Физика элементарных частиц — единственная наука, в которой самый точный эксперимент в истории человечества привёл не к торжеству, а к панике. Когда в 2012 году Большой адронный коллайдер наконец-то обнаружил бозон Хиггса, шампанское пили все — от нобелевских лауреатов до стажёров, протиравших детекторы. Но потом наступило похмелье. Не потому, что частицу не нашли, — нашли, и прекрасно. А потому, что нашли только её.
Никакой суперсимметрии, никаких дополнительных измерений, ни одной экзотической частицы из тех зоопарков, которые теоретики рисовали на досках тридцать лет подряд. Просто бозон Хиггса с массой около 125 ГэВ — до абсурда лёгкий, до неприличия точный и до ужаса необъяснимый. И вот тут-то начинается настоящий скандал, о котором в популярных статьях предпочитают говорить шёпотом.
Семнадцать нулей, которые сломали карьеру
Давайте разберёмся, почему лёгкость одной-единственной частицы может довести до нервного срыва целое поколение физиков. Для этого нужно понять, что такое проблема иерархии — а это, без преувеличения, главная головная боль теоретической физики последних пятидесяти лет.
В физике есть два масштаба энергии, которые не имеют между собой ничего общего, кроме того, что оба существуют. Первый — электрослабый масштаб, порядка 100 ГэВ. Это территория бозона Хиггса, W- и Z-бозонов, вся кухня Стандартной модели. Второй — планковский масштаб, примерно 10¹⁹ ГэВ. Это энергия, при которой гравитация перестаёт быть слабенькой и начинает играть на равных с остальными силами. Между ними — пропасть в семнадцать порядков величины. Семнадцать нулей. Это как сравнивать диаметр атома с расстоянием до соседней галактики.
И вот загвоздка: согласно квантовой теории поля, масса любого скалярного бозона — а Хиггс именно таков — должна получать чудовищные радиативные поправки от всех виртуальных частиц, которые мельтешат в вакууме. Эти поправки тащат массу вверх, к планковским значениям. Хиггс обязан быть тяжёлым. Невообразимо тяжёлым. А он — лёгкий. В 10¹⁷ раз легче, чем ему положено быть по всем расчётам. Это не просто странность. Это нечто, что в приличном обществе физиков называют тонкой настройкой — а в менее приличном обществе называют подгонкой.
Бозон, который не должен был быть таким
Чтобы получить наблюдаемую массу Хиггса, теория требует, чтобы различные квантовые вклады — положительные и отрицательные — сократились между собой с точностью до тридцать четвёртого знака после запятой. Тридцать четыре знака! Это как если бы вы подбросили монетку сто раз, и она каждый раз падала ровно на ребро. Нет, хуже. Это как если бы два слона, бегущих навстречу друг другу с космической скоростью, столкнулись и в результате сдвинули чайную ложку ровно на один миллиметр. Случайно. Без причины.
У нормальных людей такое совпадение вызывает подозрение, что кто-то жульничает. У физиков оно вызывает желание построить новую теорию, в которой сокращение было бы не случайностью, а следствием какого-нибудь красивого принципа. И вот тут на сцену выходит главный герой нашей драмы — принцип естественности. Он же — техническая естественность — идея, сформулированная Герардом 'т Хоофтом в конце семидесятых. Смысл её прост до элегантности: если какой-то параметр в теории мал, на это должна быть глубокая причина — симметрия, которая защищает его от квантовых поправок. Масса электрона мала? Спасибо киральной симметрии. Масса фотона равна нулю? Спасибо калибровочной инвариантности. Масса Хиггса мала? А вот тут — тишина. Никакой симметрии, никакой защиты. Просто повезло. На тридцать четыре знака.
Разумеется, физиков такой ответ не устроил. И они принялись изобретать.
Фабрика элегантных гипотез, производство остановлено
Полвека лучшие умы планеты строили теории, призванные объяснить неестественную лёгкость бозона Хиггса. Суперсимметрия — самая популярная из них — постулировала, что у каждой известной частицы есть тяжёлый партнёр-суперпартнёр. Фермионные поправки к массе Хиггса компенсировались бы бозонными, и наоборот. Красиво? Безумно красиво. Математически — почти совершенно. Суперсимметрия решала проблему иерархии одним махом, заодно предлагая кандидата на тёмную материю и обещая объединение всех сил при высоких энергиях.
Были и другие подходы: техниколор — теория, в которой бозон Хиггса не фундаментален, а составной, слепленный из более мелких частиц сильным взаимодействием нового типа. Дополнительные измерения — идея, что гравитация кажется слабой, потому что «утекает» в скрытые пространственные направления, а истинный планковский масштаб на самом деле гораздо ниже. Теории с составными бозонами Хиггса, модели с «маленьким Хиггсом», рэндалл-сундрумовские пятимерные конструкции — список длинный, как библиография неудачника.
