Гарри Клифф: Мы достигли конца физики?

Сто лет назад 36-летний Альберт Эйнштейн выступил в Прусской академии наук в Берлине, представляя радикально новую теорию пространства, времени и гравитации: общую теорию относительности.

 Общая относительность — это, бесспорно, шедевр Эйнштейна, теория, раскрывающая работу Вселенной в величайших масштабах, запечатлившая в одной красивой формуле всё: от причины падения яблок с деревьев до начала времени и пространства.

  1915-й наверняка был захватывающим годом для физиков. Две новые идеи перевернули всё с ног на голову. Первая — теория относительности Эйнштейна, вторая — возможно, ещё более революционная: квантовая механика, умопомрачительный, и очень удачный новый способ понимания микромира атомов и частиц.

 На протяжении прошлого столетия эти две идеи крайне изменили наше понимание Вселенной. Это благодаря относительности и квантовой механике мы узнали, из чего сделана Вселенная, как она началась и как продолжает развиваться. Спустя сто лет мы наблюдаем другой переломный момент в физике, но ставки изменились. В течение ещё нескольких лет мы узнаем, сможем ли мы дальше пополнять наши знания о природе или, может, в первый раз в истории науки, мы столкнёмся с вопросами, на которые не сможем ответить, — не потому что у нас недостаточно мозгов или технологий, а потому что сами законы физики не позволяют этого.

 Основная проблема: Вселенная слишком интересна. Относительность и квантовая механика предполагают, что Вселенная должна быть скучной. Тёмной, смертельной и безжизненной. Но, оглянувшись, мы видим, что живём в интереснейшей Вселенной, полной звёзд, деревьев, белок. Вопрос, в первую очередь, почему все эти интересные вещи существуют? Почему есть что-то вместо ничто? Это противоречие и есть насущнейшая проблема в фундаментальной физике, и за следующие несколько лет мы узнаем, получится ли её решить.

 В центре этой проблемы два числа, два крайне опасных числа. Это измеримые свойства Вселенной, и они очень опасны, потому что если бы они отличались хоть немного, то Вселенная, какой мы её знаем, не существовала бы. Первое число связано с открытием, сделанным в нескольких километрах отсюда, в ЦЕРНе, доме этой машины, крупнейшей научной машины, когда-либо построенной человеком, в Большом адронном коллайдере [БАК]. БАК пускает субатомные частицы по 27-километровому кольцу, приближая их к скорости света и сталкивая внутри огромных детекторов частиц. 4 июля 2012 года физики из ЦЕРНа сообщили миру об открытии новой фундаментальной частицы, созданной во время столкновений в БАК: бозоне Хиггса. Если вы тогда следили за новостями, то видели многих действительно взволнованных физиков,

ничего страшного, если вы подумали, что мы всегда так реагируем, открыв новую частицу. Это отчасти правда, но бозон Хиггса особенный. Мы так обрадовались, потому что обнаружение Хиггса доказывает существование космического энергетического поля. У вас могут быть проблемы в понимании энергетического поля, но мы все с ним сталкивались. Если вы держали магнит рядом с металлом и чувствовали силу, притягивающую их, то вы чувствовали эффект поля. Поле Хиггса напоминает магнитное, только у него постоянное значение повсюду. Оно и сейчас вокруг нас. Нельзя увидеть его или коснуться, но если бы его не было, мы бы не существовали. Поле Хиггса придаёт массу фундаментальным частицам, из которых мы сделаны. Без него частицы не имели бы массы, атомы не могли бы сформироваться и нас бы не было.

 Но есть кое-что очень загадочное в поле Хиггса. По относительности и квантовой механике, у него есть два состояния, как у выключателя. Он либо выключен, с нулевым значением повсеместно в пространстве, либо он должен быть включён, имея непомерно громадное значение. При любом из этих сценариев атомы не существовали бы, как и все другие интересные вещи, что окружают нас во Вселенной. На самом деле, поле Хиггса совсем чуть-чуть активно, в 10 000 триллионов раз слабее, чем его максимальное значение, но не ноль, как заклинивший у положения «выкл» выключатель. И это значение решающее. Будь оно хоть немного другим, тогда бы не было физических структур Вселенной.

 Это первое из наших опасных чисел, сила поля Хиггса. Теоретики потратили десятилетия, пытаясь понять, почему оно имеет это тонко настроенное значение, и они пришли к нескольким возможным обоснованиям. Есть такие экзотические названия, как «суперсимметрия» или «сверхбольшие измерения». Я сейчас не буду вдаваться в подробности этих идей, но суть в следующем: если бы какая-то из них объясняла это непонятное тонкое значение поля Хиггса, мы должны были бы видеть новые частицы, созданные в БАК, наряду с бозоном Хиггса. Мы до сих пор не видели никаких признаков их наличия.

 На самом деле есть и более жуткий пример этих тонко настроенных опасных значений, и в этот раз он исходит с другой стороны — от изучения Вселенной в громадных расстояниях. Одно из наиболее важных последствий общей относительности Эйнштейна — открытие того, что Вселенная началась быстрым расширением пространства и времени 13,8 миллиарда лет назад, называемым Большим взрывом. Согласно ранним версиям теории Большого взрыва, Вселенная всё ещё расширяется, и гравитация постепенно останавливает это расширение. Но в 1998 г. астрономы сделали удивительное открытие, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Вселенная становится больше всё быстрее и быстрее, движимая загадочной отталкивающей силой под названием «тёмная энергия».

 Когда вы слышите слово «тёмный» в физике, следует насторожиться, потому что, скорее всего, оно значит, что мы не знаем, о чём мы говорим.

 Мы не знаем, что такое тёмная энергия, но лучшее предположение, что это энергия самогó пустого пространства, энергия вакуума. Используя старую добрую квантовую механику, чтобы выяснить силу тёмной энергии, мы получаем совершенно удивительный результат. Тёмная энергия должна быть в 10 в степени 120 раз сильнее значения, что мы наблюдаем в астрономии. Это единица и 120 нулей после. Число настолько огромное, что невозможно представить его в голове. Мы часто говорим «астрономическое» о больших числах. Но даже оно тут не подойдёт. Это число больше, чем любое в астрономии. Оно в тысячу триллионов триллионов триллионов раз больше, чем число атомов во Вселенной.

 Довольно плохой прогноз. Фактически, это было названо худшим прогнозом в физике, и это не просто теоретическая любознательность. Если бы тёмная энергия была такой сильной, Вселенную бы разорвало на части, звёзды и галактики не могли бы формироваться и нас бы здесь не было. Это второе из тех опасных чисел, сила тёмной энергии, и объяснение её требует ещё большего уровня точной настройки, чем мы видели у поля Хиггса. Но в отличие от поля Хиггса, это число не имеет известных объяснений.

 Была надежда на то, что сочетание эйнштейновской теории общей относительности, описывающей Вселенную в огромной масштабе, и квантовой механики — теории о Вселенной в мельчайшем масштабе, может привести к решению. Эйнштейн сам провёл свои поздние годы в тщетном поиске универсальной теории физики, и физики продолжают этот поиск до сих пор.

 Один из наиболее перспективных кандидатов на универсальную теорию — теория струн. Основная идея в том, что если бы можно было рассмотреть частицы, из которых состоит наш мир, то было бы видно, что они вовсе не частицы, а мельчайшие вибрирующие струны энергии, где каждая частота вибрации отвечает определённой частице, как музыкальные ноты на гитарной струне.

 Это довольно элегантное, почти поэтическое видение мира, но в нём есть одна ужасная проблема. Выясняется, что теория струн вовсе не одна теория, а множество теорий вместе. Предположительно, существует от 10 до 500 разных версий теории струн. И каждая описывает свою Вселенную со своими законами физики. Критики говорят, что это делает теорию струн ненаучной. Её нельзя опровергнуть. Но другие выворачивают её наизнанку и говорят, что, может быть, этот явный провал и есть величайший триумф теории струн. Что, если все эти от 10 до 500 разных возможных Вселенных действительно существуют где-то в какой-то огромной мультивселенной? Внезапно мы понимаем эти непонятные тонко настроенные значения двух опасных чисел. Обычно в мультивселенной тёмная энергия настолько сильна, что Вселенную разрывает на части, или поле Хиггса такое слабое, что атомы не могут сформироваться. Мы живём в одном из мест мультивселенной, где два числа оптимальны. Мы живём во Вселенной тонкой настройки.

 Эта идея крайне противоречива, и понятно почему. Если мы последуем этой логике, тогда мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему есть что-то вместо ничто?» В основном мультивселенная и состоит из этого ничто, а мы живём в одном из нескольких мест, где законы физики позволяют чему-то быть. Хуже того, мы не можем проверить идею мультивселенной. Не можем попасть в эти другие вселенные, нельзя знать наверняка, существуют они или нет.

 Мы в крайне печальном положении. Это не значит, что мультивселенная не существует. Есть другие звёзды, планеты, галактики, почему не может быть других вселенных? Проблема в том, что мы вряд ли когда-нибудь узнаем наверняка. Идея мультивселенной существует уже давно, но последние несколько лет мы находим подсказки, что эти предположения могут подтвердиться. Помимо больших надежд первого запуска БАК, то, что мы там искали, — новые теории физики: суперсимметрию или сверхбольшие измерения, которые бы объяснили эту неясную тонкую настройку поля Хиггса. Но невзирая на надежды, БАК раскрыл бесплодную субатомную пустыню, где обитает лишь бозон Хиггса. Мы публиковали работу за работой, в которых мы с горечью заключили, что не нашли признаков новой физики.

 Ставки сейчас высоки как никогда. Этим летом БАК начал вторую фазу операции, с энергией почти вдвое больше, чем мы получили в первый запуск. Все физики элементарных частиц отчаянно надеются обнаружить следы новых частиц, микроскопических чёрных дыр или, может, чего-то совершенно неожиданного, появившегося в результате столкновений в Большом адронном коллайдере. Будь так, мы сможем продолжить этот длинный путь, начатый 100 лет назад Альбертом Эйнштейном, к более полному пониманию законов природы.

 Но если в течение двух-трёх лет, когда БАК снова выключат для следующего долгого перерыва, мы не найдём ничего кроме бозона Хиггса, тогда начнётся новая эра в физике: эра, в которой мы не можем объяснить тайны Вселенной; эра, где у нас есть подсказки, что мы живём в мультивселенной, что лежит далеко за нашими границами досягаемости; эра, в которой мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему есть что-то вместо ничто?»