Физика элементарных частиц стоит перед фактом, от которого у неё дёргается глаз: параметры Стандартной модели подогнаны друг к другу с такой дьявольской точностью, что любое отклонение в двадцатом знаке после запятой превращает нашу Вселенную в безжизненный суп из излучения. Это не метафора и не поэтическая вольность — это результат расчётов, которые теоретики перепроверяли десятилетиями, каждый раз надеясь найти ошибку.
Ошибки нет. Есть только неприлично узкое окно допустимых значений, в которое реальность попала с первого выстрела. И вот тут начинается самое интересное: либо кто-то целился, либо стрелков было бесконечно много, либо мы просто чего-то фундаментально не понимаем. Третий вариант, честно говоря, самый пугающий — потому что он намекает на целый пласт физики, о котором мы пока даже не подозреваем.
Вселенная на кончике иглы
Когда физики говорят о фундаментальных константах, они имеют в виду не абстрактные циферки из учебника, а буквально — каркас бытия. Скорость света, постоянная Планка, гравитационная постоянная, массы кварков, константы связи — всё это набор числовых значений, которые никто не выводил из первых принципов. Они просто такие. Точка. Спросите любого честного физика-теоретика, почему масса электрона равна именно 0,511 МэВ, и в лучшем случае получите красноречивое молчание, а в худшем — лекцию на полтора часа, после которой вопрос останется без ответа.
Так вот, проблема не в том, что мы не знаем, откуда эти числа взялись. Проблема в том, что они подозрительно «правильные». Измените постоянную тонкой структуры — те самые магические 1/137 — на долю процента, и электромагнитное взаимодействие перестаёт удерживать электроны на орбитах. Атомы не формируются. Химия отменяется. Подкрутите чуть-чуть сильное взаимодействие — и протоны с нейтронами либо не слипаются в ядра, либо слипаются так крепко, что весь водород мгновенно выгорает в гелий ещё в первые минуты после Большого взрыва. Звёзды? Какие звёзды? Забудьте.
И ведь речь не о паре параметров. Стандартная модель содержит порядка двадцати пяти свободных параметров — масс, углов смешивания, констант связи — и каждый из них попадает в узенький коридор допустимых значений, словно кто-то играл в самый высокоставочный дартс во Вселенной и ни разу не промахнулся. Физики называют это проблемой тонкой настройки, но слово «проблема» тут — вежливый эвфемизм. Это скорее скандал. Интеллектуальный скандал, который десятилетиями заметают под ковёр, потому что никто не знает, что с ним делать.
Стандартная модель: великий костыль физики
Давайте начистоту. Стандартная модель — это, конечно, триумф человеческого разума. Она предсказывает результаты экспериментов с точностью до десяти знаков после запятой. Она блестяще описывает три из четырёх фундаментальных взаимодействий. Она подарила нам бозон Хиггса, подтверждённый на Большом адронном коллайдере в 2012 году. Респект и уважуха, как говорится. Но если копнуть глубже, станет ясно, что эта конструкция — не элегантное здание, а скорее сарай, обвешанный подпорками.
Двадцать пять свободных параметров — это не признак глубокой теории. Это признак теории, которая описывает, но не объясняет. Почему три поколения фермионов, а не два или семнадцать? Почему массы кварков отличаются в десятки тысяч раз? Почему космологическая постоянная на 120 порядков меньше «естественного» значения, предсказанного квантовой теорией поля? Сто двадцать порядков — это не погрешность, это катастрофа. Если бы инженер спроектировал мост с такой ошибкой в расчётах, его бы не то что уволили — его бы отправили на переподготовку в детский сад.
Но физики-теоретики живут с этим. Живут, потому что Стандартная модель работает. Она выдаёт правильные числа, когда её тыкают экспериментом, и это, по большому счёту, единственный критерий в науке. Проблема в том, что «работает» и «понятно, почему работает» — это две совершенно разные вещи. И вот в этом зазоре между работающей моделью и полным непониманием её оснований и прячется вся драма современной физики.
Более того, Стандартная модель вообще не включает гравитацию. Совсем. Та самая сила, которая формирует галактики, удерживает планеты на орбитах и не даёт вам улететь с дивана в космос — про неё модель ничего не знает. Это как если бы у вас была идеальная карта города, на которой отмечены все здания, дороги и парки, но почему-то отсутствует земля, на которой всё это стоит. Технически полезно, концептуально — безумие.
Проблема иерархий, или Почему всё держится на соплях
Среди всех неприятностей тонкой настройки есть одна, от которой теоретики особенно нервничают. Называется она проблемой иерархии. Суть вот в чём: масса бозона Хиггса — около 125 ГэВ — на шестнадцать порядков меньше планковской массы, которая является естественным масштабом гравитации. Шестнадцать порядков. Это как если бы вы сравнивали диаметр атома с расстоянием до ближайшей звезды. И в квантовой теории поля нет ни единой причины, по которой масса Хиггса должна быть такой маленькой.
Дело в том, что квантовые поправки — виртуальные частицы, постоянно кипящие в вакууме — должны «затаскивать» массу Хиггса вверх, к планковским значениям. Чтобы получить наблюдаемые 125 ГэВ, нужно, чтобы чудовищно большие положительные и отрицательные вклады сократились с точностью до тридцать четвёртого знака. Это и есть та самая тонкая настройка — сокращение, которое выглядит как статистическое чудо. Или как чудовищный подлог.
