггса. Он обладает массой и не является калибровочным бозоном. Хиггсовский бозон электрически нейтрален, и его задача – придавать массу фермионам и тем калибровочным бозонам, которые ею обладают.

Разочарованы, что все так уродливо?

Приложение Б. Проблема с естественностью

Предположение о равномерном распределении основывается на том, что интуитивно это решение кажется простым. Однако нет математического критерия, который выделял бы такое распределение вероятностей. И действительно, любая попытка это осуществить лишь приводит нас обратно к предположению, что некое распределение вероятностей было предпочтительнее само по себе. Единственный способ разорвать этот круг – попросту сделать выбор. Таким образом, естественность – по своей сути тоже эстетический критерий[116].

Первая попытка обосновать равномерное распределение вероятностей для критерия естественности может быть такой: оно не вводит дополнительных параметров. Но конечно же вводит – число 1 в качестве типичной ширины распределения. «Ну, – скажете вы, – число 1 – это единственное число, которое естественность дозволяет мне использовать». Что ж, все зависит от того, как вы определяете естественность. А вы определили ее, сопоставляя возникшее число со случайным. А каково же распределение случайной величины? И так по замкнутому кругу.

Чтобы получше увидеть, почему этот критерий водит нас по кругу, представьте себе распределение вероятностей на интервале от 0 до 1, которое в районе некоторого числа имеет пик с шириной, скажем, 10–10. «Вот, – восклицаете вы, – введено маленькое число! Это тонкая настройка!» Погодите. Это число тонко настроено согласно равномерному распределению вероятностей. А я его не использую. Я использую распределение с острым пиком. А в таком случае вероятность того, что два случайно выбранных числа отстоят друг от друга на расстояние 10–10, очень высока. «Но ведь это порочный круг», – скажете вы. Именно, но это был мой аргумент, не ваш. Распределение вероятностей с острым пиком обосновывает себя столь же хорошо или столь же плохо, как и равномерное распределение. Так какое же лучше?

Да, знаю, почему-то кажется, что постоянная функция особая, что она как-то проще. И отчего-то кажется, будто единица – особое число. Но математический ли это критерий или эстетический?

Вы можете попробовать применить к этой проблеме метаподход и задать себе вопрос: есть ли наиболее вероятное распределение? Чтобы ответить на этот вопрос, вам нужно знать распределение вероятностей в пространстве распределений вероятностей и так далее, что ведет к рекуррентному соотношению. Число 1 действительно особое: это единичный элемент мультипликативной группы. А значит, можно попытаться построить рекуррентную последовательность, которая сходится к распределению с шириной 1 в качестве предельного случая. Я покрутила эту идею, и, если коротко, ответ получился отрицательным: всегда требуются дополнительные допущения, чтобы выбрать распределение вероятностей.

А вот чуть более развернутый ответ, иллюстрирующий проблему, для специалистов: в пространстве функций есть бесконечное множество базисов, и никакие из них не предпочтительнее остальных с точки зрения математики. Мы просто очень привыкли к мономам, отсюда наша любовь к постоянным, линейным и квадратичным функциям. Но с тем же успехом вы могли бы отдать предпочтение равномерному распределению в пространстве Фурье (для любого параметра, с которым имеете дело). Равномерное распределение существует ведь для какого угодно базиса, какой бы вы ни выбрали, и все они разные. Так что если вы хотите использовать рекурсию, то можете поменять выбор распределения на выбор базиса функций распределения, но в любом случае выбор вам делать придется. (Рекурсия еще привносит дополнительные допущения.)

Как бы то ни было, верите вы моему выводу, что естественность – это не математический критерий, а эстетический, оказавшийся «затерянным в математике», или нет, он должен дать вам повод призадуматься, почему вопрос о том, как выбрать распределение вероятностей, не обсуждается в литературе – даже несмотря на то, что в одной из первых статей, где вводились вычисления для степени тонкой настройки, аккуратно указывалось: «любая мера тонкой настройки, количественно оценивающая естественность» требует выбора, который «неизбежно вносит во все построение элемент произвольности»205.

Современное воплощение технической естественности использует байесовский вывод. В этом случае выбор смещается с распределения вероятностей на априорные распределения 206.

Приложение В. Чем вы можете помочь

Чтобы улучшить сложившуюся ситуацию, необходимо применять разные меры, используя как подходы «снизу вверх», так и подходы «сверху вниз». Это междисциплинарная проблема, решение которой требует вовлечения социологии науки, философии, психологии и, что важнее всего, самих действующих ученых. Частности различаются, они зависят от конкретной области исследований. Подход должен быть дифференцированным. Вот что вы можете сделать, чтобы помочь.

Как ученый

УЗНАЙТЕ ПОДРОБНЕЕ О КОГНИТИВНЫХ ИСКАЖЕНИЯХ, В ТОМ ЧИСЛЕ СОЦИАЛЬНО ОБУСЛОВЛЕННЫХ. Выясните, какими бывают ошибки мышления и в каких обстоятельствах они имеют свойство проявляться. Расскажите об этом своим коллегам.

ПРЕДОТВРАЩАЙТЕ ПРОЯВЛЕНИЕ КОГНИТИВНЫХ ИСКАЖЕНИЙ. Если вы организуете конференции, призывайте выступающих перечислять не только достоинства, но и недостатки работы. Не забывайте обсуждать «известные проблемы». Приглашайте исследователей из конкурирующих проектов. Если вы рецензируете статьи, убедитесь, что открытые вопросы адекватным образом упоминаются и обсуждаются. Дайте установку, что маркетинговые приемы неприемлемы в научной сфере. Не относитесь к исследованию скептически только потому, что оно представлено недостаточно увлекательно или над ним работает мало людей.

ПОМНИТЕ О ВЛИЯНИИ средств массовой информации И СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЕЙ. На ваши интересы влияет то, что вы читаете, и то, о чем говорят ваши друзья. Отслеживайте, что вы впускаете в свою голову. Оценивая тему будущих исследований, принимайте во внимание тот факт, что на ваше решение может повлиять то, насколько часто люди вокруг вас высказывались о ней одобрительно.

ВЫСТРАИВАЙТЕ КУЛЬТУРУ КРИТИЦИЗМА. Если просто игнорировать неудачные идеи, они никуда не денутся и продолжат сжирать финансирование. Читайте статьи других исследователей и доводите до всеобщего сведения свои критические замечания. Не попрекайте коллег, когда они высказывают критические замечания к чужим работам, и не считайте такие действия непродуктивными или агрессивными. Отбрасывание идей – необходимая часть науки. Относитесь к этому как к общественно полезному труду.

ГОВОРИТЕ «НЕТ». Если какая угодно политика чинит помехи вашей объективности, например ставит продолжение финансирования в зависимость от популярности результатов вашего исследования, укажите на то, что подобная практика мешает надлежащим образом заниматься наукой и должна быть изменена. Если ваш институт оценивает эффективность по числу публикуемых статей и вы чувствуете, что это способствует гонке за количеством вместо качества, заявите о своем неодобрении подобных постановлений.

Как представитель администрации института, представитель структур, занимающихся вопросами научной политики, редактор журнала или представитель финансирующих структур

ЗАНИМАЙТЕСЬ СВОИМ ДЕЛОМ. Не перекладывайте решения на других. Не судите об ученых по тому, сколько грантов они получили или насколько популярно их исследование, ведь это оценки других людей, которые и сами полагались на кого-то еще. Принимайте свое собственное решение. Несите ответственность за свои действия. Если вы должны использовать какие-то количественные меры, выработайте свои собственные. Или, еще лучше, попросите ученых придумать свои.

ИСПОЛЬЗУЙТЕ ЧЕТКИЕ ИНСТРУКЦИИ. Если вы вынуждены полагаться на внешних рецензентов, сформулируйте рекомендации, как не допустить предвзятости, насколько это только возможно. Рецензентам не следует основывать свои суждения на популярности области исследований или конкретного ученого. Если рецензент материально заинтересован в процветании какой-то области исследований, значит, у него конфликт интересов и он не должен иметь дело со статьями по соответствующим темам. Это проблематично, поскольку такой конфликт интересов сегодня повсюду. См. следующие три пункта о том, как эту ситуацию сгладить.

БЕРИТЕ НА СЕБЯ ОБЯЗАТЕЛЬСТВА. Вам нужно распрощаться с идеей, будто всю науку можно делать руками постдоков по двухлетним грантам. Постоянные штатные должности учреждены не без причины, и причина эта до сих пор актуальна. Если это подразумевает меньшее число работников – так тому и быть. Вы можете либо производить кипы статей, до которых лет через десять никому и дела не будет, либо взращивать идеи, о которых будут говорить и через тысячу лет. Выбирайте. Краткосрочное финансирование подразумевает и недальновидное мышление.

ПОДДЕРЖИВАЙТЕ ИЗМЕНЕНИЯ ОБЛАСТИ. Ученым свойственно естественное стремление придерживаться того, что они уже знают. Если перспективность области исследований уменьшается, ученым нужен путь для отхода, иначе все закончится тем, что вы будете инвестировать деньги в безнадежные, умирающие области. Поэтому предлагайте поддержку по переквалификации – гранты на один-два года, которые позволяют ученым обучиться основам в новой области и обзавестись контактами. В течение этого времени ученые не должны быть обязаны публиковать статьи и выступать на конференциях.

