Объясняя совпадение

Наблюдавшееся значение плотности энергии вакуума – примерно втрое превосходящее среднюю плотность вещества – в первом приближении соответствовало значениям, которые тремя годами раньше были предсказаны на основе принципа заурядности. Обычно физики считают успешные предсказания сильным доводом в пользу теории. Но в этот раз они не спешили признавать антропную аргументацию. В первые годы после открытия многие физики прикладывали неимоверные усилия в попытках объяснить ускоренное расширение без обращения к антропным аргументам. Самой популярной среди этих попыток была модель квинтэссенции, разработанная Полом Стейнхардтом (Paul Steinhardt) с коллегами.

Идея квинтэссенции состоит в том, что энергия вакуума не постоянна, а постепенно убывает с расширением Вселенной. Ныне она так мала потому, что Вселенная весьма стара. Точнее говоря, квинтэссенция – это скалярное поле, энергетический ландшафт которого будто специально спроектирован для скоростного лыжного спуска (рис. 14.3). Предполагается, что в ранней Вселенной поле было высоко на холме, но к настоящему времени скатилось вниз, что соответствует низкой плотности энергии вакуума.

Недостаток этой модели состоит в том, что она не решает загадку совпадения – почему современная плотность энергии вакуума оказалась сравнимой с плотностью вещества (см. главу 12). Форму энергетического холма можно подобрать так, чтобы это произошло, но это будет простой подгонкой, а не объяснением данных.

C другой стороны, антропный подход предлагает естественное решение. Согласно принципу заурядности, большинство наблюдателей живут в таких областях, где плотность материи сравнялась с космологической постоянной как раз вблизи эпохи образования галактик. Формирование гигантских спиральных галактик, подобных нашей, завершилось в относительно недавнем космологическом прошлом – примерно через несколько миллиардов лет ПБВ. С тех пор плотность вещества стала ниже, чем у вакуума, но не намного (в нашей области – примерно в три раза).

Рис. 14.3. Энергетический ландшафт квинтэссенции.

Несмотря на многочисленные попытки, никакого другого способа правдоподобно объяснить это совпадение предложено не было. Постепенно коллективное сознание физиков стало привыкать к мысли, что антропная картина мира может закрепиться надолго.

За и против

Нетрудно понять, почему многие физики не хотят мириться с антропным объяснением. Стандарты точности в физике очень высоки, можно сказать, неограниченны. Впечатляющий пример дает вычисление магнитного момента электрона. Электрон можно рассматривать как крошечный магнит. Его сила характеризуется магнитным моментом, который впервые вычислил Поль Дирак в 1930-х годах. Результат очень точно согласовывался с экспериментом, но физики вскоре поняли, что имеется небольшая поправка к дираковскому значению, вызванная квантовыми флуктуациями вакуума. В результате началась гонка между теоретиками, которые выполняли все более точные расчеты, и экспериментаторами, измерявшими магнитный момент с все более и более высокой точностью. Самый последний результат измерений дает для поправочного множителя значение 1,001159652188 с погрешностью в последней цифре. Теоретическое значение еще точнее. Удивительно, что согласие между этими двумя величинами наблюдается до 11-го знака после запятой. На самом деле, если бы такого согласия не было, пусть даже расхождение наблюдалось бы только в 11-м знаке, это стало бы сигналом тревоги, указывающим на пробел в нашем понимании электрона.

Антропные предсказания не таковы. Самое большее, на что мы можем надеяться, – это вычислить колоколообразную статистическую кривую. Но даже если рассчитать ее очень точно, мы сможем предсказать только диапазон, в который значение попадет с заданной вероятностью. Дальнейшее совершенствование вычислений не приведет к впечатляющему повышению точности предсказаний. Если наблюдаемая величина попадет в предсказанный интервал, все равно еще надолго останутся сомнения, не произошло ли это в результате чисто случайного совпадения. В случае же промаха можно допустить, что теория все же верна, просто нам довелось оказаться в числе немногих наблюдателей в хвостах колоколообразной кривой.

Неудивительно, что, стоя перед таким выбором, физики не спешат отказываться от своей старой парадигмы в пользу антропной селекции. Но природа уже сделала свой выбор. Мы только должны выяснить, каким он был. Если фундаментальные постоянные меняются от одной части Вселенной к другой, то, нравится нам это или нет, лучшее, что можно сделать, – это дать статистическое предсказание на основе принципа заурядности.

Наблюдаемое значение космологической постоянной – сильный довод в пользу существования колоссального мультиверса. Оно попадает в диапазон значений, предсказанный из антропных соображений, а правдоподобных альтернатив, по-видимому, нет. Конечно, это свидетельство в пользу мультиверса – непрямое и всегда останется таковым. Это дело построено на косвенных уликах, и в нем не предполагается заслушивать свидетелей-очевидцев или изучать орудие преступления. Но если при некотором везении мы сделаем еще несколько удачных предсказаний, то сможем считать дело раскрытым.

Глава 15

Теория Всего

Что меня по-настоящему интересует – мог ли Бог сотворить мир иным, то есть оставляют ли требования логической простоты хоть какую-то свободу.

