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 все: от причины падения яблок с деревьев до начала времени и пространства.

1915-й наверняка был захватывающим годом для физиков. Две новые идеи перевернули все с ног на голову. Первая — теория относительности Эйнштейна, вторая — возможно, еще 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 еще нескольких лет мы узнаем, сможем ли мы дальше пополнять наши знания о природе или, может, в первый раз в истории науки, мы столкнемся 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. Темной, смертельной и безжизненной. Но, оглянувшись, мы видим, что живем в интереснейшей Вселенной, полной звезд, деревьев, белок. Вопрос, в первую очередь, почему все эти интересные вещи существуют? Почему есть что-то вместо ничего? Это противоречие и есть насущнейшая проблема в фундаментальной физике, и за следующие несколько лет мы узнаем, получится ли ее 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 ее 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 придает 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 включен, 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 млрд лет назад, называемым Большим взрывом. Согласно ранним версиям теории Большого взрыва, Вселенная все еще расширяется, и гравитация постепенно останавливает это расширение. Но в 1998 году астрономы сделали удивительное открытие, что расширение Вселенной на самом деле ускоряется. Вселенная становится больше все быстрее и быстрее, движимая загадочной отталкивающей силой под названием «темная энергия».

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

Мы не знаем, что такое темная энергия, но лучшее предположение, что это энергия самогó пустого пространства, энергия вакуума. Используя старую добрую квантовую механику, чтобы выяснить силу темной энергии, мы получаем совершенно удивительный результат. Темная энергия должна быть в 10^120 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 подойдет. 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 темная энергия была такой сильной, Вселенную бы разорвало на части, звезды и галактики не могли бы формироваться и нас бы здесь не было. Это второе из тех опасных чисел, сила темной энергии, и объяснение ее требует еще 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 провел 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 определенной частице, как музыкальные ноты на гитарной струне.

Это довольно элегантное, почти поэтическое видение мира, но в нем 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. Ее нельзя опровергнуть. Но другие выворачивают ее 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 темная энергия настолько сильна, что Вселенную разрывает на части, или поле Хиггса такое слабое, что атомы не могут сформироваться. Мы живем в одном из мест мультивселенной, где два числа оптимальны. Мы живем 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 ничего?» В основном мультивселенная и состоит из этого ничто, а мы живем 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 звезды, 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 черных 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-трех лет, когда БАК снова выключат для следующего долгого перерыва, мы не найдем ничего кроме бозона Хиггса, тогда начнется новая эра в физике: эра, в которой мы не можем объяснить тайны Вселенной; эра, где у нас есть подсказки, что мы живем в мультивселенной, что лежит далеко за нашими границами досягаемости; эра, в которой мы никогда не сможем ответить на вопрос: «Почему есть что-то вместо ничего?»

Спасибо.

Бруно Джуссани: Гарри, несмотря на то, что вы сейчас сказали, что наука не может дать некоторых ответов, я бы хотел задать вам пару вопросов, вот первый: постройка чего-то вроде БАК – это проект поколений. Представляя вас, я упомянул, что мы живем в мире коротких сроков. Как вам удается задумываться о долгосрочной перспективе, выходя за рамки поколения, при постройке чего-то подобного?

Гарри Клифф: Мне повезло, что я присоединился к эксперименту в 2008-м, когда мы только начинали, в моей исследовательской группе были люди, которые работали над ним три десятилетия, посвятив свои карьеры одной машине. Думаю, что первые разговоры о БАК начались в 1976 г., и планирование машины началось без технологий, которые были нужны для строительства. Компьютерные мощности не существовали в начале 90-х, когда серьезно шла разработка. А в одном из детекторов столкновений — они не думали, что была технология, которая бы выдержала радиацию, создаваемую в БАК, — так вот посреди него был просто кусок свинца с датчиками снаружи и внутри, но позднее мы разработали технологию. Нужно рассчитывать на способности людей, что они решат проблемы, но это может быть через десятилетие или даже позднее.

БД: Китай две-три недели назад сообщил, что они намерены построить суперколлайдер вдвое больше БАК. Мне интересно, как вы и ваши коллеги относитесь к этим новостям.

ГК: Размер не главное, Бруно.

БД: Точно, точно. Звучит забавно из уст физика частиц.

ГК: Но если серьезно, это отличные новости. Постройка машины вроде БАК требует объединения ресурсов стран по всему миру. Никакая нация не может позволить постройку такой машины, кроме, может, Китая, потому что они могут привлечь огромные ресурсы, людей и деньги для постройки такой машины. Это исключительно хорошо. Что они реально планируют, так это сделать машину, детально изучающую бозон Хиггса и раскрывающую новые идеи вроде суперсимметрии — реально ли они существуют. Отличные новости для физики, я думаю.

Перевод: Семен Фомин
Редактор: Анна Котова

Источник