И знаете, что объединяет все эти великолепные теории? Большой адронный коллайдер не подтвердил ни одну из них. Ни единую. Ноль.
За тринадцать лет работы самая сложная и дорогая машина, когда-либо построенная человечеством, протонов побила друг о друга столько, что этим числом можно было бы заполнить целый том Большой советской энциклопедии. И всё, что она нашла — Стандартная модель в её первозданном, неприкрытом, скучном до зубовного скрежета виде. Бозон Хиггса есть, суперсимметрии нет, дополнительных измерений нет, ничего нового нет. Пустыня. Физики называют это «кошмарным сценарием», и при всей моей любви к научному оптимизму, термин подобран безукоризненно.
Когда красота врёт
Здесь необходимо сказать кое-что неприятное. Принцип естественности — не закон природы. Это даже не теорема. Это эстетический критерий. Убеждение, что Вселенная обязана быть красивой, что параметры физических теорий не должны быть «тонко настроены», что совпадения на тридцать четыре знака не бывают просто так. Но с чего мы решили, что Вселенной есть дело до нашего чувства прекрасного?
Нильс Борисович Нимайер или кто-то из его коллег мог бы сказать: мы антропоцентричны в своих ожиданиях. Тонкая настройка беспокоит нас, потому что мы привыкли к тому, что в наших теориях параметры «естественны». Но это привычка, не аксиома. Возможно, масса бозона Хиггса именно такова, какова она есть, и никакой глубинной причины нет. Просто число. Просто факт. Без красивой истории за ним.
Для поколения физиков, выросших на суперсимметрии, это звучит как ересь. Они посвятили карьеры поиску «новой физики» за пределами Стандартной модели — и вместо неё получили пустоту. Не трагическую, романтическую пустоту, а банальную, бюрократическую: гранты закончились, позиции заняты, а теории, на которые ставили всё, оказались пустышками. Жестоко? Да. Но физика — это не терапия. Это наука о том, что есть, а не о том, что нам хотелось бы.
Кризис естественности — это, по сути, кризис метода. Полвека теоретическая физика высоких энергий руководствовалась принципом «если теория красивая, она, наверное, правильная». И этот принцип работал — до определённого момента. Максвелл объединил электричество и магнетизм, потому что уравнения стали красивее. Дирак предсказал позитрон, потому что его уравнение допускало отрицательные энергии — и вместо того чтобы выбросить их, он доверился математике. Но из того, что красота иногда указывает путь, не следует, что она указывает его всегда. Корреляция — не причинность. Это, кстати, знает любой первокурсник, но забывают некоторые нобелевские лауреаты.
Что дальше: смирение или бунт
Итак, мы застряли. С одной стороны — Стандартная модель, работающая с пугающей точностью, но содержащая параметр, настроенный на тридцать четыре знака без видимой причины. С другой — целый каталог красивых теорий, ни одна из которых не подтверждена экспериментом. Между ними — проблема иерархии, ухмыляющаяся, как чеширский кот, у которого отобрали улыбку и оставили только вопросительный знак.
Некоторые физики предлагают радикальный выход: отказаться от принципа естественности вообще. Принять, что Вселенная не обязана быть «естественной» в нашем понимании. Возможно, мы живём в одном из бесчисленных вариантов мультивселенной, и наш вакуум с его конкретными параметрами — просто статистическая флуктуация. Не нравится? Ваши проблемы. Вселенная не подписывала контракт на эстетическую согласованность.
Другие, напротив, удваивают ставки. Новый коллайдер — FCC, кольцо на сто километров — мог бы заглянуть дальше, прощупать энергии, недоступные Большому адронному. Может быть, суперсимметрия прячется чуть выше, за следующим поворотом. Может быть, нужен ещё один нолик в бюджете, ещё одно десятилетие ожидания, ещё один миллиард евро. Скептики спрашивают: а если и там пусто? А если за следующим поворотом — очередная пустыня, только дороже?
Правда в том, что проблема иерархии — это не техническая задачка, которую можно решить, закинув денег в ускоритель. Это философский вызов. Вопрос о том, имеем ли мы право требовать от природы объяснений. Имеем ли мы основания считать, что параметры фундаментальных теорий должны быть «понятными». Или, быть может, понятность — такой же человеческий артефакт, как страх темноты, и реальность существует за пределами наших ожиданий.
Одно можно сказать точно: бозон Хиггса с его скандальной лёгкостью разбил не атом — он разбил иллюзию, что мы понимаем правила игры. Семнадцать порядков величины стоят между нами и ответом. И, возможно, самое честное, что может сделать физика в этой ситуации — не изобретать очередную красивую теорию, а признать: мы пока не знаем. Не знаем, почему Хиггс лёгкий. Не знаем, работает ли естественность. Не знаем, есть ли «новая физика» вообще. И это — не поражение. Это начало настоящего вопроса.