НАНИМАЙТЕ РЕЦЕНЗЕНТОВ НА ПОЛНУЮ ЗАНЯТОСТЬ. Создавайте безопасные позиции для ученых, специализирующихся на объективном рецензировании в определенных областях. Эти рецензенты не должны сами работать в тех же областях и иметь личные стимулы стать на чью-либо сторону. Постарайтесь достигнуть договоренности с другими учреждениями насчет числа таких позиций.

ПОДДЕРЖИВАЙТЕ ПУБЛИКАЦИЮ КРИТИЧЕСКИХ РАЗБОРОВ И ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ. Критические замечания к чужим работам и отрицательные результаты сегодня недооценены. Однако публиковать их совершенно необходимо для того, чтобы научный метод работал. Найдите способы поощрять публикацию подобных работ, например, посвящая им специальные выпуски журналов.

ОТКРОЙТЕ КУРСЫ ЛЕКЦИЙ О КОГНИТИВНЫХ ИСКАЖЕНИЯХ. Посещение этих лекций следует сделать обязательным для всех, кто работает в научной сфере. Каждый из нас является частью каких-то сообществ, и нам необходимо узнать о соответствующих подводных камнях. Сядьте вместе со специалистами по общественным наукам, психологии, философии науки и продумайте план лекций.

ДОПУСКАЙТЕ РАЗДЕЛЕНИЕ ТРУДА. Никто не может быть хорош во всем, так не ожидайте этого и от ученых. Кто-то хороший рецензент, кто-то хороший наставник, кто-то хороший руководитель, а кто-то искусен в научной коммуникации. Позвольте ученым блистать в том, в чем они хороши, и используйте это по максимуму, но не требуйте от человека, который большинство вечеров тратит на помощь студентам, еще и приносить кучу грантовых денег. Удостаивайте людей специальных званий, степеней, наград.

Как популяризатор науки или представитель общественности

ЗАДАВАЙТЕ ВОПРОСЫ. Вам привычно задавать вопросы насчет конфликта интересов в связи с финансированием промышленными корпорациями. Но вы также должны спрашивать о конфликте интересов в связи с краткосрочными грантами или трудоустройством. Не зависит ли дальнейшее финансирование ученого от получения результатов, о которых он вам только что рассказал?

Точно так же вам следует спрашивать, не зависят ли шансы ученого на продолжение своего исследования от популярности его работы среди коллег. Обеспечивает ли его нынешняя позиция должную защиту от социального давления?

И наконец, точно так же, как вы привыкли испытующе смотреть на статистические данные, вам следует задавать вопрос, предприняли ли ученые какие-то шаги, чтобы противостоять когнитивным искажениям. Озаботились ли всесторонним освещением преимуществ и недостатков работы? Или же просто прорекламировали собственное исследование?

Вы обнаружите, что почти для всех исследований в основаниях физики ответ по меньшей мере на один из перечисленных вопросов будет разочаровывающим. А значит, доверять выводам этих ученых нельзя. Прискорбно, но факт.

Список литературы

1 Barbieri R., Giudice G. F. 1988. Upper bounds on supersymmetric particle masses. Nucl. Phys. B. 306: 63.

2 Hooper D. 2008. Nature’s blueprint. New York: Harper Collins.

3 Forshaw J. 2012. Supersymmetry: is it really too good not to be true? Guardian, December 9, 2012.

4 Lykken J., Spiropulu M. 2014. Supersymmetry and the crisis in physics. Scientific American, May 1, 2014.

5 Coleman S., Mandula J. 1967. All possible symmetries of the S matrix. Phys. Rev. 159: 1251.

6 Haag R. et al. 1975. All possible generators of supersymmetries of the S-matrix. Nucl. Phys. B. 88: 257.

7 Giudice G. F. 2008. Naturally speaking: the naturalness criterion and physics at the LHC. arXiv:0801.2562 [hep-ph].

8 Arkani-Hamed N. et al. 1998. The hierarchy problem and new dimensions at a millimeter. Phys. Lett. B. 429: 263–272. arXiv: hep-ph/9803315.

9 Chandrasekhar S. 1990. Truth and beauty: aesthetics and motivations in science. Chicago: University of Chicago Press; Orrell D. 2012. Truth or beauty: science and the quest for order. New Haven, CT: Yale University Press; Steward I. 2008. Why beauty is truth: a history of symmetry. New York: Basic Books; Kragh H. 2011. Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press; McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press.

10 Galileo G. 1967. Dialogue concerning the two chief world systems, Ptolemaic and Copernican. 2nd ed. Berkeley: University of California Press.

11 Цитируется по: McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press, p. 178.

12 Newton I. 1729. The general scholium. Motte A., trans. https://isaac-newton.org/general-scholium

13 Leibniz G. W. 1923. Sämtliche Schriften und Briefe, ed. by the Academies of Göttingen and Berlin, 8 series, Darmstadt, ser. IV, vol. 1, p. 535.

14 Leibniz G. 1686. Discourse on metaphysics. Montgomery G. R., trans. In Leibniz (1902). Open Court.

15 Цитируется по некрологу Фримена Дайсона о Вейле. Nature, March 10, 1956.

16 Rebsdorf S., Kragh H. 2002. Edward Arthur Milne – the relations of mathematics to science. Stud. His. Phil. Mod. Phys. 33: 51–64.

17 Цитируется по: Kragh H. 1990. Dirac: a scientific biography. Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 277.

18 Dalitz R. H. 1987. A biographical sketch of the life of Professor P. A. M. Dirac, OM, FRS. In: Taylor J. G., Hilger A., editors. Tributes to Paul Dirac. Bristol, UK: Adam Hilger, p. 20. Цитируется по: McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press, p. 16.

19 Kragh H. 1990. Dirac: a scientific biography. Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 292.

20 Einstein A. 2009. Einstein’s essays in science. Harris A., trans. Mineola, NY: Dover Publications, pp. 17–18.

21 Poincaré H. 2001. The value of science: the essential writings of Henri Poincaré. Gould S. J., ed. New York: Modern Library, p. 369.

22 Poincaré H. 2001. The value of science: the essential writings of Henri Poincaré. Gould S. J., ed. New York: Modern Library, pp. 396–398.

23 Письмо Гейзенберга Эйнштейну. Heisenberg W. 1971. Physics and beyond: encounters and conversations. New York: HarperCollins, p. 68.

24 Heisenberg E. 1984. Inner exile: recollections of a life with Werner Heisenberg. Boston: Birkhäuser, p. 143.

25 Zee A. 1986. Fearful symmetry: the search for beauty in modern physics. New York: Macmillan.

26 Lederman L. 2006. The God particle. Boston: Mariner Books, p. 15.

27 Lederman L. 2007. The God particle et al. Nature. 448: 310–312.

28 Weinberg S. 2003. Interview with Nova (PBS), conducted by Joe McMaster. www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/view-weinberg.html

29 Wilczek F. 2015. A beautiful question: finding nature’s deep design. New York: Penguin Press, p. 9.

30 Личное интервью.

31 Greene B. 1999. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York: WW Norton, p. 167.

32 Heisenberg E. 1984. Inner exile: recollections of a life with Werner Heisenberg. Boston: Birkhäuser, p. 144.

33 Schrödinger E. 1926. Über das Verhältnis der Heisenberg-Born-Jordanschen Quantenmechanik zu der meinen. Ann. Physik. 4 (7): 734–756.

34 Pauli W. 1979. Wissenschaftlicher Briefwechsel mit Bohr, Einstein, Heisenberg u. a.: Band 1: 1919–1929. In: Hermann A., v. Meyenn K., Weisskopf V. F., editors. Sources in the history of mathematics and physical sciences. New York: Springer, p. 262.

35 Lemaître G. 1958. Rencontres avec A. Einstein. Rev. Quest. Sci. 129: 129–132. Цитируется по: Nussbaumer H. 2014. Einstein’s conversion from his static to an expanding universe. EPJH. 39: 37–62.

36 Некролог о Хойле. Professor Sir Fred Hoyle. Telegraph, August 22, 2001.

37 Curtis A. 2012. A mile or two off Yarmouth. Adam Curtis: the medium and the message, February 24, 2012. www.bbc.co.uk/blogs/adamcurtis/entries/512cde83-3afb-3048-9ece-dba774b10f89

38 Вихревая теория освещена в Kragh H. 2002. The vortex atom: a Victorian theory of everything. Centaurus. 44: 32–114; Kragh H. 2011. Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press.

39 Lodge O. 1883. The ether and its functions. Nature. 34: 304–306, 328–330. Цитируется по: McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press, p. 91.

40 Michelson A. A. 1903. Light waves and their uses. Chicago: University of Chicago Press. Цитируется по: Kragh H. 2011. Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press, p. 52.

41 Maxwell J. C. 1875. Atoms. In: Encyclopaedia Britannica. 9th ed. Цитируется по: Maxwell J. C. 2011. The scientific papers of James Clerk Maxwell. Vol. 2. Niven W. D., editor. Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 592.