Были попытки решить эту проблему элегантно. Суперсимметрия — красивейшая идея, постулирующая, что у каждой известной частицы есть тяжёлый партнёр с другим спином, — была призвана обеспечить это сокращение естественным образом. Суперсимметричные поправки автоматически компенсировали бы обычные, и масса Хиггса оставалась бы маленькой без всякого жульничества. Элегантно? Безусловно. Проблема? Ни одной суперсимметричной частицы не обнаружено. LHC перекопал диапазон энергий, где суперпартнёры «должны были» находиться по самым оптимистичным моделям, — и нашёл пустоту. Тишина, которая с каждым годом становится всё более оглушительной.
Мультивселенная: наука или капитуляция разума?
Когда физика заходит в тупик, она обычно придумывает что-нибудь головокружительное. И тут на сцену выходит антропный принцип в связке с идеей мультивселенной. Логика примерно такая: а что, если существует невообразимое количество вселенных — каждая со своим набором констант — и мы просто оказались в той, где параметры совпали с условиями для жизни? Никакой тонкой настройки, никакой загадки — чистая статистика на масштабе бесконечности.
Звучит дерзко. Звучит даже красиво — в том же смысле, в каком красива идея бесконечной библиотеки Борхеса, содержащей все возможные книги. Но вот незадача: это нефальсифицируемо. Попробуйте придумать эксперимент, который опровергнет существование параллельных вселенных, если по определению мы не можем до них добраться. Это не физика в попперовском смысле — это метафизика с математическим аппаратом. Очень дорогая метафизика, к слову, потому что она пожирает интеллектуальные ресурсы целых поколений теоретиков.
Критики — а среди них и нобелевские лауреаты — говорят прямо: мультивселенная — это не решение проблемы тонкой настройки, а её переформулировка в форме, которая делает решение невозможным по определению. Мол, мы не можем объяснить эти числа, поэтому объявляем их случайными. Удобно, конечно. Примерно как списать двойку по математике на то, что в параллельной вселенной вы получили пятёрку.
Впрочем, справедливости ради: ландшафт теории струн — с его 10 в 500-й степени возможных вакуумных состояний — действительно намекает на то, что природа может реализовывать разные наборы параметров в разных «карманах» пространства-времени. Это не доказательство, но и не чистая фантазия — это следствие вполне конкретных математических структур. Вопрос в том, является ли это следствие физическим или чисто математическим артефактом. А на этот вопрос пока не может ответить ни один человек на планете.
Новая физика: что прячется за кулисами
Самый продуктивный способ относиться к проблеме тонкой настройки — видеть в ней не тупик, а указатель. Каждый раз, когда в физике обнаруживались необъяснимые совпадения, за ними пряталась более глубокая структура. Орбиты планет казались «подогнанными» — пока Ньютон не написал закон всемирного тяготения. Периодическая таблица выглядела произвольным набором элементов — пока квантовая механика не объяснила электронные оболочки. Может быть, и двадцать пять параметров Стандартной модели — это не двадцать пять независимых чисел, а двадцать пять проекций одного глубокого принципа, который мы пока не видим?
Такие подходы существуют. Теории великого объединения пытаются свести три калибровочные взаимодействия к одному при высоких энергиях, попутно сокращая число свободных параметров. Петлевая квантовая гравитация и теория струн замахиваются ещё дальше — на включение гравитации в единую картину. Программа асимптотической безопасности предполагает, что гравитация может быть непертурбативно перенормируемой, что тоже способно ограничить допустимые значения констант.
Есть и более экзотические идеи. Релаксион — гипотетическое поле, которое динамически «сканирует» значение массы Хиггса в ранней Вселенной, пока не находит стабильную точку. Это элегантный механизм, превращающий тонкую настройку из загадки в динамический процесс — хотя скептики справедливо замечают, что он порождает собственный набор проблем.
Но вот что по-настоящему важно: ни одна из этих программ пока не привела к проверяемому предсказанию, которое бы однозначно решило проблему. Мы находимся в странной исторической точке, когда экспериментальная физика частиц — впервые за столетие — не имеет чёткого сигнала, куда двигаться дальше. LHC нашёл Хиггса и — больше ничего нового. Следующий коллайдер, если его вообще построят, стоит десятки миллиардов и не гарантирует открытий. Тонкая настройка может оказаться тем самым указателем, который ведёт к прорыву, — а может остаться неразрешённой головоломкой на десятилетия.
И это, пожалуй, самое честное, что можно сказать о состоянии дел. Мы живём во Вселенной, чьи параметры выглядят так, будто их подбирали вручную. Может быть, их подбирал слепой случай в бесконечном ансамбле миров. Может быть, за ними стоит неизвестный закон, который свяжет все числа в единую неизбежность. А может быть — и этот вариант стоит держать в голове — мы задаём неправильный вопрос. Может, сама постановка проблемы тонкой настройки выдаёт наши антропоцентрические предрассудки, наше навязчивое желание видеть во Вселенной замысел там, где есть только математика.
Так или иначе, одно можно сказать наверняка: тонкая настройка фундаментальных констант — это не философская побрякушка и не повод для благоговейного трепета. Это открытая рана теоретической физики, честное признание в том, что самая успешная теория в истории науки построена на фундаменте, который она сама не в состоянии объяснить. И пока эта рана не затянется, физика будет оставаться тем, чем она всегда была в свои лучшие моменты, — наукой, которая знает, что не знает, и не стесняется об этом говорить.