Физики столкнулись с тем, что их лучшие теории не могут объяснить, почему масса элементарных частиц именно такова, какова она есть, а темная энергия не разорвала Вселенную в первые же мгновения ее существования. В поисках выхода группа исследователей предлагает отказаться от привычного подхода и взглянуть на проблему с точностью до наоборот. А что, если мы не можем найти мельчайшие детали мироздания потому, что их просто не существует? Что, если Вселенная — это не бесконечная сборка деталей, а единый, неделимый квантовый объект, в котором все масштабы и энергии связаны неразрывной нитью?
На протяжении почти 100 лет физика развивалась по пути редукционизма. Этот метод, заключающийся в разложении сложных систем на простейшие составляющие, привел к созданию стандартной модели — теории, блестяще описывающей известные нам частицы и взаимодействия. Еще в 1930-х годах Энрико Ферми описал процесс бета-распада нейтрона на протон и электрон, не имея понятия о том, какие процессы происходят внутри частиц. Его теория стала классическим примером эффективной теории поля, которая работает в рамках определенного масштаба, словно внешняя кукла матрешки, не требующая знаний о том, что находится внутри.
Физики привыкли, что разным масштабам соответствуют разные энергии: крупные объекты и огромные расстояния — это низкие энергии, а микроскопический мир кипит на высоких энергиях. Для исследования последних требовались мощные ускорители, такие как Большой адронный коллайдер. Благодаря ему ученые открыли W- и Z-бозоны, подтвердив существование более глубокого уровня реальности, о котором Ферми даже не догадывался. Однако, несмотря на все успехи, стандартная модель со временем тоже превратилась в эффективную теорию поля: она не включает гравитацию, не объясняет природу темной материи и не может описать механизм возникновения массы у нейтрино. Дальнейшее углубление перестало давать ответы, а поиски новой физики на коллайдере не увенчались успехом.
Кризис назревал давно, но особенно остро он проявился в двух загадках. Первая связана с бозоном Хиггса — частицей, отвечающей за массу кварков и электронов. Согласно квантовой теории, на массу любой частицы влияют так называемые виртуальные частицы, которые постоянно рождаются и исчезают в вакууме. Размер этого влияния зависит от самого высокого энергетического порога, который только возможен. Если принять за верхний предел так называемую планковскую шкалу — уровень, где гравитация становится неотличима от квантовых эффектов, — то масса бозона Хиггса должна оказаться в 100 квадриллионов раз (17 порядков) больше, чем та, что зафиксировали на детекторах коллайдера.
Согласно квантовой теории, пространство постоянно «кипит» — в нем непрерывно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Эти микроскопические всплески активности должны раскачивать массу бозона Хиггса до чудовищных величин. Чтобы этого не происходило, физики вынуждены предположить, что все эти возмущения каким-то невероятным образом гасят друг друга. Вероятность такого точного равновесия так же мала, как шанс удержать карандаш на острие. Это и есть проблема тонкой настройки.
Вторая загадка касается темной энергии — силы, которая заставляет Вселенную расширяться. Ученые считают, что эту энергию создает пустота, вакуум. Но когда физики попытались рассчитать энергию вакуума, у них получилось чудовищно огромное число. А когда измерили скорость расширения Вселенной, то обнаружили, что она на 30 порядков меньше. Это не просто ошибка в расчетах, это знак того, что наши фундаментальные представления о том, как устроен мир, где-то дали сбой.
Пытаясь выйти из тупика, теоретики выдвигали разные идеи: суперсимметрию, предполагающую целый зоопарк новых частиц, которые должны были гасить нежелательные квантовые флуктуации, или теорию дополнительных измерений пространства-времени, где гравитация «утекает» в иные миры и кажется слабее. Все эти модели предсказывали, что на Большом адронном коллайдере вот-вот откроют что-то новое — либо суперсимметричные частицы, либо следы свернутых измерений. Коллайдер нашел только бозон Хиггса. Возможные решения проблемы тонкой настройки сами становились все более притянутыми за уши.
