Уродливая Вселенная - Сабина Хоссенфельдер

Надеюсь, у философов есть план.

* * *

Место проведения конференции – главное здание Мюнхенского университета Людвига – Максимилиана. Это здание было построено в 1840 году и затем перестроено из-за частичного разрушения во время Второй мировой войны. Полукруглые арки под потолком, мраморные полы, по обеим сторонам коридора высятся колонны, кое-где декорированные витражным стеклом и огнетушителем. В конференц-зале умершие взирают с картин, написанных маслом и оправленных в золотые рамы. Мероприятие начинается ровно в десять утра.

В конференции также принимает участие Гордон (Горди) Кейн, американский специалист по физике элементарных частиц. Горди – автор нескольких научно-популярных книг о физике частиц и суперсимметрии, еще известный своими попытками объединить теорию струн со Стандартной моделью. Он утверждает, будто может вывести из теории струн заключение, что суперсимметричные частицы должны появиться в Большом адронном коллайдере.

Во время выступления Кейна среди физиков вспыхивает спор. Некоторые из них дискутируют с докладчиком, пока какой-то философ громко не жалуется, что хочет услышать конец выступления. «И это составляющая того, что мы зовем научным методом…» – ворчит Дэвид Гросс, давний сторонник теории струн (который «от всего сердца рекомендует»49 книгу Рихарда Давида), но затем садится обратно. Действительно ли предсказания Кейна следуют из теории струн, или он сделал дополнительные специальные допущения, чтобы воспроизвести то, что мы уже знаем о Стандартной модели? Сомнения остаются.

Горди, возможно, и переоценивает строгость своих выкладок, но выполняет трудную работу: он один из немногих, кто пытается отыскать тропинку от красивой идеи теории струн назад к запутанной реальности физики элементарных частиц. Тропинка Горди ведет через суперсимметрию, необходимый элемент теории струн. Хотя открытие суперпартнеров и не доказало бы истинность теории струн, оно стало бы первой вехой на пути объединения теории струн со Стандартной моделью.

В своей книге 2001 года Горди описал суперсимметрию как «удивительную, красивую и необыкновенную» и в то время казался уверенным, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры. Его уверенность основывалась на аргументе о естественности. Если предположить, что теория суперсимметрии содержит только «приличные» числа – не слишком большие, но и не слишком маленькие, – можно оценить массы суперпартнеров. «По счастью, ожидаемые массы достаточно малы, они намекают, что суперпартнеры скоро будут обнаружены», – писал Горди. И объяснил, что «массы суперпартнеров не могут значительно превышать массу Z-бозона, если весь этот подход правильный». Стало быть, если суперпартнеры существуют, Большой адронный коллайдер должен был давным-давно их засечь.

* * *

Оценка Горди основывается на одной из главных привлекательных особенностей суперсимметрии: она избавляет от необходимости выполнять тонкую настройку для массы бозона Хиггса, одной из двадцати пяти частиц Стандартной модели. Этот довод типичен, мы с такими еще не раз столкнемся, так что разберем его детально.

Бозон Хиггса – единственная известная частица своего типа, и он страдает от специфической математической проблемы, от которой другие элементарные частицы защищены: квантовые флуктуации вносят огромный вклад в его массу. Вклад квантовых флуктуаций обычно мал, но в случае бозона Хиггса он дает массу гораздо большую, чем наблюдаемая, – в 1014 раз больше. Не слегка неправильную, а недопустимо, катастрофически неверную[32].

То, что математика дает ошибочный результат для массы хиггсовского бозона, легко исправить. Можно внести поправку в теорию посредством вычитания нужного члена – так, чтобы оставшаяся разность давала наблюдаемую массу. Подобная поправка возможна, поскольку ни один из членов по отдельности не измерить, измерима лишь разница между ними. Однако, производя такое действие, нужно аккуратно подобрать вычитаемый член, чтобы почти, но не полностью аннулировать вклад квантовых флуктуаций.

Для такого деликатного устранения требуется число, идентичное тому, что обуславливают квантовые флуктуации, в четырнадцати разрядах, а затем отличающееся в пятнадцатом. Но то, что пара таких близких чисел могла возникнуть случайно, кажется крайне маловероятным. Представьте, что вы дважды запускаете руку в огромную коробку, где лежат лотерейные билеты со всеми возможными пятнадцатизначными номерами. Если вы вытянете два билета с абсолютно одинаковыми, за исключением последней цифры, номерами, то подумаете, что этому должно быть объяснение – либо билеты плохо перемешаны, либо кто-то вас разыграл.

Физики чувствуют то же по поводу подозрительно маленькой разности двух больших чисел, необходимой, чтобы придать правильную массу бозону Хиггса, – это словно бы требует объяснения. Но поскольку, когда речь идет о законах природы, мы не вытягиваем номера из коробки, мы лишены возможности сказать, насколько это вероятно или невероятно. Следовательно, то, что масса хиггсовского бозона требует объяснения, на самом деле ощущение, а не факт.

Число, будто бы нуждающееся в объяснении, физики называют «тонко настроенным» (fine-tuned), а теорию без тонко настроенных чисел – «естественной»[33]. Часто естественную теорию еще описывают как ту, которая использует только числа, близкие к единице. Эти два определения естественности одинаковы, ведь если два числа близки друг к другу, то разность между ними много меньше единицы.

Итак, числа очень большие, очень маленькие и очень близкие неестественны. В рамках Стандартной модели масса бозона Хиггса неестественна, что делает эту модель некрасивой.

Суперсимметрия значительно улучшает ситуацию, поскольку предохраняет от непомерно больших вкладов квантовых флуктуаций в массу хиггсовского бозона. Так происходит потому, что суперсимметрия обеспечивает необходимое аккуратное устранение заметных вкладов сама по себе, без необходимости осуществлять тонкую настройку. Остаются только более умеренные вклады от масс суперпартнеров. Условие, что все массы естественны, означает, что первые суперпартнеры должны появиться при энергиях, не слишком далеких от тех, при которых появляется сам бозон Хиггса. Ведь если суперпартнеры существенно тяжелее хиггсовского бозона, их вклады должны быть устранены тонкой настройкой, чтобы дать меньшую массу бозона Хиггса. И хотя подобное возможно, кажется абсурдным выполнять тонкую настройку SUSY, раз одно из главных привлекательных ее свойств в том, что она обходится без тонкой настройки.

Если вдруг я потеряла вас на квантовой математике, суть такова: нам не нравятся маленькие числа, поэтому мы изобрели способ обходиться без них, и если это правильно, то мы должны увидеть новые частицы. Это не предсказание, а желание. Однако же эти доводы стали настолько обыденными, что в физике элементарных частиц используются без колебаний.