42 Цитируется по: Kragh H. 2011. Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press, p. 87.

43 Klein M. J. 1973. Mechanical explanation at the end of the nineteenth century. Centaurus. 17: 72. Цитируется по: McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press, p. 88.

44 Dirac P. 1951. A new classical theory of electrons. Proc. R. Soc. Lond. A. 209: 251.

45 Цитируется по: Kragh H. 1990. Dirac: a scientific biography. Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 184.

46 Dawid R. 2013. String theory and the scientific method. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

47 Kragh H. 2002. The vortex atom: a Victorian theory of everything. Centaurus. 44: 32–114; Kragh H. 2011. Higher speculations. Oxford, UK: Oxford University Press.

48 Ellis G., Silk J. 2014. Scientific method: defend the integrity of physics. Nature. 516: 321–323.

49 Dawid R. 2013. String theory and the scientific method. Cambridge, UK: Cambridge University Press, задняя сторонка обложки.

50 Wagner C. E. M. 2005. Lectures on supersymmetry (II). PowerPoint presentation, Fermilab, Batavia, IL, June 23 and 30, 2005. www-cdf.fnal.gov/physics/lectures/Wagner_Lecture2.pdf

51 Lederman L. 2007. The God particle et al. Nature. 448: 310–312.

52 O’Brien F. J. 1858. The diamond lens. Project Gutenberg. www.gutenberg.org/ebooks/23169

53 Glashow S. 1988. Interactions: a journey through the mind of a particle physicist and the matter of this world. New York: Warner Books.

54 Portell X. 2011. SUSY searches at the Tevatron and the LHC. Talk given at Physics in Collision, Vancouver, Canada, August/September 2011, slide 41. http://indico.cern.ch/event/117880/contributions/1330772/attachments/58548/84276/portell_SUSYsearches.pdf

55 Allanach B. 2015. Hint of new particle at CERN’s Large Hadron Collider? Guardian, December 16, 2015.

56 Цитируется по: Cho A. 2007. Physicists’ nightmare scenario: the Higgs and nothing else. Science. 315: 1657–1658.

57 Gross D. 2013. Closing remarks. Presentation at Strings 2013, Sogang University, Seoul, South Korea, June 24–29, 2013. www.youtube.com/embed/vtXAwk1vkmk

58 Kaku M. 1994. Hyperspace: a scientific odyssey through parallel universes, time warps, and the tenth dimension. Oxford, UK: Oxford University Press, p. 126; Hawking S. 2002. Gödel and the end of the universe. Public lecture, Cambridge, UK, July 20, 2002; Strassler M. 2013. Looking beyond the standard model. Lecture at the Higgs Symposium, University of Edinburgh, Edinburgh, Scotland, January 9–11, 2013. https://higgs.ph.ed.ac.uk/sites/default/files/Strassler_Looking%20Beyond%20SM.pdf; Greene B. 1999. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York: WW Norton, p. 143; Davies P. 2007. The Goldilocks enigma: why is the universe just right for life? New York: Penguin, p. 101.

59 Koide Y. 1993. Should the renewed tau mass value 1777 MeV be taken seriously? Mod. Phys. Lett. A8: 2071.

60 Peccei R. D., Quinn H. R. 1977. CP conservation in the presence of pseudoparticles. Phys. Rev. Lett. 38 (25): 1440–1443.

61 Brahe T. 1602. Astronomiae instauratae progymnasmata. Цитируется по: Blair A. 1990. Tycho Brahe’s critique of Copernicus and the Copernican system. J. Hist. Ideas. 51 (3): 364.

62 Подробнее см.: Barrow J. D. 1981. The lore of large numbers: some historical background to the anthropic principle. Q Jl. R. Astr. Soc. 22: 388–420.

63 Steigman G. 1978. A crucial test of the Dirac cosmologies. Ap. J. 221: 407–411.

64 Glashow S. L. et al. 1970. Weak interactions with lepton-hadron symmetry. Phys. Rev. 2 (7): 1285–1292.

65 Nadis S., Yau S.-T. 2015. From the Great Wall to the great collider: China and the quest to uncover the inner workings of the universe. Somerville, MA: International Press of Boston, p. 75.

66 Randall L. 2006. Warped passages: unraveling the mysteries of the universe’s hidden dimensions. New York: Harper Perennial, p. 253.

67 Личное интервью.

68 Thomas K. D. 2015. Beyond the Higgs: from the LHC to China. The Institute Letter, Summer 2015. Princeton, NJ: Institute for Advanced Study, p. 8.

69 Voss R. F., Clarke J. 1975. ‘1/f noise’ in music and speech. Nature. 258: 317–318.

70 Einstein A. 1999. Autobiographical notes. La Salle, IL: Open Court, p. 63.

71 Weinberg S. 2015. To explain the world: the discovery of modern science. New York: Harper.

72 Wolchover N., Byrne P. 2014. How to check if your universe exists. Quanta Magazine, July 11, 2014.

73 Davies P. 2007. Universes galore: where will it all end? In: Carr B., editor. Universe or multiverse. Cambridge, UK: Cambridge University Press, p. 495.

74 Ellis G. 2011. Does the multiverse really exist? Scientific American, August 2011, p. 40.

75 Lawrence Krauss owned by David Gross on the multiverse religion. YouTube video, published June 26, 2014. www.youtube.com/watch?v=fEx5rWfz2ow

76 Wells P. 2013. Perimeter Institute and the crisis in modern physics. MacLean’s, September 5, 2013.

77 Horgan J. 2011. Is speculation in multiverses as immoral as speculation in subprime mortgages? Cross-check (blog). Scientific American, January 28, 2011. https://blogs.scientificamerican.com/cross-check/is-speculation-in-multiverses-as-immoral-as-speculation-in-subprime-mortgages/

78 Gefter A. 2005. Is string theory in trouble? New Scientist, December 14, 2005.

79 Carr B. 2008. Defending the multiverse. A&G. 49 (2): 2.36–2.37.

80 Naff C. F. 2014. Cosmic quest: an interview with physicist Max Tegmark. TheHumanist.com, May 8, 2014.

81 Siegfried T. 2013. Belief in multiverse requires exceptional vision. ScienceNews.org, August 14, 2013.

82 См., например, Mukhanov V. 2015. Inflation without selfreproduction. Fortschr. Phys. 63 (1). arXiv:1409.2335 [astro-ph.CO].

83 Bousso R., Susskind L. 2012. The multiverse interpretation of quantum mechanics. Phys. Rev. D. 85: 045007. arXiv:1105.3796 [hep-th].

84 Tegmark M. 2008. The mathematical universe. Found. Phys. 38: 101–150. arXiv:0704.0646 [gr-qc].

85 Garriga J. et al. 2016. Black holes and the multiverse. JCAP. 02: 064. arXiv:1512.01819 [hep-th].

86 Weinberg S. 2005. Living in the multiverse. Talk presented at Expectations of a Final Theory, Trinity College, Cambridge, UK, September 2005. arXiv: hep-th/0511037.

87 Hoyle F. 1954. On nuclear reactions occurring in very hot stars. I. The synthesis of elements from carbon to nickel. Astrophys. J. Suppl. Ser. 1: 121.

88 Kragh H. 2010. When is a prediction anthropic? Fred Hoyle and the 7.65 MeV carbon resonance. Preprint. http://philsci-archive.pitt.edu/5332

89 См., например, Barrow J. D., Tipler F. J. 1986. The anthropic cosmological principle. Oxford, UK: Oxford University Press; Davies P. 2007. Cosmic jackpot: why our universe is just right for life. Boston: Houghton Mifflin Harcourt.

90 Harnik R. D. et al. 2006. A universe without weak interactions. Phys. Rev. D. 74: 035006. arXiv: hep-ph/0604027.

91 Loeb A. 2014. The habitable epoch of the early universe. Int. J. Astrobiol. 13 (4): 337–339. arXiv:1312.0613 [astro-ph.CO].

92 Adams F. C., Grohs E. 2016. Stellar helium burning in other universes: a solution to the triple alpha fine-tuning problem. arXiv:1608.04690 [astro-ph.CO].

93 Martel H. et al. 1998. Likely values of the cosmological constant. Astrophys. J. 492: 29. arXiv: astro-ph/9701099.

94 Johnson G. 2014. Dissonance: Schoenberg. New York Times, video, May 30, 2014. www.nytimes.com/video/arts/music/100000002837182/dissonance-schoenberg.html

95 McDermott J. H. et al. 2016. Indifference to dissonance in native Amazonians reveals cultural variation in music perception. Nature. 535: 547–550.

96 Popescu S. 2014. Nonlocality beyond quantum mechanics. Nat. Phys. 10: 264–270.

97 Цитируется по: Wolchover N. 2014. Have we been interpreting quantum mechanics wrong this whole time? Wired, June 30, 2014.

98 Weinberg S. 2012. Lectures on quantum mechanics. Cambridge, UK: Cambridge University Press.

99 Scheidl T. et al. 2010. Violation of local realism with freedom of choice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 107: 19708. arXiv:0811.3129 [quant-ph].

100 Прекрасная книга для дальнейшего чтения: Musser G. 2015. Spooky action at a distance: the phenomenon that reimagines space and time – and what it means for black holes, the big bang, and theories of everything. New York: Farrar, Straus and Giroux. (Массер Дж. Нелокальность: феномен, меняющий представление о пространстве и времени, и его значение для черных дыр, Большого взрыва и теорий всего. М.: АНФ, 2018. – Прим. перев.)

101 Mermin N. D. 1989. What’s wrong with this pillow? Physics Today, April 1989. И нет, это сказал не Фейнман, см.: Mermin N. D. 2004. Could Feynman have said this? Physics Today, May 2004.

102 Vaidman L. 2012. Time symmetry and the many worlds interpretation. In: Saunders S., Barrett J., Kent A., Wallace D., editors. Many worlds? Everett, quantum theory, and reality. Oxford, UK: Oxford University Press, p. 582; Tegmark M. 2003. Parallel universes. Scientific American, May 2003.

103 Mermin N. D. 2016. Why quark rhymes with pork and other scientific diversions. Cambridge, UK: Cambridge University Press; Carroll S. 2014. Why the many-worlds formulation of quantum mechanics is probably correct. Preposterous Universe, June 30, 2014. www.preposterousuniverse.com/blog/2014/06/30/why-the-many-worlds-formulation-of-quantum-mechanics-is-probably-correct/

104 Bell M. et al. 2001. John S. Bell on the foundations of quantum mechanics. River Edge, NJ: World Scientific Publishing, p. 199.

105 Polkinghorne J. 2002. Quantum theory: a very short introduction. Oxford, UK: Oxford University Press, p. 89.

106 Tegmark M. 2015. Our mathematical universe: my quest for the ultimate nature of reality. New York: Vintage, p. 187 (Тегмарк М. Наша математическая Вселенная. В поисках фундаментальной природы реальности. М.: Corpus, 2016. – Прим. перев.); Tegmark M. 2003. Parallel universes. Scientific American, May 2003.

107 Kent A. 2014. Our quantum problem. Aeon, January 28, 2014.

108 McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press.

109 Orzel C. 2010. How to teach quantum physics to your dog. New York: Scribner.

110 Sparkes A. et al. 2010. Towards robot scientists for autonomous scientific discovery. Autom. Exp. 2: 1.

111 Schmidt M., Lipson H. 2009. Distilling free-form natural laws from experimental data. Science. 324: 81–85.

112 Krenn M. et al. 2016. Automated search for new quantum experiments. Phys. Rev. Lett. 116: 090405.

113 Цитируется по: Ball P. 2016. Focus: computer chooses quantum experiments. Physics. 9: 25.

114 Powell E. 2011. Discover interview: Anton Zeilinger dangled from windows, teleported photons, and taught the Dalai Lama. Discover Magazine, July—August 2011.

115 Sørensen J. J. W. H. et al. 2016. Exploring the quantum speed limit with computer games. Nature. 532: 210–213.

116 Wigner E. P. 1960. The unreasonable effectiveness of mathematics in the natural sciences. Comm. Pure. Appl. Math. 13: 1–14. (Вигнер Е. 1968. Непостижимая эффективность математики в естественных науках. Успехи физических наук. 94: 535–546. – Прим. перев.)

117 Hooper D. 2008. Nature’s blueprint. New York: Harper Collins, p. 193.

118 Castelvecchi D. 2012. Is supersymmetry dead? Scientific American, May 2012.

119 Gross D. 2005. Einstein and the search for unification. Curr. Sci. 89 (12): 25.

120 Цитируется по: Cho A. 2007. Physicists’ nightmare scenario: the Higgs and nothing else. Science. 315: 1657–1658.

121 Wilczek F. 2016. Power over nature. Edge, April 20, 2016. www.edge.org/conversation/frank_wilczek-power-over-nature

122 McAllister J. W. 1996. Beauty and revolution in science. Ithaca, NY: Cornell University Press.

123 Mulvey P. J., Nicholson S. 2014. Trends in physics PhDs. Focus On, February 2014. College Park, MD: AIP Statistical Research Center.

124 Forman P. et al. 1975. Physics circa 1900. In: McCormmach R., editor. Historical studies in the physical sciences, Volume 5. Princeton, NJ: Princeton University Press.

125 Sinatra R. et al. 2015. A century of physics. Nat. Phys. 11: 791–796.

126 Larsen P. O., von Ins M. 2010. The rate of growth in scientific publication and the decline in coverage provided by Science Citation Index. Scientometrics. 84 (3): 575–603.

127 Sinatra R. et al. 2015. A century of physics. Nat. Phys. 11: 791–796.

128 Palmer C. L. et al. 2004. Information at the intersections of discovery: case studies in neuroscience. Proc. Ass. Inf. Sci. Tech. 41: 448–455.

129 Uzzi B. et al. 2013. Atypical combinations and scientific impact. Science. 342 (6157): 468–472.

130 Sinatra R. et al. 2015. A century of physics. Nat. Phys. 11: 791–796.

131 King C. 2016. Single-author papers: a waning share of output, but still providing the tools for progress. Science Watch, retrieved January 2016. http://sciencewatch.com/articles/single-author-papers-waning-share-output- still-providing-tools-progress

132 Maher B., Anfres M. S. 2016. Young scientists under pressure: what the data show. Nature. 538: 44–45.

133 Von Hippel T., von Hippel C. 2015. To apply or not to apply: a survey analysis of grant writing costs and benefits. PLoS One. 10 (3): e0118494.

134 Chubba J., Watermeyer R. 2016 Feb. Artifice or integrity in the marketization of research impact? Investigating the moral economy of (pathways to) impact statements within research funding proposals in the UK and Australia. Stud. High. Edu. 42 (12): 2360–2372.

135 Shulman S. et al. 2016. Higher education at a crossroads: the economic value of tenure and the security of the profession. Academe, March—April 2016, pp. 9–23. www.aaup.org/sites/default/files/2015-16EconomicStatus Report.pdf

136 Brembs B. 2015. Booming university administrations. Björn.Brembs.Blog, January 7, 2015. http://bjoern.brembs.net/2015/01/booming-university-administrations

137 Foster J. G. et al. 2015. Tradition and innovation in scientists’ research strategies. Am. Sociol. Rev. 80 (5): 875–908.

138 Weaver K. et al. 2007. Inferring the popularity of an opinion from its familiarity: a repetitive voice can sound like a chorus. J. Pers. Soc. Psychol. 92 (5): 821–833.

139 Odenwald S. 2015. The future of physics. Huffington Post, January 26, 2015. www.huffingtonpost.com/dr-sten-odenwald/the-future-of-physics_b_6506304.html

140 Lykken J., Spiropulu M. 2014. Supersymmetry and the crisis in physics. Scientific American, May 1, 2014.

141 Khosrovshahi G. B. n. d. Interview with Alain Connes. Retrieved January 2016. www.freewebs.com/cvdegosson/connes-interview.pdf

142 Kac M. 1966. Can one hear the shape of a drum? Amer. Math. Monthly. 73 (4): 1–23.

143 Chamseddine A. H. et al. 2007. Gravity and the standard model with neutrino mixing. Adv. Theor. Math. Phys. 11: 991–1089. arXiv: hep-th/0610241.

144 Connes A. 2008. Irony. Noncommutative Geometry, August 4, 2008. http://noncommutativegeometry.blogspot.de/2008/08/irony.html

145 Chamseddine A. H., Connes A. 2012. Resilience of the spectral standard model. JHEP. 1209: 104. arXiv:1208.1030 [hep-ph].

146 Hebecker A., Wetterich W. 2003. Spinor gravity. Phys. Lett. B. 574: 269–275. arXiv: hep-th/0307109; Finster F., Kleiner J. 2015. Causal fermion systems as a candidate for a unified physical theory. J. Phys. Conf. Ser. 626: 012020. arXiv:1502.03587 [math-ph].

147 Lisi A. G. 2007. An exceptionally simple theory of everything. arXiv:0711.0770 [hep-th].

148 Lisi A. G., Weatherall J. O. 2010. A geometric theory of everything. Scientific American, December 2010.

149 Kachru S. et al. 2003. De Sitter vacua in string theory. Phys. Rev. D68: 046005. arXiv: hep-th/0301240.

150 Hossenfelder S. 2013. Whatever happened to AdS/CFT and the quark gluon plasma? Backreaction, September 12, 2013. http://backreaction.blogspot.com/2013/09/whatever-happened-to-adscft-and-quark.html

151 Conlon J. 2015. Why string theory? Boca Raton, FL: CRC Press, p. 135.

152 Dyson F. 2009. Birds and frogs. Notices of the AMS. 56 (2): 221.

153 Замечательная книга о связи математики и теории струн: Yau S.-T., Nadis S. 2012. The shape of inner space: string theory and the geometry of the universe’s hidden dimensions. New York: Basic Books. (Яу Ш., Надис С. 2012. Теория струн и скрытые измерения Вселенной. СПб.: Питер. – Прим. перев.)

154 Очень понятно об этой связи рассказывается здесь: Ronan M. 2006. Symmetry and the monster: the story of one of the greatest quests of mathematics. Oxford, UK: Oxford University Press.

155 Polchinski J. 2015. String theory to the rescue. arXiv:1512.02477 [hep-th].

156 Polchinski J. 2004. Monopoles, duality, and string theory. Int. J. Mod. Phys. A19S1: 145–156. arXiv: hep-th/0304042.

157 Almheiri A. et al. 2013. Black holes: complementarity or firewalls? J. High. Energ. Phys. 2013 (2): 62. arXiv:1207.3123 [hep-th].

158 Greene A. 2014. Stephen King: the Rolling Stone interview. Rolling Stone, October 31, 2014.

159 Conlon J. 2015. Why string theory? Boca Raton, FL: CRC Press, p. 236.

160 Witten E. 2003. Viewpoints on string theory. Nova: The Elegant Universe. PBS. www.pbs.org/wgbh/nova/elegant/viewpoints.html

161 Brink L., Henneaux M. 1988. Principles of string theory. Boston: Springer.

162 Greene B. 1999. The elegant universe: superstrings, hidden dimensions, and the quest for the ultimate theory. New York: WW Norton, p. 82.

163 Cheng Z., Wen X.-G. 2012. Emergence of helicity +/– 2 modes (gravitons) from qubit models. Nucl. Phys. B. 863: 90–129. arXiv:0907.1203 [gr-qc].

164 Vinkers C. H. et al. 2015. Use of positive and negative words in scientific PubMed abstracts between 1974 and 2014: retrospective analysis. BMJ. 351: h6467.

165 Freese K. 2014. Cosmic cocktail: three parts dark matter. Princeton, NJ: Princeton University Press.

166 Feng J. L. 2008. Collider physics and cosmology. Class. Quant. Grav. 25: 114003. arXiv:0801.1334 [gr-qc]; Buckley R. B., Randall L. 2011. Xogenesis. J. High. Energ. Phys. 1109: 009. arXiv:1009.0270 [hep-ph].

167 Baudis L. 2015. Dark matter searches. Ann. Phys. (Berlin). 528 (1–2): 74–83. arXiv:1509.00869 [astro-ph.CO].

168 Goodman M. W., Witten E. 1985. Detectability of certain dark-matter candidates. Phys. Rev. D. 31 (12): 3059–3063.

169 Gelmini G. 1987. Bounds on galactic cold dark matter particle candidates and solar axions from a Ge-spectrometer. In: Hinchliffe I., editor. Proceedings of the theoretical workshop on cosmology and particle physics: July 28 – Aug. 15, 1986, Lawrence Berkeley Laboratory, Berkeley, California. Singapore: World Scientific.

170 Benoit A. et al. 2001. First results of the EDELWEISS WIMP search using a 320 g heat-and-ionization Ge detector. Phys. Lett. B. 513: 15–22. arXiv: astro-ph/0106094.

171 Xenon100 Collaboration. 2013. Limits on spin-dependent WIMP-nucleon cross sections from 225 live days of XENON100 data. Phys. Rev. Lett. 111: 021301. arXiv:1301.6620 [astro-ph.CO].

172 Milgrom M. 1983. A modification of the Newtonian dynamics – implications for galaxies. Astrophys. J. 270: 371.

173 См., например, Moffat J. W., Rahvar S. 2013. The MOG weak field approximation and observational test of galaxy rotation curves. MNRAS. 436: 1439. arXiv:1306.6383 [astroph.GA]. См. также другие статьи этих авторов.

174 Berezhiani L., Khoury J. 2015. Theory of dark matter superfluidity. Phys. Rev. D. 92: 103510. arXiv:1507.01019 [astro-ph.CO]. Схожая идея предлагалась и раньше: Bruneton J.-P. et al. 2009. Reconciling MOND and dark matter? JCAP. 3: 21. arXiv:0811.3143 [astro-ph].

175 Boyle L. A. et al. 2006. Inflationary predictions for scalar and tensor fluctuations reconsidered. Phys. Rev. Lett. 96: 111301. arXiv: astro-ph/0507455.

176 Martin J. et al. 2014. The best inflationary models after Planck. JCAP. 1403: 039. arXiv:1312.3529 [astro-ph.CO].

177 Azhar F., Butterfield J. 2017. Scientific realism and primordial cosmology. In: Saatsi J., editor. The Routledge handbook of scientific realism. New York: Routledge. arXiv:1606.04071 [physics.hist-ph].

178 Silk J. 2007. The dark side of the universe. Astron. Geophys. 48 (2): 2.30–2.38.

179 Ijjas A. et al. 2017. Pop goes the universe. Scientific American, January 2017.

180 Hawking S. W., Ellis G. F. R. 1973. The large scale structure of space-time. Cambridge, UK: Cambridge University Press. (Хокинг С., Эллис Д. Крупномасштабная структура пространства-времени. М.: Мир, 1977. – Прим. перев.)

181 Ellis G. F. R. 1975. Cosmology and verifiability. QJRAS. 16: 245–264.

182 Stepnes S. 2007. Detector challenges at the LHC. Nature. 448: 290–296.

183 Ellis G. F. R, Brundrit G. B. 1979. Life in the infinite universe. QJRAS. 20: 37–41.

184 Hilbert D. 1926. Über das Unendliche. Math. Ann. 95: 161–190.

185 Krauss L. 2012. The consolation of philosophy. Scientific American, April 27, 2012.

186 Weinberg S. 1994. Dreams of a final theory: the scientist’s search for the ultimate laws of nature. New York: Vintage.

187 Hawking S., Mlodinow L. 2010. The grand design. New York: Bantam.

188 Pigliucci M. 2012. Lawrence Krauss: another physicist with an anti-philosophy complex. Rationally Speaking, April 25, 2012. http://rationallyspeaking.blogspot.de/2012/04/lawrence-krauss-another-physicist-with.html

189 Maudlin T. 2015. Why physics needs philosophy. The Nature of Reality (blog), April 23, 2015. PBS. www.pbs.org/wgbh/nova/blogs/physics/2015/04/physics-needs-philosophy/

190 Hooper D. 2008. Nature’s blueprint. New York: Harper Collins, p. 5.

191 Rutjens B. T., Heine S. J. 2016. The immoral landscape? Scientists are associated with violations of morality. PLoS One. 11 (4): e0152798.

192 Watson J. D. 2001. The double helix: a personal account of the discovery of the structure of DNA. New York: Touchstone, p. 210.

193 Fleming P. A., Bateman P. W. 2016. The good, the bad, and the ugly: which Australian terrestrial mammal species attract most research? Mammal. Rev. 46 (4): 241–254.

194 Krugman P. 2009. How did economists get it so wrong? New York Times, September 2, 2009.

195 См., например, Farmer J. D., Geanakoplos J. 2008. The virtues and vices of equilibrium and the future of financial economics. arXiv:0803.2996 [q-fin.GN].

196 Patrignani C. et al. (Particle Data Group). 2016. Review of particle physics. Chin. Phys. C. 40: 100001.

197 Baker M. 2016. 1,500 scientists lift the lid on reproducibility. Nature. 533: 452–454.

198 Maldacena J., Susskind L. 2013. Cool horizons for entangled black holes. Fortschr. Physik. 61 (9): 781–811. arXiv:1306.0533 [hep-th].

199 Для дальнейшего чтения: Banaji M. R., Greenwald A. G. 2013. Blindspot: hidden biases of good people. New York: Delacorte; Kahneman D. 2012. Thinking, fast and slow. New York: Penguin (Канеман Д. Думай медленно… решай быстро. М.: АСТ, 2014. – Прим. перев.).

200 Balcetis E. 2008. Where the motivation resides and self-deception hides: how motivated cognition accomplishes self-deception. Soc. Pers. Psychol. Compass. 2 (1): 361–381.

201 Stanovich K. E., West R. F. 2008. On the relative independence of thinking biases and cognitive ability. J. Pers. Soc. Psychol. 94 (4): 672–695.

202 Cruz M. G. et al. 1997. The impact of group size and proportion of shared information on the exchange and integration of information in groups. Communic. Res. 24 (3): 291–313.

203 Wolchover N. 2016. Supersymmetry bet settled with cognac. Quanta Magazine, August 22, 2016.

204 Eberhart O. et al. 2012. Impact of a Higgs boson at a mass of 126 GeV on the standard model with three and four fermion generations. Phys. Rev. Lett. 109: 241802. arXiv:1209.1101 [hep-ph].

205 Anderson G., Castano D. 1995. Measures of fine tuning. Phys. Lett. B. 347: 300–308. arXiv: hep-ph/9409419.

206 Подробнее см.: Hossenfelder S. 2018. Screams for explanation: finetuning and naturalness in the foundations of physics. arXiv:1801.02176.

* * *

Примечания

1

Зависть к физике (на англ. physics envy) – осудительное выражение, которое используют, критикуя стремление «гуманитарных» наук походить на физику, то есть казаться более «строгими», за счет злоупотреблений путаной терминологией и вычурной математикой. – Прим. перев.

2

Сейчас он руководит этим отделением. – Прим. перев.

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 = 10^12 эВ (триллион электронвольт). Большой адронный коллайдер способен создать максимально около 14 ТэВ. Поэтому говорят, что он может работать с энергиями масштаба ТэВ.

9

Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мира – птоломеевой и коперниковой. М., Л.: ГИТТЛ, 1948. – Прим. перев.

10

Ньютон И. Математические начала натуральной философии. М.: Наука, 1989. – Прим. перев.

11

Лейбниц Г. В. Рассуждение о метафизике // Сочинения в четырех томах. Т. 1. М.: Мысль, 1982. – Прим. перев.

12

Это называется принципом наименьшего действия.

13

Из его доклада 1937 года «Религия и естествознание»: http://vivovoco.astronet.ru/VV/PAPERS/ECCE/PHIL2.HTM. – Прим. перев.

14

Цитируется по: Стюарт И. Истина и красота: всемирная история симметрии. М.: Corpus, 2010. – Прим. перев.

15

Эйнштейн А. О методе теоретической физики // Собрание научных трудов. Т. 4. М.: Наука, 1967. – Прим. перев.

16

Пуанкаре А. Ценность науки // О науке. М.: Наука, 1990. – Прим. перев.

17

Там же. – Прим. перев.

18

Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М.: Наука, 1989. – Прим. перев.

19

Кварковая модель была независимо предложена примерно в то же время Джорджем Цвейгом.

20

Из лекции Гелл-Манна на площадке TED talks, март 2007 года (www.ted.com/talks/murray_gell_mann_on_beauty_and_truth_in_physics). Процитированная фраза написана на слайде. Произносит он при этом следующее: «У нас накоплен внушительный опыт в этой области фундаментальной физики, говорящий о том, что красота – очень удачный критерий при выборе правильной теории».

21

Вильчек Ф. Красота физики: постигая устройство природы. М.: АНФ, 2016. – Прим. перев.

22

Грин Б. Элегантная Вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: URSS, 2008. – Прим. перев.

23

Цитируется по: Шредингер Э. Избранные труды по квантовой механике. М.: Наука, 1976. – Прим. перев.

24

Там же, перевод последнего предложения наш. – Прим. перев.

25

Из книги Артура Эддингтона «Природа физического мира» (The nature of the physical world, 1928), перевод наш. – Прим. перев.

26

Майкельсон А. А. Эфир // Световые волны и их применения. Одесса: Mathess, 1912. Цитата приводится в современной орфографии. – Прим. перев.

27

Максвелл Дж. К. Атом // Речи и статьи. М.; Л.: Гостехиздат, 1940. – Прим. перев.

28

Максвелл Дж. К. О динамическом доказательстве молекулярного строения тел // Речи и статьи. М.; Л.: Гостехиздат, 1940. – Прим. перев.

29

Дирак П. А. Новая классическая теория электронов // Собрание научных трудов. Т. 3. М.: Физматлит, 2004. – Прим. перев.

30

Перевод наш. – Прим. перев.

31

Лишь два физика удостаивались Нобелевской премии дважды, и то преимущественно за экспериментальную работу: Мария Склодовская-Кюри в 1903 году за открытие радиоактивности и в 1911-м за выделение чистого радия (последняя премия была присуждена по химии) и Джон Бардин в 1956 году за изобретение транзистора и снова в 1972-м, с Леоном Купером и Джоном Шриффером, за совместную разработку теории сверхпроводимости. Некоторые мои коллеги считают, что Бардина следует относить к физикам-теоретикам. Думаю, это серьезная натяжка, поскольку он окончил университет по специальности «электротехника» и обе Нобелевские премии получил за прикладные исследования. Но раз «физик-теоретик» – термин нечеткий, то я считаю, что споры по этому поводу бессмысленны. В любом случае это не имеет отношения к тому, о чем я говорю. Достижения Бардина уж точно не основывались на аргументах о красоте и естественности, о которых идет речь в этой книге.

32

Напомню: 10 с верхним индексом x – это единица со шлейфом из x нулей. Например, 10^2 = 100.

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.

35

Есть и несколько других способов это вычислить, да к тому же имеются некоторые разногласия насчет того, какой лучше, но это неважно для дальнейшего изложения.

36

Один нанометр равняется 10–9 метра. Это миллиардная доля метра.

37

На самых высоких энергиях физики не выстреливают частицами по мишени, а просто сталкивают два пучка частиц. Это дает сигналы почище и к тому же увеличивает суммарную энергию столкновения.

38

Для целей, которые я преследую при написании этой книги, больше ничего о специальной теории относительности нам знать не надо. Однако есть определенно еще много всего. Интересующимся советую прочитать книги Чеда Орзела «Как обучить вашу собаку теории относительности» (Orzel C. 2012. How to teach relativity to your dog. Basic Books) и Леонарда Сасскинда и Арта Фридмана «Специальная теория относительности и классическая теория поля: теоретический минимум» (Susskind L., Friedman A. 2017. Special relativity and classical field theory: the theoretical minimum. Basic Books).

39

Строго говоря, массы элементарным частицам придает не бозон Хиггса, а ненулевое среднее значение поля Хиггса. Массы составных частиц вроде нейтронов и протонов – это по большей части энергия связи, а не следствие хиггсовского механизма.

40

Прекрасный обзор об устройстве и истории развития телескопов см. в книге Фрэнсиса Грэма-Смита «Взгляд в небеса: спектр телескопов» (Graham-Smith F. 2016. Eyes on the sky: a spectrum of telescopes. Oxford, UK: Oxford University Press).

41

Вероятно, самый поразительный пример – Hubble Ultra Deep Field. См.: Beckwith S. V. W. et al. 2006. The Hubble Ultra Deep Field. Astron. J. 132: 1729–1755. arXiv: astro-ph/0607632. Или выполните поиск в Google по запросу Hubble Ultra Deep Field.

42

Некоторые космологи называют согласованную космологическую модель «стандартной космологической моделью». Я не буду использовать это название, чтобы избежать путаницы со Стандартной моделью физики элементарных частиц, про которую обычно говорят просто «Стандартная модель».

43

Температура 10^17 кельвинов – это практически то же самое, что и 10^17 градусов по Цельсию или по Фаренгейту.

44

О согласованной космологической модели и ее развитии можно рассказать еще очень много, но я не хочу слишком далеко уходить в сторону. Дополнительно рекомендую книги Эвелин Гейтс «Телескоп Эйнштейна: охота за темной материей и темной энергией во Вселенной» (Gates E. 2010. Einstein’s telescope: the hunt for dark matter and dark energy in the universe. New York: WW Norton) и Итана Сигела «За пределами Галактики: как человечество заглянуло за наш Млечный Путь и открыло целую вселенную» (Siegel E. 2015. Beyond the Galaxy: how humanity looked beyond our Milky Way and discovered the entire universe. Hackensack, NJ: World Scientific Publishing).

45

Почему что-то мы называем моделью, а что-то теорией? Строгой терминологии за этим не стоит. Некоторые названия просто приживаются, а другие нет. Но, грубо говоря, теория – это общий математический аппарат, тогда как модель содержит все детали, необходимые вам для того, чтобы производить вычисления. Например, есть много разных квантовых теорий поля, но Стандартная модель четко использует одну. И сама по себе общая теория относительности не говорит вам, что вычислять: чтобы это понять, вам также нужно знать, какие вещество и энергия заполняют пространство-время, как происходит в согласованной космологической модели.

46

Официальное название – Северный институт теоретической физики (Nordic Institute for Theoretical Physics, или Nordita). – Прим. перев.

47

Каку М. Гиперпространство: научная одиссея через параллельные миры, дыры во времени и десятое измерение. М.: Альпина Паблишер, 2017. – Прим. перев.

48

Вообще матрицы смешивания содержат амплитуды вероятностей, а не сами вероятности. Есть одна матрица смешивания для нейтрино и одна для отрицательно заряженных кварков. Последняя известна как матрица Кабиббо – Кобаяши – Маскавы (или CKM-матрица).

49

Это такой причудливый способ сказать, что коэффициенты должны быть близки к 1.

50

Хотя физики и не понимали этого, пока не научились обращаться с безобидными бесконечностями квантовых теорий поля.

51

Определение «технической естественности» восходит к Герарду Хоофту. Он постулировал, что, когда бы в квантовой теории поля ни возникло подозрительно маленькое число, должна отыскаться и симметрия, при которой число обнуляется, так что малость защищена симметрией. Правда, это первоначальное определение уже обобщено и означает, что должно быть какое-то объяснение маленьким числам – симметрия или что-то еще. См.: Hooft G. et al. 1980. Recent developments in gauge theories. New York: Plenum Press, p. 135.

52

Рэндалл Л. Закрученные пассажи: проникая в тайны скрытых размерностей пространства. М.: URSS, 2011. – Прим. перев.

53

Глюино – это один из суперсимметричных партнеров, суперпартнер частицы под названием «глюон» из Стандартной модели.

54

Заумная шутка. Функция, заданная в области действительных чисел, при выполнении определенных условий может быть единственным образом продолжена в комплексную плоскость. Это называют «аналитическим продолжением» функции. Смысл в том, что эти физики продолжают делать ровно то же, что и делали.

55

Бах, разумеется, начал сочинять музыку не в момент Большого взрыва, и люди способны различать только небольшой диапазон частот. Поэтому фраза о том, что корреляции есть на «всех» временны́х масштабах, означает, конечно, в продолжение звучания композиции и в слышимом диапазоне частот. Реальная музыка, таким образом, на самом деле имеет не идеальный 1/f-спектр, а лишь приближается к нему в некоторых пределах. Но все равно универсальность – интересное открытие.