Небольшая группа теоретиков решила пойти другим путем. Вместо того чтобы раскапывать все более глубокие слои реальности, они предложили рассматривать разные энергетические масштабы Вселенной не изолированно, а как влияющие друг на друга. Чтобы объяснить эту идею, физики часто используют аналогию с радугой. Ультрафиолетовый спектр соответствует высоким энергиям и мельчайшим размерам, инфракрасный — низким энергиям и космическим масштабам. Между ними лежит видимый спектр — область, где работает стандартная модель.
Долгое время считалось, что стандартная модель перестает работать на планковской шкале, в ультрафиолете. Однако в конце 90-х годов Эндрю Коэн из Бостонского университета с коллегами задались вопросом: а есть ли предел и на другом конце, в инфракрасном спектре? Изучая черные дыры, они рассчитали, что существует максимальная длина, за которой гравитация полностью берет верх над квантовой теорией. Самое важное открытие заключалось в том, что эти два предела, казалось бы, не связанные друг с другом, оказались зависимыми. Физики назвали это явление ультрафиолетово-инфракрасным смешиванием.
Исследователи попробовали подставить в качестве инфракрасного предела самый большой масштаб, который только можно вообразить — радиус наблюдаемой Вселенной. И тут произошло неожиданное: соответствующий ультрафиолетовый предел оказался равен не планковской энергии, а точно совпал с ничтожно малой величиной темной энергии. Если виртуальные частицы, создающие темную энергию, подчиняются этому ограничению, то становится понятно, почему ее значение не взлетает до чудовищных величин.
Долгие годы на эту работу не обращали внимания — все ждали суперсимметрии. Но теперь, когда надежды на новые частицы рухнули, идея ультрафиолетово-инфракрасного смешивания переживает второе рождение. Физики начали проверять, может ли этот принцип объяснить и аномально низкую массу бозона Хиггса. Том Кефарт из Университета Вандербильта и его коллеги попытались определить инфракрасный предел для бозона Хиггса, исходя из времени жизни частицы. Расчеты дали результат, который лучше старого, но все еще в миллион раз превышает реальную массу. Проблема требует дальнейшего изучения, но направление кажется многообещающим.
Но что же заставляет далекие друг от друга масштабы обмениваться информацией? Ответ может крыться в самом загадочном явлении квантовой физики — запутанности. Когда две частицы запутаны, изменение состояния одной мгновенно отражается на другой, где бы та ни находилась. Это говорит о том, что запутанную систему нельзя считать состоящей из частей — это единое целое. Точно так же, как запутанность связывает частицы в пространстве, она может связывать квантовые эффекты на разных энергиях. Более того, некоторые работы последних лет, выполненные в русле теории струн, намекают на то, что и сама гравитация может быть формой запутанности.
Если предположение верно, то, применяя принцип запутанности ко всему космосу, мы приходим к выводу, что Вселенная представляет собой единую, неделимую волновую функцию. Каждый объект и каждая частица — не самостоятельные сущности, а грани одного огромного квантового состояния. Эта идея перекликается со словами физика Дэвида Бома, который называл мироздание «неделимым целым».
Проверить эту гипотезу, возможно, удастся в ближайшее время. Коэн и его соавторы указывали, что ультрафиолетово-инфракрасное смешивание должно влиять на взаимодействие электронов или мюонов с электромагнитными полями. Расхождения между предсказаниями стандартной модели и будущими измерениями могут стать первым свидетельством в пользу новой теории. Другой многообещающий объект для проверки — масса нейтрино. В некоторых моделях эти почти невесомые частицы получают свою массу целиком за счет виртуальных частиц, а значит, они особенно чувствительны к любым эффектам смешивания масштабов.
Post Scriptum
Физика стоит на пороге смены парадигмы. Если предположения о квантовой природе Вселенной подтвердятся, это изменит не только наши представления о космосе, но и сам способ мышления о реальности. Окажется, что поэтическая метафора Уильяма Блейка о мире в песчинке имеет под собой буквальную научную основу: в каждом мельчайшем фрагменте материи зашифрована информация о всей Вселенной. Мы не просто открываем новый метод исследований — мы, возможно, впервые начинаем по-настоящему понимать, как устроено все сущее.
-----
Еще больше интересных постов в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости