Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной

Отрывок из книги «Космический ландшафт» американского физика и одного из создателей теории струн Леонарда Сасскинда

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Фрагмент сценографии устройства Вселенной Птолемея из «Небесного Атласа» Андреаса Целлариуса. Амстердам, 1660

— Навигатор, оно нас догоняет? — Лицо капитана было мрачным, бусинки пота катились по его лысому черепу и падали с подбородка. На руке, сжимавшей в кулаке ручку управления, вздулись вены.

— Да, капитан, боюсь, что нет никакой возможности от него оторваться. Пузырь растет, и если мои расчеты верны, он неизбежно поглотит нас.

Капитан вздрогнул и ударил кулаком по пульту управления:

— Никогда не думал, что все закончится именно так. Оказаться проглоченным пузырем альтернативного вакуума… Можете вы сказать, каковы физические законы внутри него? Есть ли у нас шанс выжить?

— Вряд ли. Я оцениваю наши шансы как 1:10100 — один на гугол. Возможно, вакуум внутри пузырька допускает существование электронов и кварков, но постоянная тонкой структуры, скорее всего, слишком велика. Она разорвет атомные ядра ко всем чертям. — Штурман посмотрел на выписанные им уравнения и печально улыбнулся. — Даже если с постоянной тонкой структуры все о’кей, существует вероятность, что там большая КП.

— КП?

— Да, вы знаете — Космологическая Постоянная. Скорее всего, она отрицательна и достаточно велика, чтобы разорвать наши молекулы — вот так.

Навигатор щелкнул пальцами.

— Оно уже здесь! О боже! Нет, это суперсимметрия. Никаких шансов…

Дальше — тишина.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия ЮраЭто было начало плохого научно-фантастического рассказа, который я попытался написать. Через несколько абзацев я бросил эту затею, поняв, что начисто лишен писательского таланта. Но наука может быть гораздо интереснее фантастики.

Все большее число физиков-теоретиков склоняется к мнению, что законы физики не только могут изменяться, но и что это изменение почти всегда оказывается смертельным. В каком-то смысле законы природы похожи на погоду Восточного побережья: чрезвычайно переменчивую, почти всегда ужасную, но в редких случаях — прекрасную. Подобно смертоносным ураганам пузыри с чрезвычайно враждебным содержимым могут проноситься через Вселенную, разрушая все на своем пути. Но в особых редких местах мы обнаруживаем законы физики, идеально подходящие для нашего существования. Как же случилось, что мы оказались в одном из таких уникальных мест? Для этого нужно понять причины изменчивости законов физики, оценить, насколько большим является диапазон их изменения и каким образом область пространства может внезапно изменить свой характер, превратившись из смертельно враждебной в дружелюбную. Это подводит нас к главной проблеме нашей книги — Ландшафту.

Ландшафт — это пространство возможностей. География и топография Ландшафта состоит из холмов и долин, равнин и каньонов, гор и перевалов. Но, в отличие от обычного ландшафта, Ландшафт не трехмерен, он простирается на сотни, а может быть, и на тысячи измерений. Почти все описанные детали Ландшафта представляют собой среду, смертельную для жизни, но некоторые из низколежащих долин оказываются обитаемыми. Ландшафт — это не реальное место. Он не располагается на Земле или где-либо еще. Он не находится ни в пространстве, ни во времени. Это математическая конструкция, каждая из точек которой представляет собой некий набор возможностей окружающей среды, или, как скажет физик, возможного вакуума.

Обычно словом «вакуум» принято обозначать пустое пространство, из которого удален воздух, водяной пар и любое другое вещество. Это то, с чем обычно имеет дело физик-экспериментатор, который возится с вакуумными трубками, вакуумными камерами и вакуумными насосами. Но в теоретической физике термин «вакуум» обозначает гораздо больше. Это своего рода сцена, на которой разворачивается физическое действие. Вакуум потенциально содержит все, что может произойти на этой сцене. Это и список всех элементарных частиц, и фундаментальные физические константы, которые могут быть обнаружены или измерены в экспериментах, проводимых в этом вакууме. Короче говоря, вакуум — это среда, в которой Законы Физики принимают конкретную форму. Наш вакуум может содержать электроны, позитроны, фотоны и прочие обычные элементарные частицы. В нашем вакууме электрон имеет массу 0,511 МэВ, масса фотона равна нулю, а постоянная тонкой структуры — 0,007297351. Другие вакуумы могут, например, содержать безмассовые электроны, фотоны с массой 10 МэВ, не содержать кварков, но при этом иметь 40 различных видов нейтрино и постоянную тонкой структуры, равную 15,003571. Другой вакуум означает другие Законы Физики. Каждая точка Ландшафта представляет собой набор законов, которые, скорее всего, очень отличаются от наших собственных, но которые, тем не менее, возможны. Стандартная модель — это всего лишь одна из точек на ландшафте возможностей.

Но если Законы Физики могут различаться от вакуума к вакууму, то же самое можно сказать и об объектах изучения всех наук. В мире с более легкими электронами и более тяжелыми протонами, скорее всего, отсутствовали бы атомы. Отсутствие атомов означает отсутствие химии, то есть отсутствие периодической системы, отсутствие молекул, кислот, оснований, органических соединений, а следовательно, и биологии.

Идея вселенных с альтернативными законами природы кажется научной фантастикой. Но она более реальна, чем фантастика. Благодаря современным медицинским технологиям альтернативные вселенные регулярно создаются внутри МРТ-аппаратов. Аббревиатура МРТ была придумана для замены прежнего названия, ЯМР — ядерного магнитного резонанса, — чтобы не пугать обывателя страшным словом «ядерный». Поэтому название технологии было заменено на магнитно-резонансную томографию, или сокращенно — МРТ. В действительности в явлении ядерного магнитного резонанса не участвуют ни ядра урана или плутония, ни ядерные боеголовки. Ядра, о которых идет речь в названии, находятся внутри тела пациента, и МРТ-аппарат аккуратно их возбуждает. Обычно этот аппарат представляет собой полый цилиндр, в стенках которого размещены электрические катушки, создающие внутри цилиндра очень сильное магнитное поле. Пациент внутри цилиндра находится в своей собственной маленькой вселенной, свойства вакуума которой слегка отличаются от свойств вакуума вселенной за пределами цилиндра. Представьте себе, что вы проснулись утром внутри такой машины, не зная, где вы находитесь. Что-то будет не так с законами физики. Первое, что вы заметите, — странное, я бы даже сказал опасное поведение железных предметов. Если у вас случайно в кармане пижамы окажется компас, то вы обнаружите, что его стрелка как влитая указывает в строго определенном направлении.

Вероятно, взять с собой внутрь МРТ-аппарата старый телевизор с электронно-лучевым кинескопом будет не самой лучшей идеей, но предположим, что вы это сделали. Включив его, вы обнаружите, что изображение на экране искажено причудливым образом. Зная, как работает кинескоп, вы могли бы восстановить траектории движения электронов. Сильное магнитное поле заставляет электроны двигаться не по прямой, а по штопорообразной спирали. Физик, знакомый с фейнмановскими диаграммами, скажет, что что-то не так с пропагатором электрона. Пропагатор — это не просто картинка, изображающая перемещение электрона из одной точки в другую, а еще и математическое выражение, описывающее это движение.

Фундаментальные константы могут также оказаться слегка другими. Взаимодействие сильного магнитного поля со спинами электронов может даже привести к небольшому изменению их масс. Еще интереснее оказывается влияние сильного магнитного поля на атомы. Магнитные силы слегка сплющивают электронные оболочки атомов в направлении, перпендикулярном вектору поля. В обычном МРТ-аппарате этот эффект незначителен, но в более сильных магнитных полях атомы могут превратиться в некое подобие спагетти, вытянутых вдоль силовых линий поля.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Эффект влияния магнитного поля обнаруживается в виде небольших изменений энергетических уровней атомов и, соответственно, отражается на спектре излучения. Механизм этих изменений лежит в способе, которым электроны, позитроны и фотоны взаимодействуют друг с другом. Более сильное магнитное поле окажет эффект и на вершинную диаграмму, что отразится на значении постоянной тонкой структуры, которая будет зависеть от характера движения электронов.

Разумеется, магнитное поле МРТ-аппарата слабое, и его влияние на законы, управляющие движением заряженных частиц, минимально. Но в очень сильном поле пациент будет чувствовать себя неуютно, и влияние такого поля на физические законы может стать для пациента фатальным, потому что изменение свойств атомов приведет к ужасным последствиям в плане протекания химических и биологических процессов.

Существуют два взгляда на описанную ситуацию, и оба правильные. С одной стороны, можно сказать, что фундаментальные законы природы нисколько не изменились, а изменилась физическая среда, в которой теперь присутствует сильное магнитное поле. С другой стороны, можно сказать, что изменились правила расчета фейнмановских диаграмм и что-то случилось с Законами Физики.

Пожалуй, наиболее правильным будет сказать, что:
Законы Физики определяются окружающей средой.

Поля

Поля, как мы уже увидели, — это особые невидимые свойства пространства, оказывающие влияние на поведение объектов. Житейским примером служит магнитное поле: с ним сталкивался всякий, кто когда-либо брал в руки магнит и исследовал таинственное действие, которое тот оказывает сквозь лист бумаги на скрепки, булавки и гвозди. Многие помнят школьный опыт с железными опилками, образующими вокруг магнита рисунок, повторяющий силовые линии магнитного поля. Магнитное поле имеет в каждой точке пространства направление и напряженность, определяющую, с какой силой оно действует на кусок железа. Магнитное поле внутри МРТ-аппарата в 10 000 раз сильнее магнитного поля Земли.