56

Не путать с областью философии, носящей то же имя. Название – это единственное, что у них есть общего.

57

С длиной кода связана так называемая колмогоровская сложность. А вычислительная сложность определяется обычно временем работы программы (временна́я сложность) либо необходимым объемом памяти (пространственная сложность). – Прим. науч. ред.

58

Эйнштейн А. Автобиографические заметки // Собрание научных трудов. Т. 4. М.: Наука, 1967. – Прим. перев.

59

Подробнее проблема раскрывается в Приложении Б.

60

Лептоны – это фермионы Стандартной модели, не относящиеся к кваркам.

61

Вайнберг С. Объясняя мир: истоки современной науки. М.: АНФ, 2017. – Прим. перев.

62

По оценкам на 2019 год, существует около двух триллионов галактик. – Прим. перев.

63

Теория бесконечной инфляции впервые была предложена в 1983 году Полом Стейнхардтом и Александром Виленкиным. Несколькими годами позже Алан Гут и Андрей Линде предложили другую модель.

64

Точности ради отметим, что значение гравитационной постоянной (коэффициента пропорциональности в законе всемирного тяготения) как таковой было измерено существенно позже, не самим Ньютоном. – Прим. перев.

65

Имеется в виду дифотонная аномалия.

66

Для мультивселенной это называется проблемой измерений. См., например, Vilenkin A. 2012. Global structure of the multiverse and the measure problem. AIP Conf. Proc. 1514: 7. arXiv:1301.0121 [hep-th].

67

Мне не кажется это таким уж неожиданным. То, что теории с десятками элементов, взаимодействующих друг с другом нелинейным образом, формируют сложную структуру, представляется мне скорее правилом, нежели исключением.

68

Дон Пейдж оспаривает это здесь: Page D. N. 2011. Preliminary inconclusive hint of evidence against optimal fine tuning of the cosmological constant for maximizing the fraction of baryons becoming life. arXiv:1101.2444.

69

Еще в 1998 году.

70

Разговоры о том, что космологическая постоянная не равна нулю, а положительна, шли еще десятью годами ранее, на основании других измерений, которые, однако, оставались несколько неубедительными. См., например, Efstathiou G. et al. 1990. The cosmological constant and cold dark matter. Nature. 348: 705–707; Krauss L. M., Turner M. S. 1995. The cosmological constant is back. Gen. Rel. Grav. 27: 1137–1144. arXiv: astro-ph/9504003. Вайнберг размышлял об объяснении космологической постоянной на основании антропного принципа даже раньше; см.: Weinberg S. 1989. The cosmological constant problem. Rev. Mod. Phys. 61 (1): 1–23.

71

Название этой подглавки – перефразированные слова стендап-комика Луиса Си Кея: «Всё сейчас великолепно, но никто не счастлив». См.: Louis CK – Everything is amazing and nobody is happy. YouTube video, originally published October 24, 2015. www.youtube.com/watch?v=nUBtKNzoKZ4

72

Этот рекорд уже побит. Пока последний рекорд установлен китайскими учеными в 2017 году; см.: Yin J. et al. 2017. Satellite-based entanglement distribution over 1200 kilometers. Science. 356: 1140–1144. – Прим. перев.

73

Разные интерпретации также предполагают, что условия для получения тех же результатов, что и в копенгагенской интерпретации, не всегда могут быть выполнены, а в таком случае обе интерпретации возможно различить в эксперименте. Такого, однако, пока не произошло.

74

Он упомянул, что пишет об этом статью, которая вышла двумя месяцами позже. См.: Weinberg S. 2016. What happens in a measurement? Phys. Rev. A. 93: 032124. arXiv:1603.06008 [quant-ph].

75

Говорят, что состояние остается «чистым», если квантовые свойства не декогерируют.

76

Ядро атома химического элемента содержит фиксированное число протонов, а вот количество нейтронов может быть разным. Эти разновидности одного и того же элемента называются изотопами.

77

Уильям Дэниел Филлипс в 1997 году вместе с Клодом Коэном-Таннуджи и Стивеном Чу был удостоен Нобелевской премии по физике за создание методов лазерного охлаждения, применяемых для замедления атомов.

78

Загрузить игру можно отсюда: www.scienceathome.org/games/quantum-moves-2/.

79

История этого аргумента зафиксирована в статье Абрахама Пайса, см.: Pais A. 1979. Einstein and the quantum theory. Rev. Mod. Phys. 51: 907. В ней говорится: «Мы часто обсуждали его представления об объективной реальности. Я помню, как во время одной из прогулок Эйнштейн резко остановился, повернулся ко мне и спросил, действительно ли я верю, что Луна существует только тогда, когда я на нее смотрю».

80

Так сказал Ричард Докинз (Science works, bitches), см. подтверждение здесь: www.youtube.com/watch?v=O3v2m4_NHhA. – Прим. перев.

81

Суть постоянной позиции – в бессрочном контракте, который не может быть расторгнут без веских причин. Под вескими причинами подразумеваются, например, нарушение трудовой дисциплины или ненадлежащее поведение, но, скажем, не раздражающее всех мнение по какому-нибудь научному вопросу. В большинстве стран это работает примерно одинаково. Цель назначений на постоянные должности заключается (или правильнее уже употреблять прошедшее время?) в том, чтобы защитить научных сотрудников от увольнений за проведение исследований на непопулярные или провокационные темы. Иногда мне встречаются люди (в основном американцы), которым видится какая-то несправедливая привилегия в том, что научные сотрудники могут обладать подобной гарантией занятости. Но эти нападки бессмысленны, поскольку без такой гарантии высок риск, что деньги налогоплательщиков будут растрачиваться на научные исследования без всякой пользы.

82

Теория 1930-х годов с дополнительными пространственными измерениями, упоминавшаяся в первой главе.

83

Действие – это математическое понятие, используемое специалистами по физике элементарных частиц, чтобы описать теорию.

84

Теорема Годдарда – Торна.

85

Эту взаимосвязь часто именуют более строго – AdS/CFT-соответствием. Тем самым подчеркивается, что гравитационная теория рассматривается в антидеситтеровском (AdS, Anti-de Sitter) пространстве (пространство-время с отрицательной космологической постоянной), а калибровочная теория – это (суперсимметричная) конформная теория поля (CFT, Conformal Field Theory) в пространстве с числом измерений, на единицу меньшем, похожая на теории Стандартной модели, но не идентичная им.

86

Речь идет о сечении рассеяния W-бозонов друг на друге.

87

Имеется в виду дифотонная аномалия.

88

К этим доказательствам в 2019 году добавилось еще одно: первый «снимок» черной дыры. Участники коллаборации Event Horizon Telescope получили радиоизображение сверхмассивной черной дыры, расположенной в центре галактики M87. Подробнее см.: https://elementy.ru/novosti_nauki/433463/Chernaya_dyra_galaktiki_M87_portret_v_interere. – Прим. перев.

89

Вообще ссылаться на «информацию» здесь в некотором смысле неправильно, поскольку проблема никак не связана с тем, что конкретно эта информация означает. Беспокойство доставляет тот факт, что испарение черных дыр принципиально необратимо.

90

Или показали, что их доказательство зиждется на ненужном скрытом допущении, которое можно отбросить, устранив тем самым всю проблему. См.: Hossenfelder S. 2015. Disentangling the black hole vacuum. Phys. Rev. D. 91: 044015. arXiv:1401.0288.

91

Остальные три: смерть, изоляция и свобода. См.: Yalom I. D. 1980. Existential psychotherapy. New York: Basic Books. (Ялом И. Экзистенциальная психотерапия. М.: Класс, 1999. – Прим. перев.)

92

Бринк Л., Энно М. Принципы теории струн. М.: Мир, 1991. – Прим. перев.

93

Грин Б. Элегантная Вселенная: суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории. М.: URSS, 2008. – Прим. перев.

94

Самый непопулярный подход – это мое утверждение, что мы тщимся решить не ту проблему: нам нужно понять не что происходит с гравитацией на малых расстояниях, а что происходит с квантованием на малых расстояниях. См.: Hossenfelder S. 2013. A possibility to solve the problems with quantizing gravity. Phys. Lett. B. 725: 473–476. arXiv:1208.5874 [gr-qc].

95

Это не единственная математическая проблема со Стандартной моделью или, шире, с квантовыми теориями поля. Другая подобная проблема – теорема Хаага, согласно которой все квантовые теории поля тривиальны и физически нерелевантны. Это несколько неприятно, так что физики теорему Хаага игнорируют.

96

В США неравенство доходов в научной сфере сейчас больше, чем в промышленности или правительстве. См.: Lok C. 2016. Science’s 1 %: how income inequality is getting worse in research. Nature. 537: 471–473.

97

Важно: это означает, что плохие методики в науке могут начать преобладать даже в том случае, если ни один конкретный ученый не меняет своего поведения. См., например, Smaldino P. E., McElreath R. 2016. The natural selection of bad science. Roy. Soc. Open Sci. 3: 160384. arXiv:1605.09511 [physics.soc-ph].

98

Hoyle F. 1967. Concluding remarks. Proc. Royal Soc. A. 301: 171. Хойл также рассказал следующее: Бааде не упустил шанса поспорить с Паули, что нейтрино будут-таки обнаружены. В итоге Бааде получил свой выигрыш – шампанским, – когда Райнес и Коуэн объявили об успешном обнаружении частицы.

99

Сюда, в примечание, вынесены те частицы из перечня автора, которые, по-видимому, еще не успели обзавестись устоявшимися названиями на русском языке: флаксионы (англ. flaxions), эребоны (erebons), «рога изобилия» (cornucopions), браноны (branons), кускутоны (cuscutons), планконы (planckons). Так они, скорее всего, именовались бы. – Прим. перев.

100

2,54 метра в диаметре. – Прим. перев.

101

Коллаборация DAMA детектирует статистически значимые события неизвестного происхождения, частота которых периодически меняется в течение года (Bernabei R. 2008. First results from DAMA/LIBRA and the combined results with DAMA/NaI. Eur. Phys. J. C56: 333–355. arXiv:0804.2741 [astro-ph]). Участники этой коллаборации получают такие сигналы уже больше десяти лет. Подобное изменение сигнала в течение года – как раз то, чего мы ожидали бы от темной материи, потому что вероятность детектирования сигнала от темной материи зависит от направления, с которого приходят ее частицы. Поскольку Земля на своем пути вокруг Солнца движется в предположительно существующем облаке темной материи, направление приходящего потока частиц темной материи в течение года менялось бы. К сожалению, результаты других экспериментов исключили возможность того, что сигнал DAMA связан с темной материей, поскольку если бы это было так, то и другие детекторы должны были бы его зарегистрировать, а этого не произошло. Никто до сих пор не знает, что детектирует DAMA.

102

Некоторые физики не согласны с этим утверждением и считают, что отдельные области параметрического пространства для WIMP-чуда еще не исключены. Разногласие связано с тем, что существует не одна модель для вимпов, а много разных. Исходный вимп взаимодействовал посредством W-бозона и описывался определенной группой симметрии. Этот вариант был отбракован. Однако другие типы частиц или иные способы опосредовать взаимодействие все еще совместимы с имеющимися данными.

103

Это если аксионы возникли до инфляции. Если же после – плотность конденсата аксионов могла быть как раз правильной, чтобы сформировать темную материю. Однако конденсат – это лоскутное одеяло из областей, разделенных границами под названием «доменные стенки», и доменные стенки имеют плотность энергии слишком высокую, чтобы быть совместимыми с наблюдениями.

104

Если вы справитесь о значении космологической постоянной (Λ), то увидите, что сейчас оно оценивается примерно в 10–52/м^2. Но специалисты по физике элементарных частиц под масштабом космологической постоянной имеют в виду другое. Они берут связанную с космологической постоянной плотность энергии, равную c^4Λ/G (где G – гравитационная постоянная, с – скорость света), делят ее на ℏ и с и извлекают из получившегося выражения корень четвертой степени, что дает примерно 10^4/м, или, если вычислить обратную величину, масштаб расстояний около 1/10 мм. В терминах масштаба расстояний расхождение с планковской длиной – примерно 30 порядков (см. рис. 14). В терминах плотности энергии – это различие надо возвести в четвертую степень – получается расхождение на 120 порядков (его приводят чаще, но оно несколько сбивает с толку).

105

Самые важные – гауссовость и кросс-корреляция TE.

106

«Планк» – астрономический спутник Европейского космического агентства, с 2009 по 2013 год создававший карту температурных флуктуаций реликтового излучения. Часть полученных данных до сих пор обрабатывается.

107

Хокинг С., Млодинов Л. Высший замысел. М.: АСТ, 2017. – Прим. перев.

108

Уотсон Дж. Д. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. Ижевск: НИЦ «Регуляция и хаотическая динамика», 2001. – Прим. перев.

109

«Я рискну предположить, что основная причина, по которой эти методики, основанные на статистическом анализе временных рядов, не были включены в арсенал для использования в официальных прогнозах климата, связана с эстетикой – темой, вряд ли часто всплывающей на заседаниях Межправительственной группы экспертов по изменению климата». См.: Orrell D. 2012. Truth or beauty: science and the quest for order. New Haven, CT: Yale University Press, p. 214.

110

Сейчас 3,8 σ. См.: Yue A. T. et al. 2013. Improved determination of the neutron lifetime. Phys. Rev. Lett. 111: 222501. arXiv:1309.2623 [nucl-ex].

111

Я думаю, что парадокс файервола основан попросту на ошибочном доказательстве. См.: Hossenfelder S. 2015. Disentangling the black hole vacuum. Phys. Rev. D. 91: 044015. arXiv:1401.0288. Но, независимо от его статуса, любопытно видеть, какие следствия вывели мои коллеги.

112

Непроходимые кротовые норы называются мостами Эйнштейна – Розена (ER), и говорят, что запутанные частицы находятся в состоянии Эйнштейна – Подольского – Розена (EPR), поскольку впервые обсуждались Эйнштейном, Подольским и Розеном (Einstein A., Podolsky B., Rosen N. 1935. Can quantum-mechanical description of physical reality be considered complete? Phys. Rev. 47: 777). Поэтому предположение, согласно которому и то и другое описывает одно и то же, стало обозначаться в литературе как «ER = EPR».

113

Так часто передают мысль Планка. Сам он выразился следующим образом: «Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу». Planck M. 1948. Wissenschaftliche Selbstbiographie. Mit einem Bildnis und der von Max von Laue gehaltenen Traueransprache. Leipzig: Johann Ambrosius Barth Verlag, p. 22. (Цитируется по изданию: Планк М. 1858–1958: сборник к столетию со дня рождения Макса Планка. М.: Издательство АН СССР, 1958. – Прим. перев.)

114

На сайте, посвященном этой книге (http://lostinmathbook.com), есть несколько строк, рассказывающих о том, что произошло с собеседниками автора с тех пор, как книга была написана: «У Чеда Орзела новая собака. Кэтрин Мэк стала профессором в Университете штата Северная Каролина. Гарретт Лиси расстался со своей девушкой. Михаэль Кремер больше не работает над суперсимметрией. Джозеф Полчински, к великому сожалению, ушел из жизни до того, как эта книга была издана». – Прим. перев.

115

Есть много превосходных книг о Стандартной модели и ускорителях частиц, где все описывается детальнее, чем необходимо для наших здесь целей. Упомяну лишь две из недавно изданных: Carroll S. 2013. The particle at the end of the universe: how the hunt for the Higgs boson leads us to the edge of a new world. New York: Dutton (Кэрролл Ш. Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. – Прим. перев.); Moffat J. 2014. Cracking the particle code of the universe: the hunt for the Higgs boson. Oxford, UK: Oxford University Press.

116

Частично расчет физиков на разделение масштабов восходит к статье 1975 года, где оно доказывается для квантовых теорий поля при определенных условиях. Однако это доказательство опирается на перенормируемость и использует зависящую от массы схему перенормировки, а и то и другое – спорные допущения. См.: Appelquist T., Carazzone J. 1975. Infrared singularities and massive fields. Phys. Rev. D11: 28565.

Content

Сабина Хоссенфельдер
Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Предисловие

Глава 1 Тайные законы физики

Серьезная проблема хорошего ученого

Неудача

Сделано из математики

Зависть к физике

Невидимые друзья

Глава 2 Как прекрасен мир

Откуда мы пришли

Как мы сюда попали

Из чего мы сделаны

Где обитает красота

Зачем доверять теоретику?

Глава 3 Союзное положение

Мир согласно физикам

Все течет

Орудия труда

Стандартная модель

Согласованная космологическая модель

Дальше будет трудно

Глава 4 Трещины в фундаменте

Отличная работа, если суметь ЕЕ получить

Создавая проблемы

Где у чисел нет имен

Никто и не обещал розового сада

Дифотонная диарея начинается

Глава 5 Идеальные теории

Удиви меня, но не слишком

Разведение лошадей

Безграничные возможности

Космический покер

Эмансипированный диссонанс

Глава 6 Непостижимая постижимость квантовой механики

Всё великолепно, но все недовольны

Безнадежная затея

Квантовая механика – это магия

Глава 7 Одна, чтоб править всеми

Сходящиеся линии

Теория чего-то

Сила в количестве

Альтернативы

Прочь от большой земли

Глава 8 Пространство, последний рубеж

Всего лишь скромный физик

Стена огня, навеки

Математика против надежды: конкретный пример

Теория струн и ЕЕ недостатки

И возникает красота

Глава 9 Вселенная: все, что в ней есть, и даже больше

Законы как сосиски

Подкоп под темноту

Просто сидеть и надеяться

Призрачные поля и пятые силы

Краеугольный камень наук

Философия разрывов

Глава 10 Знание – сила

Я, робот

Нагромождения математики

Не верьте мне – я ученый

Этот шалаш воняет

Затерянная в математике

Поиски продолжаются

Благодарности

Приложение А. Частицы стандартной модели

Приложение Б. Проблема с естественностью

Приложение В. Чем вы можете помочь

Список литературы

Примечания