Несколько менее знакомое нам по повседневному опыту электрическое поле тесным образом связано с магнитным. Оно не оказывает заметного эффекта на железные предметы, но именно оно ответственно за притяжение маленьких кусочков бумаги наэлектризованным предметом. При трении одного предмета о другой электроны с поверхности первого предмета переходят на поверхность второго, в результате чего предметы приобретают противоположные по знаку электрические заряды. Заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, которое, подобно магнитному, имеет в каждой точке пространства направление и напряженность. В конечном итоге Законы Физики оказываются переменчивыми, потому что они определяются полями, а поля могут изменяться. Включение магнитного и электрического полей является одним из вариантов изменения законов, но это не единственная возможность модифицировать вакуум — есть и более интересные способы. Например, можно использовать гравитационное поле Эйнштейна, но и это еще не все. Вторая половина двадцатого столетия ознаменовалась открытием новых элементарных частиц, новых типов взаимодействий и, как следствие, новых полей, которыми можно заполнить пространство, и они будут оказывать влияние на обычную материю. Однако одно из всех этих полей, а именно — поле Хиггса, будет интересовать нас больше других в плане изучения Ландшафта.

Открытие поля Хиггса не было открытием в обычном, экспериментальном смысле. Теоретики обнаружили, что без поля Хиггса Стандартная модель оказывается несогласованной. Без него фейнмановские правила могут приводить к бессмысленным результатам типа бесконечной или отрицательной вероятности. Но в конце 1960-х — начале 1970-х годов теоретики показали, что одним из способов «починить» Стандартную модель является добавление в нее еще одной элементарной частицы — частицы Хиггса. Частица Хиггса, поле Хиггса… Какая связь между полями и частицами заставляет нас давать им одинаковые имена? Идея поля впервые возникла в середине XIX века при изучении электромагнитных явлений. Майкл Фарадей представлял поля в виде гладких возмущений в пространстве, оказывающих влияние на движение электрически заряженных частиц, но само поле не обязано было состоять из частиц. Для Фарадея и развившего его идеи Максвелла мир состоял из частиц и полей, и ни у кого не возникало сомнений, что из них есть что. Но в 1905 году Альберт Эйнштейн, исследуя формулу Планка для излучения абсолютно черного тела, предложил нелепую гипотезу. Эйнштейн утверждал, что электромагнитное поле на самом деле состоит из огромного количества невидимых частиц, которые он назвал фотонами, или квантами. Когда квантов мало, они проявляют себя подобно частицам, но когда огромное количество квантов движется скоординированно, они ведут себя как поле — квантовое поле. Это отношение между частицами и полями оказалось всеобщим. Для каждого типа частиц существует свое поле, а для каждого типа поля — своя частица. Поэтому-то поля и частицы часто называются одинаковыми именами. Электромагнитное поле (обобщающее название электрического и магнитного поля) может быть названо фотонным полем. Электроны тоже имеют собственное поле. И кварки, и глюоны — любой персонаж Стандартной модели имеет собственное поле, в том числе и частицы Хиггса.

Я сказал, что Стандартная модель без частиц Хиггса является математическим нонсенсом, но мне следует внести небольшое пояснение. Стандартная модель без частиц Хиггса математически последовательна, но только до тех пор, пока все частицы движутся со скоростью света, как фотоны. Частицы, движущиеся со скоростью света, не могут иметь массы, поэтому физики утверждают, что поле Хиггса как раз для того и необходимо, чтобы дать элементарным частицам массу. С моей точки зрения, это неудачная формулировка, но мне не придумать лучшую. В любом случае это важный пример того, как поля влияют на мировые константы.

Никто никогда не видел частицу Хиггса, и долгое время не было даже косвенных данных, позволяющих физикам-экспериментаторам сказать, что они ее «видели». Только недавно были получены первые результаты, которые можно интерпретировать как обнаружение этой частицы. Собственно, никакой сложности в детектировании частиц Хиггса нет, трудность состоит в первую очередь в генерации их в количестве, достаточном для изучения. Эта проблема не является принципиальной преградой: чтобы рождать такие тяжелые частицы, как бозон Хиггса, вам просто нужен большой ускоритель. Частицы Хиггса и поле Хиггса настолько важны для успеха Стандартной модели, что никто всерьез даже не сомневался в их существовании. В то время, как я пишу эту книгу, в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) близится к завершению строительство нового ускорителя, который будет способен поставлять нам для исследования частицы Хиггса в огромных количествах. Почти 40 лет прошло с момента, когда частицы Хиггса были впервые предсказаны теоретиками, до момента их экспериментального обнаружения.

Если бы поле Хиггса можно было включать и выключать с такой легкостью, как магнитное, мы могли бы изменять, например, массу электрона по своему усмотрению.

Увеличение массы привело бы к тому, что атомные электроны вращались ближе к ядру, что, в свою очередь, радикально изменило бы химию. Изменяя массы кварков, из которых состоят протоны и нейтроны, можно было бы менять свойства ядер или в определенный момент вовсе уничтожать их. Еще более разрушительным является изменение поля Хиггса в другом направлении — например, это может полностью лишить электрон массы. Слишком легкий электрон не сможет оставаться внутри атома. Наверное, это не те эксперименты, которые мы хотели бы ставить над миром, в котором живем, потому что подобные изменения будут иметь катастрофические последствия и сделают мир необитаемым. Значительные изменения в Законах Физики будут фатальными, и мы будем возвращаться к этому сюжету снова и снова.

Изменяя поле Хиггса, мы могли бы значительно разнообразить наш мир: вместе с полем будут меняться законы ядерной и атомной физики. Физик из одного региона не будет признавать Законы Физики другого. Но все же количество возможных вариаций поля Хиггса является весьма скромным. А что бы произошло, если бы количество изменяемых полей исчислялось многими сотнями? Это подразумевало бы многомерный ландшафт, настолько разнообразный, что в нем можно было бы найти все, что угодно. А заветной мечтой ученого, изучающего такой мир, была бы мечта найти в нем что-то невозможное. Как мы вскоре увидим, это отнюдь не праздные фантазии.

Всякий раз, когда перед математиками или физиками встает задача, содержащая несколько переменных, они думают о пространстве, содержащем возможные значения этих переменных. Простым примером является температура воздуха. Представьте себе прямую линию, на которой стоит отметка, обозначающая ноль градусов, рядом с ней еще одна отметка, обозначающая один градус, далее еще одна отметка, обозначающая два градуса, и т. д. Линия представляет собой одномерное пространство, содержащее возможные значения температуры. Точка с отметкой 25 градусов будет представлять теплый летний день, точка с отметкой –25 градусов — морозный зимний. Температурная шкала на обычном бытовом термометре является конкретным представлением этого абстрактного пространства.

Предположим, что в дополнение к термометру за окном кухни у нас также есть барометр для измерения атмосферного давления. Мы могли бы нарисовать две оси: одну для представления температуры, а другую для представления атмосферного давления. Опять же, каждая точка, теперь уже в двумерном пространстве, представляет нам одно из возможных погодных условий. Если бы мы захотели фиксировать еще больше информации, например влажность воздуха, то могли бы добавить третью координату и представлять состояние погоды в виде точки в трехмерном пространстве.

Комбинация температуры, давления и влажности говорит нам гораздо больше, чем каждый из этих параметров по отдельности. Она говорит нам о том, какие типы частиц могут существовать при определенных условиях, только в данном случае речь идет не об элементарных частицах, а о капельках воды. В зависимости от условий капли воды могут принимать вид тумана, дождя, изморози, снега или града.

Законы Физики — это своего рода «погода в вакууме», только вместо температуры, атмосферного давления и влажности эта погода определяется величиной полей. И точно так же, как погода определяет характер водяных капель в воздухе, вакуумная погода определяет список элементарных частиц и их свойства. Сколько существует полей, от которых зависит набор частиц, их массы и константы связи? Некоторые из них мы уже знаем: электрическое и магнитное поля и поле Хиггса. Остальные станут известны, когда мы узнаем о главнейших законах природы больше, чем дает нам Стандартная модель.

Сегодня наша главная и пока что единственная ставка на открытие такого универсального закона — это теория струн. В главах 7 и 8 мы увидим, что теория струн дает неожиданный ответ на вопрос о количестве полей, управляющих локальной погодой вакуума. На сегодняшнем уровне наших знаний нам видится, что количество таких полей должно исчисляться сотнями, если не тысячами.

Но независимо от количества полей сам принцип остается тем же самым. Представьте себе математическое пространство, каждая размерность которого соответствует отдельному полю. Если полей десять, пространство будет десятимерным. Для представления тысячи полей понадобится тысячемерное пространство. Это пространство и есть ландшафт. Точка на этом ландшафте определяет величины всех полей — состояние вакуумной погоды. Это состояние определяет набор элементарных частиц, их массы и законы взаимодействия. Если бы ктонибудь умел постепенно перемещаться через вселенные от одной точки ландшафта к другой, все характеристики окружающего его мира также плавно менялись бы. В ответ на эти изменения менялись бы и свойства атомов и молекул.

Холмы и долины

Карта реальной местности неполна, если на ней отсутствуют указания на высоту тех или иных точек над уровнем моря. С этой целью на топографических картах проводят кривые, обозначающие линии равных высот. Еще нагляднее смотрится пластилиновая модель местности, изображающая горы, долины и равнины в миниатюре.

Представьте, что у нас есть как раз такая модель, и мы пустили по ней кататься маленький гладкий шарик, например шарик от подшипника. Если поместить шарик в случайном месте и отпустить, он покатится вниз до тех пор, пока в конце концов не остановится в нижней части какой-нибудь долины. Почему именно так? На этот вопрос в разные времена отвечали по-разному. Древние греки считали, что каждому элементу предписано собственное место: земля и вода стремятся вниз, огонь и воздух — вверх. Я не знаю, как бы ответили на этот вопрос вы, но как профессор физики предлагаю такое объяснение: шарик от подшипника имеет потенциальную энергию, которая зависит от его высоты. Чем больше высота, тем выше потенциальная энергия. Шарик стремится скатиться туда, где его потенциальная энергия имеет наименьшее значение, или локальное наименьшее значение, которого шарик может достичь, не взбираясь без необходимости на холм в поисках более низкорасположенной долины. Физику, изучающему катящиеся шарики, карта с горизонталями и модель ландшафта дают информацию об изменении потенциальной энергии катящегося по ландшафту шарика.

Ландшафт (с большой буквы), которому посвящена эта книга, также имеет холмы, долины, горы и равнины. Только места шариков от подшипника на этом Ландшафте занимают целые карманные вселенные! Что я имею в виду, говоря о том, что карманные вселенные занимают места на Ландшафте? Это как если бы в сводке погоды диктор сообщил, что Денвер занимает область в районе минус пяти градусов на температурной шкале.

Это звучит странно, но определенный смысл в том, чтобы представлять города «ползающими» по шкале термометра, есть.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Но какой смысл имеет высота точки на ландшафте? Очевидно, она не имеет ничего общего с высотой точки над уровнем моря на земной поверхности. Тем не менее она представляет потенциальную энергию, ноне энергию шарика от подшипника, а энергию карманной вселенной. И подобно шарику, который катится туда, где его потенциальная энергия минимальна, вселенные стремятся эволюционировать в состояние с наинизшей потенциальной энергией. Я еще вернусь к этому моменту.

Имея это в виду, давайте вернемся к Законам Физики в МРТ-аппарате. Если магнитное поле будет единственным полем, присутствующим внутри аппарата, ландшафт будет одномерным, как температурная шкала, с единственной осью, на которой отложены значения напряженности магнитного поля.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Магнитные поля не возникают сами по себе. Для создания поля требуется энергия. На заре электромагнитной теории, прежде чем Майкл Фарадей ввел понятие поля, считалось, что это энергия электрических токов, протекающих по проводам электрических схем. Но Фарадей по-новому взглянул на природу вещей и вместо проводов, трансформаторов, сопротивлений и других элементов схем сосредоточил внимание на полях, заполняющих пространство и влияющих на поведение заряженных тел. Очень скоро физики осознали огромное значение энергии самого поля: везде, где есть поля, есть энергия. Например, энергия, содержащаяся в электромагнитном поле луча света, нагревает освещаемые им холодные предметы.

В магнитном поле МРТ-аппарата тоже содержится энергия. Позже мы столкнемся с полями, содержащими гораздо бóльшую энергию, чем слабое магнитное поле, используемое в магнитно-резонансной томографии, энергии которого едва ли хватит на то, чтобы вскипятить полстакана воды.

Добавив к нашему одномерному ландшафту вертикальную ось, мы сможем графически отобразить энергию в каждой точке. Энергия магнитного поля пропорциональна квадрату его напряженности, поэтому наш график будет представлять собой параболу, опирающуюся вершиной на начало координат.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Магнитное поле было одним из двух полей, введенных Фарадеем. Второе поле — электрическое. В отличие от магнитного, оно не оказывает влияния на стрелку компаса, но способно заставить встать дыбом волосы на вашей голове. Сильное электрическое поле может деформировать атомы, растягивая в разные стороны отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные атомные ядра. Деформированные атомы образуют длинные цепочки, в которых положительно заряженные ядра одних атомов притягиваются к вытянутым отрицательно заряженным электронным оболочкам других. Еще более сильное электрическое поле оторвет атомы друг от друга. Понятно, что в подобных точках ландшафта атомы уже не смогут существовать, и, как следствие, не сможет существовать и жизнь.

Присутствие и электрического и магнитного полей вносит еще большее разнообразие в ландшафт, который становится двумерным. Поскольку электрическое поле тоже обладает энергией, «высота» ландшафта будет изменяться уже в двух горизонтальных измерениях. Такой ландшафт будет выглядеть подобно глубокой чаше с круто поднимающимися вверх краями.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Поскольку электрическое и магнитное поля по-разному влияют на поведение электронов, они вносят большее разнообразие в Законы Физики. Электроны в смешанном поле движутся по более сложным траекториям, чем в каждом из полей по отдельности. Энергетические уровни атомов демонстрируют больший уровень сложности, и ландшафт оказывается более разнообразным. Если все пространство равномерно заполнить электрическим и магнитным полями, можно будет утверждать, что Законы Физики зависят от «местоположения» вселенной на двумерном ландшафте. В природе, помимо электрического и магнитного, существует большое количество полей, но общий принцип остается неизменным: каждая точка на ландшафте, или, другими словами, каждая комбинация полей соответствует определенному значению плотности энергии. Представляя поля расположенными в горизонтальной плоскости, мы должны добавить к ландшафту всего одну ось для представления энергии. Называя эту ось «высотой», мы, образно говоря, получаем ландшафт с равнинами, холмами, горами и долинами.

Не следует забывать, что электрическое и магнитное поля являются векторными полями, что означает, что в каждой точке они имеют не только величину напряженности, но и направление. Стрелка компаса, расположенного вблизи магнита, укажет направление магнитного поля. В идеальном случае вектор магнитного поля в любой точке на поверхности Земли всегда указывал бы на северный магнитный полюс. В реальности ситуация далека от идеальной, потому что огромные залежи железной руды в земной коре искажают картину магнитного поля, вызывая местные вариации его направления.

Большинство полей, образующих ландшафт, проще электрического и магнитного: бо́льшая часть этих полей является скалярными полями. Скалярное поле не имеет направления и характеризуется только одной величиной — напряженностью. Примером скалярного поля может служить поле распределения температуры на поверхности Земли. Вы никогда не услышите от синоптика что-либо типа: «двадцать градусов Цельсия в направлении на северо-запад». Температура имеет величину, но не имеет направления. Но синоптики имеют дело и с векторными полями, например со скоростью ветра, имеющей как величину, так и направление. Температура, атмосферное давление, влажность и скорость ветра являются величинами, которые могут меняться от места к месту, что и делает их полями. Разумеется, это только аналогия, и они не имеют ничего общего с полями, образующими ландшафт.

Поле Хиггса очень похоже на магнитное поле (если не считать, что оно скалярное), но им несоизмеримо труднее манипулировать. Для изменения поля Хиггса даже на ничтожную величину требуется невообразимое количество энергии. Однако если бы мы научились управлять им, мы смогли бы менять по своему усмотрению массы всех элементарных частиц, за исключением фотона.

Локомотивы, пушечные ядра, элементарные частицы — все имеет массу. Масса является мерой инертности: более массивное тело труднее заставить двигаться или остановить. Для определения массы тела следует приложить к нему силу и измерить создаваемое этой силой ускорение: отношение силы к ускорению и будет массой. Если в момент начала эксперимента тело покоилось, то измеренная масса называется массой покоя. В прошлом было принято различать массу движения и массу покоя, но сегодня термин «масса» всегда означает массу покоя.

Из опыта известно, что все электроны обладают одинаковой массой. То же самое касается и протонов, и любых других элементарных частиц. Именно по этой причине мы можем говорить о массе электрона, не уточняя, какой из электронов мы имеем в виду. Точно так же мы можем говорить о массе любой элементарной частицы, но, разумеется, массы различных типов частиц различаются. Например, масса протона в 1800 раз больше массы электрона.

Фотоны же оказываются эксцентричными чудаками, когда заходит речь об их массе. Масса определяется по ускорению тела, когда тело начинает движение из состояния покоя, а фотоны никогда не покоятся, они всегда движутся, причем всегда с одной и той же скоростью. Фотоны, согласно Эйнштейну, являются частицами света, а свет всегда движется со скоростью света. Фотоны не могут находиться в покое, вместо того, чтобы замедляться, они просто исчезают. Это означает, что масса фотона равна нулю. И вообще: любые частицы, способные двигаться со скоростью света, должны быть безмассовыми.

Из всех экспериментально наблюдаемых частиц безмассовым является только фотон. Однако есть основания полагать, что в природе должна существовать по крайней мере еще одна безмассовая частица. Подобно тому как в результате перехода электрона с одной орбиты на другую атом излучает электромагнитные волны, планеты, двигаясь вокруг Солнца, возмущают гравитационное поле, что приводит к излучению гравитационных волн. Эти гравитационные волны слишком слабы, чтобы обнаружить их на Земле, но время от времени во Вселенной происходят ужасные катаклизмы, порождающие мощнейшее гравитационное излучение. Столкновение черных дыр способно освободить невероятное количество энергии в форме гравитационного излучения, для обнаружения которого на Земле были построены специальные детекторы. Если теоретики не заблуждаются, то эти волны будут распространяться в пространстве со скоростью света, поэтому разумно предположить, что они должны состоять из безмассовых частиц — гравитонов.

Хотя я и говорил, что все электроны имеют одну и ту же массу, тут есть одна тонкость, о которой вы, возможно, уже догадались. Масса электрона зависит от величины поля Хиггса в той точке, где в данный момент находится электрон. Если бы мы обладали технологией, позволяющей варьировать поле Хиггса, то масса электрона могла бы зависеть от его местоположения. То же касается и масс всех остальных элементарных частиц, за исключением фотона и гравитона.

В нашем обычном вакуумном состоянии величины большинства известных полей равны нулю. Поля могут флуктуировать из-за квантовых эффектов, но их мгновенные значения при этих флуктуациях с равной вероятностью оказываются как положительными, так и отрицательными, так что в среднем величина поля остается нулевой. Создание ненулевого поля требует энергии. Поле Хиггса, однако, ведет себя по-другому. Его среднее значение в пустом пространстве отлично от нуля. Это как если бы в волнующемся море элементарных частиц присутствовал еще дополнительный фиксированный уровень жидкости, состоящий из частиц Хиггса. Почему мы не замечаем этой жидкости? Я бы сказал, потому, что мы привыкли к ее существованию. Но если бы эта жидкость исчезла, мы сразу же почувствовали бы ее отсутствие, хотя… будем честными: мы бы и в этом случае ничего не почувствовали, поскольку прекратили бы свое существование.

«Поле Хиггса дает частицам их массы» — что стоит за этим утверждением? Ответ уходит своими корнями глубоко в дебри математики Стандартной модели, но я попытаюсь обрисовать главную идею. Как уже говорилось ранее, если исключить поле (или частицу) Хиггса из списка действующих лиц, то квантовая теория поля, описывающая Стандартную модель, будет математически последовательной, только если все элементарные частицы будут безмассовыми, как фотоны. Фактические массы таких частиц, как электроны, кварки, W-бозоны и Z-бозоны, возникают из-за их движения сквозь «жидкость», состоящую из частиц Хиггса. Мне бы не хотелось вводить вас в заблуждение ложной аналогией, но это выглядит так, будто хиггсовская жидкость сопротивляется движению частиц. Только это сопротивление не похоже на обычное трение, тормозящее частицы и заставляющее их останавливаться. Вместо этого хиггсовская жидкость сопротивляется изменению скорости частиц, проявляя себя так же, как инертная масса. Лучше посмотрите на фейнмановскую диаграмму, которая одна стоит тысячи слов.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Если бы нам удалось создать в некоторой области нулевое хиггсовское поле, то наиболее заметным следствием этого стала бы нулевая масса электрона. Это оказало бы разрушительный эффект на атомы. Слишком легкий электрон не мог бы находиться внутри атома. Ни атомы, ни молекулы не смогли бы существовать. Жизнь в том виде, в каком она нам известна, тоже не возникла бы в такой области.

Было бы крайне интересно проверить это предсказание экспериментально, но манипуляции с полем Хиггса несоизмеримо сложнее, чем манипуляции с магнитным или электрическим полем. Создание области с нулевым полем Хиггса требует неимоверного количества энергии. В частности, для очистки от частиц Хиггса одного кубического сантиметра пространства понадобится порядка 1040 джоулей. Такую энергию излучает Солнце за миллион лет. Так что проведения подобного эксперимента нам придется еще какое-то время подождать.

Почему же поле Хиггса так отличается от электромагнитного поля? Ответ кроется в Ландшафте. Представим себе одномерный ландшафт и, игнорируя электрическое и магнитное поля, оставим в нем только одно поле Хиггса. Получившийся «Хиггс-шафт» будет гораздо интереснее, чем простая парабола, описывающая ландшафт магнитного поля. Он представляет собой две глубокие долины, разделенные чрезвычайно высокой горной вершиной.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Не переживайте, если вы не понимаете, почему Хиггс-шафт выглядит столь необычно. Этого никто до конца не понимает. Это просто еще один эмпирический факт, который следует принимать как данность. Вершина горы — это точка, в которой поле Хиггса равно нулю. Представим, что при помощи некоего супермощного космического пылесоса нам удалось высосать из вакуума все хиггсовское поле. Перед нами откроется место на Хиггс-шафте, в котором все частицы, входящие в Стандартную модель, являются безмассовыми и движутся со скоростью света. Из графика видно, что вершина горы представляет собой среду с огромной плотностью энергии. Помимо всего прочего, это — смертоносная среда.

В противоположность ей наш уголок Вселенной является безопасным гнездышком в одной из долин, где плотность энергии минимальна. В этой долине поле Хиггса отлично от нуля, вакуум наполнен хиггсовской жидкостью, и все частицы имеют массу. Атомы ведут себя как положено атомам, и жизнь процветает. Полный ландшафт теории струн весьма напоминает только что описанный, только он бесконечно богаче самыми неблагоприятными для существования жизни возможностями. Дружественные обитаемые долины представляют крайне редкое исключение. Но об этом позже.

Почему в каждом примере мы живем в нижней части долины? Является ли это общим принципом? Без сомнения, да.

Качение по Ландшафту

Герман Минковский умел глаголом жечь сердца физиков. Вот что он сказал о пространстве и времени: «Отныне время само по себе и пространство само по себе становятся пустой фикцией, и только единение их сохраняет шанс на реальность». Так говорил Минковский о специальной теории относительности — двухлетнем детище Эйнштейна. Это был тот самый Минковский, который объявил миру, что пространство и время должны быть объединены в единый четырехмерный пространственно-временной континуум. Из четырехмерного взгляда на мир следует, что если Законы Физики могут меняться от одной точки пространства к другой, то точно так же они должны меняться со временем. Следовательно, обычные законы природы, даже закон всемирного тяготения, могут меняться: внезапно или постепенно.

Представьте себе, что через физическую лабораторию проходит длинноволновое радиоизлучение. Радиоволны, являясь возмущением электромагнитного поля, состоят из колебаний электрического и магнитного полей. Если длина волны велика, то при прохождении волны через лабораторию каждое колебание будет занимать много времени. Для драматизации ситуации предположим, что длина волны составляет два световых года. В этом случае поля, измеряемые в лаборатории, будут в течение полугода увеличиваться, а затем следующие полгода снова уменьшаться до нуля.

Если измеряемое в лаборатории поле равно нулю в декабре, то своего максимума оно достигает в июне.

Медленно изменяющиеся поля приведут к тому, что поведение электронов тоже будет меняться со временем. В зимние месяцы, когда поля малы, электроны, атомы и молекулы будут вести себя как обычно. Летом, когда значения полей максимальны, электроны будет двигаться по странным орбитам, а атомы будут сжаты в направлении, перпендикулярном магнитному полю. Электрическое поле также вносит искажения в форму атомов, растягивая электроны и ядра в противоположных направлениях. В итоге получается, что Законы Физики изменяются в зависимости от сезона!

А что с полем Хиггса? Может ли и оно меняться со временем? Вспомните, что обычное пустое пространство заполнено хиггсовским полем. Представьте себе, что некий темный властелин-физик изобрел космический пылесос смерти, способный высасывать из пространства частицы Хиггса. Этот пылесос настолько мощный, что может перетащить всю Вселенную или большую ее часть на вершину горы, находящуюся в центре пространства Хиггса. В результате этого во Вселенной произойдут страшные события: атомы дезинтегрируют, и жизнь прекратится. Но интереснее всего то, что произойдет потом. Допустим, что Хиггс-шафт на самом деле является ландшафтом с высокой вершиной, разделяющей две глубокие долины. Вселенная поведет себя подобно шарику от подшипника, балансирующему на острие ножа, готовому от малейшего толчка упасть с него в правую или левую долину.

Очевидно, что такое состояние нестабильно и малейшее возмущение отправит шарик в одну из долин.

Если поверхность ландшафта совершенно гладкая и трение отсутствует, то шарик, свалившись в долину, не остановится на ее дне, а прокатится дальше, поднявшись по склону, после чего покатится в обратную сторону и снова заберется на вершину горы и так до бесконечности. Но если незначительное трение все же присутствует, то шарик в конце концов остановится на дне одной из долин.

Так же ведет себя и поле Хиггса. Вселенная «катается» по Ландшафту, пока не остановится в одной из долин, сформировав обычный вакуум.

Дно долины является единственным местом, где воображаемый шарик может оставаться в покое. Помещенный на склоне, шарик будет катиться вниз. На вершине холма шарик будет находиться в неустойчивом равновесии. Таким образом, единственным возможным стабильным видом вакуума с неизменными Законами Физики является вакуум на дне долины Ландшафта.

Дно долины, в которой упокоится Вселенная, не обязательно должно быть самой низкой точкой Ландшафта. Горный хребет может содержать много долин, каждая из которых окружена вершинами, причем некоторые из долин могут находиться достаточно высоко над уровнем моря и даже выше некоторых горных вершин. Но до тех пор, пока Вселенная пребывает в нижней части какой-нибудь долины, она будет оставаться в ней. Для обозначения низшей точки долины используется математический термин: локальный минимум. Любое движение из точки локального минимума сопряжено с подъемом вверх. Таким образом, мы приходим к важному фундаментальному факту: возможный стабильный вакуум, или, что то же самое возможные неизменные Законы Физики, соответствует локальному минимуму Ландшафта.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Ни один безумный ученый никогда не соберется уничтожить поле Хиггса. Как я говорил, чтобы очистить от него один кубический сантиметр пространства, потребуется вся энергия, излучаемая Солнцем за миллион лет. Но примерно 14 миллиардов лет назад температура была настолько высока, что плотность энергии была более чем достаточна, чтобы вымести поле Хиггса из всей известной Вселенной. Я имею в виду очень раннюю стадию эволюции Вселенной сразу после Большого взрыва, когда температура и давление были чрезвычайно велики. Физики считают, что Вселенная родилась с полем Хиггса, равным нулю, то есть находилась на вершине горы. В ходе охлаждения Вселенная скатилась по склону в долину, где мы сейчас и живем. «Качение» по Ландшафту играет центральную роль во всех современных космологических теориях.

Хиггс-шафт имеет небольшое количество локальных минимумов, и вероятность того, что в одном из минимумов плотность вакуумной энергии будет составлять не более 10–120, крайне мала. Однако, как вы увидите в главе 10, реальный ландшафт теории струн гораздо сложнее, разнообразнее и интереснее. Попробуйте представить пространство с 500 измерениями, топография которого содержит порядка 10500 локальных минимумов, в каждом из которых действуют собственные физические законы, — ничего не выйдет. Независимо от того, насколько ваш мозг отличается от моего, число 10500 лежит далеко за пределами наших представлений. Но одно точно: в таком огромном наборе возможностей наверняка найдется вариант, в котором плотность энергии вакуума составляет 10–119, и это будет ответом на вайнберговский антропный аргумент.

В следующей главе я собираюсь отдохнуть от технических вопросов и рассказать о надеждах и чаяниях физиков. Мы снова вернемся к «строгой науке» в главе 5, но сдвиг парадигмы значит больше, чем факты и цифры. С этим сдвигом связаны эстетические и эмоциональные вопросы, а также возможный отказ от прежней парадигмы. Идея о том, что Законы Физики могут, как погода, зависеть от местных условий, ужасно разочаровывает многих физиков, почти с религиозным фанатизмом верящих, что природа должна быть «красивой» в определенном специфическом математическом смысле.

Миф об элегантности и однозначности

Бог использовал самую совершенную математику при создании Вселенной.
— Поль Дирак
Если вам нужно описать правду, оставьте элегантность портному.
— Альберт Эйнштейн
Красота хуже вина, она сводит с ума и того, кто ею обладает, и того, кто на нее смотрит.
— Олдос Хаксли

Что физики понимают под красотой

Споры об антропном принципе — это больше, чем противостояние научных фактов и философских принципов. Можно ли применить понятие «хороший вкус» к науке? Как все споры о вкусе, он затрагивает эстетические чувства людей. Сопротивление объяснению природы с позиций антропного принципа берет начало из особых эстетических критериев, которые оказывали влияние на всех великих физиков: Ньютона, Эйнштейна, Дирака, Фейнмана, и наше поколение не стало исключением.

Чтобы понять силу их чувства, следует сначала понять ту эстетическую парадигму, которая сегодня ставится под сомнение носителями новых идей.

Потратив добрую часть жизни на занятия теоретической физикой, лично я убежден, что это самая красивая и элегантная из всех наук. И я уверен, что все мои друзья-физики думают точно так же. Но большинство из нас не способно внятно сформулировать, что же мы подразумеваем под красотой физики. Задавая этот вопрос, я получал на него самые разнообразные ответы. Большинство указывало на элегантность математических уравнений, но некоторые отвечали, что сами по себе физические явления красивы.

Я не сомневаюсь, что у физиков существуют какие-то эстетические критерии, по которым они судят о своих теориях.

Все разговоры на эту тему обильно приправлены такими словами, как «элегантность», «простота», «мощность», «однозначность» и т. п., и, возможно, не найдется двух людей, подразумевающих под одними и теми же словами одни и те же вещи, но я постараюсь сформулировать некое общее определение, с которым согласится большинство физиков.

Для меня различия между элегантностью и простотой слишком тонки. Математики и инженеры тоже используют эти термины более или менее взаимозаменяемо, и они подразумевают под ними примерно то же самое, что и физики. Элегантное решение инженерной задачи означает, что в этом решении использовалось минимальное количество деталей и минимальные затраты труда. Заставить один компонент выполнять две различные функции — это тоже элегантное решение. Минимальное решение — элегантно.

В 1940-х годах карикатурист Руб Голдберг, автор «Невероятных машин Руба Голдберга», придумывал механизмы, выполнявшие простые действия невероятно сложным способом. Например, будильник Руба Голдберга состоял из скатывающегося с горки шарика, приводящего в действие молоток, бьющий по хвосту птичку, которая, взлетая, дергала за веревочку, опрокидывающую ведро, вода из которого выливалась на спящего человека. Это прекрасный пример неэлегантного решения задачи.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Решение математической задачи может быть также оценено в терминах элегантности. Доказательство теоремы должно быть настолько коротким, насколько возможно, количество дополнительных предположений, равно как и количество шагов доказательства, должно быть сведено к минимуму. Математическая система, такая как Евклидова геометрия, должна основываться на минимальном количестве аксиом. Математики любят упорядочивать свои аргументы порой до степени полной непостижимости для непосвященных.

Идея элегантности в теоретической физике в основном та же самая, что в математике или в инженерии. Общая теория относительности элегантна, поскольку позволяет вывести огромное количество следствий из минимального набора постулатов. Физики всегда предпочитают иметь дело с минимальным количеством простых аксиом. Любая теория, содержащая больше постулатов, чем это необходимо, неэлегантна. Элегантная теория выражается небольшим количеством простых уравнений. Длинные и сложные уравнения с большим количеством запутанных переменных являются признаком неэлегантности теории и намекают на то, что существует более простой путь.

Откуда берется эта эстетика простоты? Очевидно, что способность получения удовольствия от изящного решения задачи не является уделом одних только физиков, математиков и инженеров. Мой отец был сантехником с пятью классами образования, но он получал удовольствие от симметрии и геометрии совершенной водопроводной системы. Он испытывал профессиональную гордость, видя грамотно спроектированную систему с минимальным количеством труб и соединений, в которой идеально прямые трубы не нарушали геометрическую эстетику параллельных линий, прямых углов и симметрии. И причиной тому служили вовсе не деньги, которые он мог сэкономить, минимизируя количество использованных материалов: его чувство удовлетворения от гениальной простоты и элегантной геометрии водопровода ничем не отличалось от моего чувства гордости за аккуратно написанное уравнение.

Еще одно свойство теории, особенно высоко ценимое физиками-теоретиками, — это однозначность. Что же является критерием однозначности теории? Во-первых, она не должна содержать никакой неопределенности в своих предсказаниях. Теория может предсказывать все, что она способна предсказать, и ничего более. А во-вторых, теория должна быть, по выражению Стивена Вайнберга, «окончательной теорией». Она должна порождать особое чувство неизбежности — ее предмет может быть описан только так и никак иначе. Самая лучшая теория должна быть не только теорией всего, но она должна быть единственно возможной теорией всего.

Комбинация элегантности, однозначности и возможности ответить на все вопросы, на которые только возможно ответить, делает теорию красивой. Однако я думаю, что физики в основном согласятся, что теория, удовлетворяющая всем перечисленным критериям, пока не создана и не следует ожидать, что окончательная теория природы будет совершенством красоты.

Если вы попросите физиков ранжировать теории по их эстетической привлекательности, то чистым победителем окажется общая теория относительности. Идея Эйнштейна основывается на элементарном факте, относящемся к гравитации, понятном даже ребенку: сила тяжести ощущается нами точно так же, как и сила инерции. Эйнштейн предложил мысленный эксперимент в воображаемом лифте. Согласно Эйнштейну, человек, находящийся внутри лифта, не способен отличить эффекты, вызванные притяжением Земли, от эффектов, вызванных ускоренным движением лифта. Любой, кто пользовался скоростным лифтом, помнит ощущение увеличивающейся тяжести при движении лифта вверх и ощущение уменьшения собственного веса, когда движущийся вверх лифт начинает замедляться. Эйнштейн вывел из этого простого наблюдения один из наиболее фундаментальных физических принципов — принцип эквивалентности между гравитацией и инерцией, или просто принцип эквивалентности. Из этого принципа следуют правила, описывающие все явления, связанные с гравитационным полем, а также уравнения неевклидовой геометрии пространства-времени. Вся теория записывается несколькими уравнениями — уравнениями Эйнштейна. Я нахожу это красивым.

Теория Эйнштейна подводит нас к еще одному аспекту красоты для физиков. Я считаю красивым не только окончательный вид теории относительности, созданной Эйнштейном, но и тот путь, которым он пришел к созданию своей теории, — путь, который начался с мысленного эксперимента, понятного даже ребенку. А еще я слышал от физиков утверждения, что если бы Эйнштейн не создал общую теорию относительности, то они или кто-либо еще вскоре создали бы ее в более современном, более технически совершенном виде. Но на мой взгляд, их теория была бы не столь элегантна.

Интересно сравнить два возможных пути, которыми можно прийти к уравнениям Эйнштейна. В альтернативной истории физики могли бы построить теорию гравитации тем же способом, которым была построена электродинамика Максвелла. Теория Максвелла содержит восемь уравнений, решения которых описывают электромагнитные волны. Из этих же уравнений можно получить и обычные силы, действующие между магнитами и электрическими зарядами. Источником вдохновения для теоретиков послужили бы не физические явления, а система уравнений. Отправной точкой могло бы стать уравнение для гравитационных волн, аналогичное по форме уравнению, описывающему световые или звуковые волны.

Подобно тому как свет излучается колеблющимся зарядом или звук — вибрирующим камертоном, гравитационные волны генерируются быстро движущимися массами. Несмотря на то что описывающие распространение гравитационных волн уравнения математически согласованны, при попытке описать взаимодействие этих волн с массивными телами возникает несогласованность, не встречающаяся в теории Максвелла. Упорные теоретики попытались бы устранить несогласованность, изменяя уравнения и добавляя в них новые члены. В конце концов им бы удалось сделать ряд последовательных приближений, каждое следующее лучше предыдущего, но на каждом этапе уравнения все равно оставались бы несогласованными.

Согласованности удалось бы добиться только путем введения бесконечного числа членов. А самое главное, что после учета всех дополнительных членов результат оказался бы эквивалентным уравнениям Эйнштейна! Серия последовательных приближений привела бы нас к окончательной теории, которая оказалась бы эквивалентной общей теории относительности. Размышлять об ускорении лифта не потребовалось бы. Достаточно было бы соединить требование математической согласованности с методом последовательных приближений. Кое-кто назвал бы такой путь элегантным, но вряд ли можно назвать его простым.

Чтобы показать элегантность уравнений, я напишу их в том удивительно простом виде, в котором их вывел Эйнштейн.
Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Этот маленький прямоугольник с несколькими простыми символами содержит в себе все гравитационные явления: падающие камни, движение Луны и Земли, образование галактик и даже расширение Вселенной.

Подход, защищаемый модернистами, хотя и приводит к тому же самому результату, требует бесконечного количества последовательных приближений, и полученные ими уравнения выглядят совершенно неэлегантно.

Тем не менее я вынужден признать, что хотя «современный вывод» проигрывает в элегантности уравнениям Эйнштейна, он демонстрирует одну очень важную вещь, а именно однозначность теории. На каждом шаге аппроксимации новые члены, добавляемые для устранения несогласованности, однозначно определены, что означает, что и вся теория в целом однозначна: она не только описывает гравитацию, но и показывает, что это не может быть сделано другим способом.

Теория Эйнштейна также необычайно мощна. Она способна описать с высокой точностью широкий круг гравитационных явлений — от тяготения, удерживающего нас на поверхности Земли, до формирования черных дыр в центрах квазаров и гравитационных волн, возникающих в результате космических катастроф, таких как столкновения черных дыр. Элегантные уравнения, элемент однозначности и способность описать множество явлений делают общую теорию относительности красивейшей физической теорией из всех когда-либо созданных. Но как мы уже увидели, не только содержание теории — то, что она говорит нам о мире, — делает ее красивой, но и форма, в которой записаны уравнения, и даже рассуждения, которые привели к ее созданию.

Если победу на физическом конкурсе красоты одержала общая теория относительности, то приз за самое ужасное лицо достается ядерной физике. Ужасность ядерной физики не в том, что она лежит в основе кошмарных ядерных реакторов и грибообразных облаков. Это все технология, а не физика. Ужас в том, что законы ядерной физики, вопервых, не понятны, а во-вторых, не лаконичны. Как результат мы не имеем ни элегантных уравнений, позволяющих ухватить суть, ни простых рассуждений, позволяющих выводить новые правила. Если бы правила гласили, что протоны и нейтроны притягивают друг друга с силой, подчиняющейся простому закону, то теория была бы элегантной, как атомная физика. Как и в случае ревизионистской теории относительности, каждое новое приближение к истине оказывается не окончательным. Однако вместо апеллирования к математической согласованности в теорию постоянно добавляются новые частные «правила большого пальца» для приведения теории в соответствие с экспериментальными данными. Кроме того, эти правила большого пальца работают для одних ядер и не работают для других. Теория несет на себе груз различных аппроксимаций, выведенных методом проб и ошибок, но, в отличие от ситуации с общей теорией относительности, этот груз не добавляет теории ни простоты, ни однозначности, ни признания. Большинство теоретиков соглашаются с тем, что уравнения ядерной физики не выглядят элегантными и их логика неполна.

Некоторые физики утверждают, что химия тоже не блещет красотой. Она полна узкоспециализированных рецептов, которые не отличаются универсальностью. Первые несколько строк периодической таблицы Менделеева выглядят достаточно просто, но по мере продвижения вниз по таблице приходится добавлять все больше и больше новых правил. Правила, описывающие молекулярные соединения, являются приблизительными и содержат множество исключений. В одних случаях химия правильно предсказывает свойства соединений, в других — нет. Всякий раз, когда физики хотят дискредитировать какую-нибудь теорию за немотивированность или сложность, они сравнивают ее с химией или, что еще хуже, с поваренной книгой химика.

В ответ химики заявляют, что физика скучна и однообразна, а вот химия является дисциплиной, описывающей красоту и разнообразие окружающего мира, ведь прекрасный цветок — это в конечном счете не что иное, как совокупность химических реакций. И это добавляет химическим реакциям эстетическую ценность.

Многие физики и химики находят красоту в том способе, которым очень простые объекты, такие как атомы, соединяются в сложные макроскопические узоры. Для таких явлений, наблюдаемых только благодаря коллективному поведению большого числа объектов, в данном случае — атомов, существует специальное название: эмерджентность. Эти коллективные явления можно вывести из законов поведения отдельных членов: например, одним из таких эмерджентных явлений, вытекающих из свойств молекулярных соединений, является жизнь. Другим примером эмерджентных явлений является образование снежинок или рост кристаллов. Еще один пример коллективного поведения атомов, приводящего к способности двигаться без трения, — сверхтекучесть. Это так называемая эмерджентная красота.

Что ж, красота такого типа имеет столько же прав на существование, как и красота элегантных физических законов. Но я говорю о другой красоте. Физики, изучающие элементарные частицы, ищут красоту в основных законах и уравнениях. Большинство из них обладают своего рода квазирелигиозной верой в богов простоты и однозначности. Насколько я могу судить, они считают, что в «самом низу всего» лежит красивая теория, один однозначный, мощный и общепризнанный набор уравнений, описывающих все явления, по крайней мере принципиально — даже если эти уравнения окажется слишком трудно решить. Эти главные уравнения должны быть простыми и симметричными. Проще говоря, простота означает, что уравнения можно записать в рамке такого размера.
Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра
Но прежде всего эти уравнения должны однозначно предсказывать Законы Физики, которые были установлены за последние несколько веков, в том числе и Стандартную модель физики элементарных частиц, список элементарных частиц, их массы, константы связи и силы взаимодействия. И не допускать возможности никаких других альтернативных правил.

Происхождение мифов

Миф об однозначности и элегантности, вероятно, унаследован нами от древнегреческих интеллектуалов. Пифагор и Евклид верили в мистическую математическую гармонию Вселенной. Пифагор считал, что мир функционирует согласно математическим принципам, аналогичным тем, на которых построена музыка. Хотя связь между музыкой и физикой может показаться нам наивной и даже глупой, в пифагорейской вере нетрудно увидеть все ту же любовь к симметрии и простоте, которая так вдохновляет современных физиков.

Евклидова геометрия имеет строгий эстетический вкус. Доказательства просты и элегантны, а количество аксиом минимально. Евклиду не понадобилось ничего, кроме пяти аксиом. Его геометрия обычно считается разделом математики, но древние греки не делали различий между математикой и физикой. Для них евклидова геометрия была теорией, описывающей реальный физический мир. Они могли не толькодоказывать теоремы, нои измерять свойства реального пространства, и результаты измерений обязательно (по словам древних греков) согласовывались с предсказаниями теорем. Например, если нарисовать треугольник с помощью карандаша и линейки, а затем измерить транспортиром три внутренних угла, то их сумма окажется равна 180 градусам — в полном согласии с одной из теорем. Греки верили, что любой реальный треугольник, построенный в реальном пространстве, обязательно согласуется с теоремой о сумме углов треугольника. Исходя из этого они делали определенные заявления о физическом мире, которые считали не только истинными, но и однозначными. Реальное пространство, как утверждали греки, соответствует аксиомам Евклида, и кроме такого пространства другого быть не может. По крайней мере, они так думали.

Позже Платон и Аристотель добавили особенный эстетический элемент в законы астрономии. Окружность была для них совершенной фигурой. Все точки окружности находятся на одинаковом расстоянии от центра, что придает окружности совершенную симметрию: ни одна другая фигура не обладает такой симметрией. Поэтому Платон, Аристотель и их последователи верили, что никакая другая фигура, кроме окружности, не может описывать движения планет. Они верили, что небеса сделаны из совершенных кристаллов, абсолютно прозрачны, идеально сферичны и вращаются с прецизионной точностью. Для них мир был устроен так и никак иначе.

Такая же элегантная теория была у греков и для земных явлений — она в чем-то напоминала воплощение мечты современных физиков о единой теории.

Греки верили, что все вокруг состоит из четырех элементов: земли, воздуха, воды и огня. Каждый элемент занимает присущее ему место и стремится достичь этого места. Огонь легкий и поэтому стремится вверх. Земля, будучи самым тяжелым элементом, стремится занять самое нижнее положение. Вода и воздух занимают места где-то между землей и огнем. Четыре элемента и один динамический принцип: вы удивитесь, узнав сколько явлений можно объяснить при помощи такого набора. Единственное, что отсутствует в этой теории, — однозначность. Я не вижу, почему список четырех основных элементов не может быть дополнен, скажем, красным вином, сыром и чесноком.

Средневековые астрономы, алхимики и химики бросили вызов греческой картине мира. Кеплер сбросил окружности, описывающие орбиты планет, с пьедестала, заменив их более сложными и менее симметричными эллипсами. Но Кеплер также верил в пифагорейскую математическую гармонию. В его времена были известны только пять больших планет: Венера, Марс, Юпитер, Сатурн и, разумеется, Земля. Кеплер был глубоко впечатлен тем фактом, что геометрия допускает существование только пяти правильных многогранников, пяти платоновых тел: тетраэдра, октаэдра, куба, икосаэдра и додекаэдра. И он не устоял перед соблазном связать пять планет с пятью платоновыми телами и построил модель Вселенной, состоящую из пяти вложенных друг в друга правильных многогранников, с целью объяснить значения расстояний между Солнцем и планетами с помощью геометрических соотношений. Я не уверен, можно ли считать такую теорию элегантной, но она безусловно однозначна: существуют только пять платоновых тел, привязанных к пяти планетам. Хотя, с физической точки зрения, эта теория была, конечно же, полной ерундой.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

В то же самое время алхимики вынуждены были признать, что в природе существует гораздо больше четырех элементов. К концу XIX столетия химики открыли уже почти сотню химических элементов, и природа потеряла часть своей красоты. Периодическая система внесла в химию некоторый порядок, но и он далек от той простоты и однозначности, которые обеспечивала древнегреческая метафизика.

Но затем, в начале XX века, Бор, Гейзенберг и Шредингер открыли принципы квантовой механики и атомной физики, что позволило подвести под химию строгую теоретическую базу. Число фундаментальных элементов природы снова сократилось до четырех, только теперь это были не древнегреческие вода, земля, огонь и воздух, а уже знакомые нам фотон, электрон, протон и нейтрон. Все свойства химических элементов теперь можно было (по крайней мере, в теории) вывести из свойств четырех элементарных частиц. Простота, элегантность и однозначность снова оказались в наших руках. Основные принципы теории относительности и квантовой механики в сочетании с четырьмя элементами материи позволяли объяснить любые сколь угодно сложные химические реакции — лишь бы только нам хватило вычислительных мощностей для решения соответствующих уравнений. Наука оказалась очень близко к идеалу, к которому так стремились физики.

Но увы, не тут-то было. Новые элементарные частицы стали открываться оптовыми партиями: нейтрино, мюоны, так называемые странные частицы, мезоны и гипероны — ни одной из этих частиц не находилось места в простом порядке вещей. Они не играли существенной роли в описании материи, но факт их существования мутил воду. Физикам 1960-х годов уже не хватало латинских и греческих букв для обозначения новых элементарных частиц. Будучи молодым физиком, лелеявшим надежду найти красоту и элегантность в законах природы, я вместо этого находил удручающий беспорядок в моей любимой науке.

В 1970-х наконец-то забрезжил луч надежды. Вместо протонов, нейтронов и мезонов на роль элементарных частиц были назначены кварки, и одна квантовая теория поля, называемая квантовой хромодинамикой (или, сокращенно, КХД), смогла объяснить все свойства протонов, нейтронов, мезонов, атомных ядер и менее известных странных частиц (частиц, в состав которых входят странные кварки). Число основных элементов природы снова существенно сократилось. В то же время появилась возможность представить электроны и нейтрино как частицы-близнецы, связанные глубокой симметрией. В перетягивании научного каната снова начала побеждать команда простоты. Наконец, к середине 1970-х годов полностью сформировалась Стандартная модель, претендующая на описание всех известных явлений (по крайней мере, так утверждается), но при этом она содержала около 30 свободных параметров. Короче, состязание между элегантностью и неуклюжестью продолжается, и перспективы каждой из команд на окончательную победу пока туманны.

Теория струн и развенчание мифа

Перейдем к теории струн. Красива она, как утверждают ее сторонники, или уродлива, как считают критики? Прежде чем обсуждать эстетическую сторону теории струн, позвольте вкратце рассказать, зачем она вообще нам понадобилась. Если, как я уже говорил, Стандартная модель описывает все известные явления, зачем теоретикам понадобилось лезть дальше в математические дебри? Должен признаться, что на самом деле Стандартная модель описывает не все известные явления. В частности, она не описывает гравитацию. Гравитация является самой привычной нам силой, с ней мы сталкиваемся ежедневно, и, вероятно, гравитация также является самой фундаментальной силой во Вселенной. И вот представьте: для гравитации не нашлось места в Стандартной модели. Гравитон (квант гравитационного поля) не включен в список частиц Стандартной модели. Черным дырам — возможно, самым интересным объектам во Вселенной — не нашлось места в теории. И хотя классическая теория гравитации Эйнштейна является самой красивой из всех теорий, пока не видно способа втиснуть ее в квантовый мир.

В большинстве случаев гравитация не играет никакой роли в физике элементарных частиц. Как мы увидим далее, гравитационное взаимодействие между двумя кварками на много порядков слабее всех других фундаментальных сил природы. Гравитация слишком слаба, чтобы играть сколько-нибудь заметную роль в экспериментах с элементарными частицами в обозримом будущем. Именно поэтому физики, изучающие элементарные частицы, традиционно игнорируют гравитационные эффекты.

Но существуют две причины стремиться к более глубокому пониманию связи между гравитацией и микроскопическим квантовым миром. Первая причина связана со строением элементарных частиц. Хотя гравитационное взаимодействие между электронами в атомах или между кварками в протонах пренебрежимо мало, оно может стать существенным на более малых расстояниях. Все силы растут с уменьшением расстояния, но гравитация растет быстрее других. На планковских расстояниях гравитационное взаимодействие становится не только сильнее электромагнитного, но даже сильнее взаимодействия между кварками. Если парадигма «матрешки» (все вещи состоят из еще более мелких вещей) справедлива для любых расстояний, то вполне может оказаться, что обычные элементарные частицы состоят из еще более мелких частиц, связанных вместе силой гравитации.

Вторая причина глубже понять связь между гравитацией и квантовой теорией имеет отношение к космологии. В следующей главе мы увидим, как гравитация управляет расширением Вселенной. Когда Вселенная была молодой и расширялась с умопомрачительной скоростью, гравитация и квантовая механика вносили в этот процесс сравнимые по величине вклады. Отсутствие понимания связи между этими двумя величайшими теориями подрывает наши усилия добраться в изучении Вселенной до начала Большого взрыва.

Но есть и третья причина, толкающая физиков к объединению квантовой механики и общей теории относительности, — эстетическая. Для физиков, в отличие от поэтов, величайшее преступление против эстетики — несогласованность. Несогласованность теории является вопиющим посягательством на те общефизические ценности, которыми мы дорожим, даже более вопиющим, чем уродливость теории. А на протяжении всего XX столетия гравитация и квантовая механика оставались несогласованными.

И вот пришла теория струн. Мы не станем вдаваться в детали теории струн до седьмой главы, но сейчас я должен сказать, что теория струн — это именно та теория, которая последовательно объединяет гравитацию и квантовую механику. Многие теоретики, в число которых вхожу и я, имеют сильное предчувствие, что теория струн — наша единственная надежда примирить эти два столпа современной физики. Что же в теории струн заставляет нас испытывать подобное предчувствие? Мы испробовали множество других подходов, но эти попытки терпели фиаско в самом начале. Например, была попытка построить на основе общей теории относительности квантовую теорию поля. Математики быстро обнаружили ее несогласованность. Кроме того, даже если и удавалось написать осмысленные уравнения, они оставляли чувство эстетической неудовлетворенности. В каждой такой попытке гравитация оказывалась чужеродной добавкой, то есть гравитационное взаимодействие просто добавлялось в уже существующую теорию, например в квантовую электродинамику. Неудивительно, что подобные попытки терпели неудачу. Но теория струн — совершенно другая. Сосуществование квантовой механики и теории гравитации является абсолютно неизбежным условием математической согласованности.

Теория струн единственная из всех создает впечатление настоящей теории квантовой гравитации.

Это не мелочь, учитывая, что два гиганта — Общая теория относительности и квантовая механика — были в состоянии войны друг с другом большую часть XX века. Я бы сказал, что эта неизбежность прекрасна.

Помимо тесной связи с гравитацией, теория струн на первый взгляд обеспечивает и связь с обычной физикой элементарных частиц. Хотя мы и не понимаем, как именно Стандартная модель может быть включена в теорию струн, у последней есть все элементы, входящие в современную теорию элементарных частиц. Теория струн содержит частицы — фермионы и бозоны, — которые напоминают электроны, кварки, фотоны, глюоны и т. п. Помимо гравитационной силы, она описывает и силы, похожие на электромагнитные, и даже силы, аналогичные тем, что связывают кварки в протоны и нейтроны. А главное, ни один из этих элементов не вносится в теорию извне, так сказать, вручную: как гравитация, все они являются неизбежными математическим следствиями теории.

Следует отметить, что все следствия теории струн разворачиваются математически последовательным образом. С другой стороны, теория струн является очень сложной математической теорией и несет с собой огромное количество возможностей потерпеть фиаско. Я имею в виду возможные внутренние несогласованности. Это как огромная, очень точная машина, состоящая из тысяч деталей. Если хотя бы одна деталь не подходит к остальным идеальным образом, машина остановится. Но детали подогнаны друг к другу порой вследствие настоящих математических чудес. Теория струн — это не только физическая теория, но и очень сложная математическая конструкция, послужившая источником вдохновения для целой армии чистых математиков.

Но красива ли теория струн? Удовлетворяет ли теория струн стандартам элегантности и однозначности, накладываемым физикой? Содержит ли она мало уравнений и просты ли они? И самое главное: однозначны ли Законы Физики, к которым приводит теория струн?

Элегантность требует, чтобы количество определяющих уравнений было невелико. Пять лучше, чем десять, а одно лучше, чем пять. В этом отношении теория струн является просто воплощением элегантности. За все годы развития теории струн еще никому не удалось написать ни одного определяющего уравнения! Их количество в настоящее время равно нулю. Мы не только не знаем, каковы фундаментальные уравнения теории струн, но даже не знаем, существуют ли они вообще. Но, в таком случае, какая же это теория, если она не имеет набора определяющих уравнений? На этот вопрос пока нет ответа.

Что касается второго вопроса — об однозначности Законов Физики, вытекающих из теории струн, — то здесь мы можем быть более определенными. Несмотря на то что никто еще не написал ни одного определяющего уравнения, методы теории являются очень строгими. Теория могла бы не выдержать множества математических проверок, но этого не произошло. Считается, что очень жесткие математические ограничения приведут либо к полностью однозначной теории, либо, в крайнем случае, к теории, содержащей очень небольшое количество неоднозначностей.

В середине 1980-х годов среди струнных теоретиков царила эйфория: они считали, что напали на след, ведущий к окончательному ответу, к единой однозначной теории, способной объяснить, почему мир таков, как он есть. Верилось и в то, что глубинные и зачастую чудесные математические свойства теории гарантируют точное равенство нулю космологической постоянной.

Эпицентром событий являлся Институт перспективных исследований в Принстоне, служивший одно время домом Альберту Эйнштейну и Роберту Оппергеймеру и известный своей суперинтеллектуальной рафинированной атмосферой. А в самом центре центра эпицентра находились величайшие в мире матфизики во главе с Эдвардом Виттеном, семимильными шагами приближавшиеся к однозначному ответу. Так было когда-то.

Сегодня мы знаем, что успех, который «ждал нас за поворотом», оказался миражом. После того как мы лучше узнали теорию струн, случились три несчастья.

Несчастье номер один состояло в том, что постоянно открывающиеся новые возможности требовали постоянных математических усовершенствований, для того чтобы теория оставалась однозначной. В течение 1990-х годов количество новых вариантов описываемых теорией миров росло экспоненциально. Струнные теоретики с ужасом взирали на разворачивающийся перед ними грандиозный Ландшафт с огромным количеством долин, в которых можно было обнаружить какие угодно условия.

Несчастьем номер два стала тенденция теории порождать машины Руба Голдберга. В поиске подходящего ландшафта для Стандартной модели создавались конструкции невероятной сложности. По мере учета всех требований в теорию приходилось добавлять все больше и больше «движущихся частей», и теперь кажется, что ни одна из созданных моделей реальности не смогла бы получить одобрение Американского инженерного общества — в первую очередь это касается элегантности конструкции.

И наконец, последним ударом по больному месту стало то, что все потенциальные кандидаты на вакуум, подобный тому, в котором мы живем, содержали ненулевую космологическую постоянную. Надежда на какой-нибудь очередной волшебный математический фокус, гарантирующий нулевое значение космологической постоянной, начала быстро таять.

Если судить по обычным критериям однозначности и элегантности, то теория струн превратилась из красавицы в чудовище. И тем не менее чем больше я размышляю об этой печальной истории, тем больше у меня появляется оснований полагать, что теория струн все же является тем ответом, который мы ищем.
Элегантна ли природа?

Величайшая трагедия науки — убийство красивой гипотезы уродливым фактом.
— Томас Генри Хаксли

Теория струн не испытывает недостатка во врагах, которые скажут, что это чудовищное извращение. Среди них теоретики, занимающиеся конденсированными средами, считающие, что правильная теория — это теория, содержащая эмерджентность, или возникновение. Физика конденсированных сред изучает свойства обычного вещества, находящегося в твердом, жидком или газообразном состоянии. Согласно этой школе, пространство и время возникают из неких микроскопических объектов так же, как кристаллическая решетка или сверхтекучесть возникают из коллективного поведения большого количества атомов. В большинстве случаев эмерджентное поведение сильно зависит от поведения отдельных микроскопических деталей. С точки зрения физиков конденсированных сред, мир мог возникнуть из настолько широкого набора начальных микроскопических условий, что нет никакого смысла пытаться идентифицировать конкретную микроскопическую деталь, которая привела к его возникновению. Вместо этого, говорят они, следует попытаться понять правила и механизмы самой эмерджентности. Другими словами, следует изучать физику конденсированных сред.

Проблема в том, что у нас не существует такой конденсированной среды, которая вела бы себя подобно Вселенной, управляемой квантовой механикой и общей теорией относительности. Позже, в главе 10, мы познакомимся с голографическим принципом и увидим, что точка зрения физиков конденсированных сред имеет право на существование. Гипотеза о том, что существует множество микроскопических отправных точек, которые могут привести к возникновению мира с гравитацией, может оказаться верной, но исходное состояние Вселенной не имеет ничего общего с обычным веществом, которое является предметом изучения физики конденсированных сред.Еще одним источником критики являются некоторые (конечно, не все) ученые, работающие в области высокоэнергетической экспериментальной физики, которых раздражает, что новые явления, описываемые теорией струн, слишком далеки от реального эксперимента — как будто бы теоретики в этом виноваты… Эти физики обеспокоены тем, что они не видят перспективы: смогут ли их эксперименты когданибудь дать ответы на вопросы, которые ставят струнные теоретики. Они считают, что теоретикам следует заниматься задачами, экспериментальная проверка которых стоит на повестке дня в ближайшем будущем. Это чрезвычайно близорукий взгляд. В нынешний век физики высоких энергий эксперименты стали настолько громоздкими и сложными, что порой постановка одного опыта может затянуться на десятилетие. Блестящие молодые физики-теоретики похожи на безумных ученых. Они рвутся в неизведанное, влекомые любопытством. И если они выходят в огромное море неизвестного, то пожелаем им семь футов под килем.

Большинство же по-настоящему хороших физиков-экспериментаторов не уделяют большого внимания тому, что думают теоретики. Они строят те экспериментальные установки, которые в состоянии построить, и ставят те эксперименты, которые в состоянии поставить. А в свою очередь большинство по-настоящему хороших теоретиков не уделяют большого внимания тому, что думают экспериментаторы. Они строят свои теории, основываясь на своей интуиции, и идут туда, куда их ведет их интуиция. И те и другие надеются, что когда-нибудь их пути пересекутся, но о том, когда и как это произойдет, можно только догадываться.

Наконец, есть и сторонники других теорий. По-другому и быть не может. Необходимо исследовать все возможные пути к истине, но, насколько я могу судить, ни одна из этих теорий не разработана достаточно хорошо. На текущий момент — это все, что я могу о них сказать.

Зато чего я никогда не слышал, так это критики теории струн, обвинявшей бы ее в крайней неэлегантности или существенной неоднозначности. А между тем любое из этих обвинений могло быть совершенно правомерно брошено струнным теоретикам как свидетельство того, что их надежды на создание хорошей теории беспочвенны. Но, по-видимому, до последнего времени они слишком хорошо маскировали эту ахиллесову пяту своей теории. Я подозреваю, что теперь, когда она стала достоянием широкой научной общественности, в том числе и благодаря моим собственным лекциям и сочинениям, зануды в кулуарах начнут, ухмыляясь, заявлять во всеуслышание: «Ага! Мы давно это знали! Теория струн мертва».

Мое собственное предположение состоит в том, что неэлегантность и неоднозначность теории в конечном итоге следует рассматривать как ее сильные стороны. Честный и непредвзятый взгляд на реальный мир не предполагает математического минимализма. Вот список масс элементарных частиц, входящих в Стандартную модель, выраженных в массах электрона. Все значения приблизительные.

Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной | мастерская целительного звука | музыкальный блог Виталия Юра

Мы не видим никакой очевидной закономерности кроме той, что массы увеличиваются по мере того, как мы спускаемся вниз по списку.

Числа не выглядят связанными ни с какими математическими константами типа π или квадратного корня из двух. Единственная наблюдаемая закономерность возникает исключительно из-за того, что я намеренно отсортировал частицы в порядке возрастания масс.

Эта дюжина с небольшим чисел является лишь верхушкой айсберга. Мы знаем со всей определенностью, что Стандартная модель включает еще как минимум 20 дополнительных независимых констант, отвечающих за разнообразные взаимодействия, что противоречит утверждению о простоте модели. И даже этот список далеко не исчерпывающий: в мире гораздо больше частиц и констант, чем в списке Стандартной модели. Теория гравитация и космология добавляют нам еще ряд констант типа масс частиц, из которых состоит темная материя. По мнению физиков, особенно тех, кто ожидает открытия суперсимметрии, общее число фундаментальных констант должно превышать сотню, и никто не в состоянии придумать, как связать эти константы между собой. Весьма далекие от эталона простоты и элегантности теоретические конструкции, время от времени создаваемые физиками для объяснения фундаментальных свойств природы, выглядят карикатурными сооружениями Руба Голдберга.

Несмотря на то что Стандартная модель является огромным шагом вперед в объяснении свойств элементарных частиц, она не объясняет сама себя. Она довольно сложна, далеко не однозначна и, конечно же, неполна. Что же тогда особенного в нашей любимой Стандартной модели? Абсолютно ничего. Правда, есть одна особенность, отличающая Стандартную модель от 10500 других возможных моделей: она допускает, а может быть, даже поощряет существование жизни.

Космологи не настолько заражены вирусом элегантности и однозначности, как струнные теоретики, возможно, потому, что они предпочитают смотреть на природу через объективы своих телескопов, а не сквозь дебри математических уравнений. Вот венок замечательных совпадений, отмечаемых некоторыми из них.

— Вселенная — это тонко настроенный инструмент. Она расширялась с идеальной скоростью. Если бы ее расширение было чересчур стремительным, то вещество рассеялось бы в огромном объеме, прежде чем получило бы шанс сформировать галактики, звезды и планеты. С другой стороны, если бы расширение было медленным, то первоначального импульса не хватило бы для достижения Вселенной нынешних размеров и она схлопнулась бы обратно, как лопнувший воздушный шарик.

— Ранняя Вселенная была не слишком фрагментированной и не слишком однородной. Она имела нужную консистенцию, как правильно приготовленная овсянка. Если бы в начале своего существования Вселенная была более комковатой, то водород и гелий сконденсировались бы не в галактики, а в черные дыры. Вся материя упала бы в эти черные дыры и была бы похоронена под их горизонтами. С другой стороны, если бы ранняя Вселенная была слишком гладкой, в ней бы вообще не образовались неоднородности. Мир галактик, звезд и планет не является закономерным результатом физических процессов в ранней Вселенной. Он представляет собой очень редкое и счастливое исключение.

— Гравитация достаточно сильна, чтобы удерживать нас на поверхности Земли, однако не настолько сильна, чтобы создать избыточное давление в недрах звезд, в результате чего те сгорали бы за несколько миллионов лет, а не за миллиарды, необходимые для возникновения жизни и эволюции, приводящей к возникновению разума.

— Микроскопические Законы Физики как будто специально подобраны таким образом, чтобы допускать существование атомных ядер и атомов, из которых построены гигантские молекулы живой материи. Кроме того, эти законы настроены так, чтобы углерод, кислород и другие необходимые для построения жизни элементы могли синтезироваться в недрах первого поколения звезд и затем в результате взрывов сверхновых выбрасываться в космическое пространство.

Основные настройки природы выглядят слишком хорошо, чтобы быть правдой. Вместо того чтобы следовать эталонам математической простоты и элегантности, законы природы подобраны в первую очередь так, чтобы обеспечивать наше собственное существование. Как я уже неоднократно говорил, физики ненавидят эту идею. Но как мы увидим позже, теория струн представляется идеальной для объяснения, почему мир устроен таким образом.

Леонард Сасскинд
профессор теоретической физики Стэнфордского университета, директор Стэнфордского института теоретической физики

Источник: postnauka.ru

линия

Мастерская целительного звука©

Реклама
Запись опубликована в рубрике Блог, наука, разное с метками , , , , , , , , , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход / Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход / Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход / Изменить )

Google+ photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google+. Выход / Изменить )

Connecting to %s