Альберт Эйнштейн

В поисках окончательной теории

Антропная картина мира держится на предположении, что фундаментальные постоянные могут варьироваться от одного места к другому. Но действительно ли такое возможно? Это вопрос о фундаментальной физической теории: будет ли из нее вытекать один уникальный набор констант или она предоставит более широкий набор возможностей?

Неизвестно, что представляет собой фундаментальная теория, и нет никакой гарантии, что она вообще существует, но поиск окончательной объединенной теории вдохновляет многие современные исследования в области физики элементарных частиц. Есть надежда, что за многочисленностью частиц и различиями четырех фундаментальных взаимодействий стоит единый математический закон, которые управляет всеми первичными явлениями. Из этого закона могут вытекать все свойства частиц, а также законы гравитации, электромагнетизма, сильного и слабого взаимодействий – подобно тому как все теоремы геометрии следуют из пяти аксиом Евклида.

Характер объяснения свойств элементарных частиц, которое физики надеются получить из окончательной теории, хорошо иллюстрируется тем, как квантовая механика объяснила химические свойства элементов. В начале прошлого века атомы считались фундаментальными кирпичиками материи. Каждый тип атомов представляет определенный химический элемент, и химики накопили огромный объем данных о свойствах каждого из них и об их взаимодействии друг с другом. К тому времени было известно 92 различных элемента – для фундаментальных строительных блоков это было многовато. К счастью, работа русского химика Дмитрия Менделеева в конце XIX века открыла некоторые закономерности в этой горе данных. Менделеев упорядочил элементы по возрастанию их атомного веса и заметил, что похожие химические свойства появляются в таблице через равные интервалы. Никто, однако, не мог объяснить, почему элементы следуют этому периодическому шаблону.

К 1911 году стало ясно, что атомы все-таки не являются фундаментальными частицами. Эрнест Резерфорд продемонстрировал, что атом состоит из роя электронов, обращающихся вокруг маленького тяжелого ядра. Количественное объяснение строения атомов получено в 1920-х годах, после создания квантовой механики. Оказалось, что электроны, грубо говоря, образуют вокруг ядра серию концентрических оболочек. Каждая оболочка может содержать не больше определенного числа электронов. С добавлением электронов оболочки постепенно заполняются. Химические свойства атома определяются в основном числом электронов на самой внешней его оболочке. Когда начинает заполняться новая оболочка, свойства элементов меняются аналогично – примерно так, как при заполнении предыдущей оболочки. Этим объясняется периодичность таблицы Менделеева.

В течение нескольких лет казалось, что фундаментальная структура материи наконец понята. Поль Дирак, один из основателей квантовой механики, заявил в статье 1929 года, что “все базовые физические законы, необходимые для построения математической теории большей части физики и всей химии, уже открыты”. Но затем одна за другой стали появляться новые “элементарные” частицы.

Для начала атомные ядра оказались составными, сложенными из протонов и нейтронов, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Затем был открыт позитрон, а за ним мюон. Когда протоны врезаются друг в друга на ускорителях, возникают новые виды короткоживущих частиц. Это вовсе не означает, что протоны состоят из них. Если столкнуть два телевизора, то можно быть уверенным, что разлетающиеся обломки – это части, из которых прежде состояли устройства. Но в случае столкновения протонов некоторые образующиеся частицы будут тяжелее самих протонов. Избыток массы возникает из кинетической энергии их движения. Так что эти эксперименты со столкновениями не раскрывали внутреннее устройство протона, а лишь пополняли зоопарк частиц. К концу 1950-х годов их количество превзошло число известных элементов. Энрико Ферми, один из пионеров физики элементарных частиц, сказал, что если бы он мог запомнить названия всех частиц, то мог бы стать ботаником.

Прорыв, позволивший упорядочить эту хаотичную толпу частиц, совершили независимо друг от друга в начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Манн из Калтеха и Ювал Нееман (Yuval Ne’eman), израильский офицер, который ушел в отставку для завершения своей диссертации по физике. Они заметили, что все сильно взаимодействующие частицы подчиняются определенной симметрии. Позднее Гелл-Манн и – независимо – Георг Цвейг (George Zweig) из ЦЕРНа показали, что эту симметрию можно объяснить, если считать все частицы состоящими из более фундаментальных строительных блоков, которые Гелл-Манн назвал кварками. Это сократило количество элементарных частиц, но не радикально: кварки бывают трех “цветов” и шести “ароматов”, так что имеется 18 кварков и столько же антикварков. В 1969 году за открытие симметрии сильно взаимодействующих частиц Гелл-Манн получил Нобелевскую премию.

Параллельно с этим схожая симметрия обнаружилась и для частиц, участвующих в слабом и электромагнитном взаимодействиях. Ключевую роль в формулировании этой электрослабой теории сыграли гарвардские физики Шелдон Глэшоу (Sheldon Glashow) и Стивен Вайнберг, а также пакистанский физик Абдус Салам. За эту работу они разделили Нобелевскую премию 1979 года. Классификация частиц в соответствии с симметриями играет роль, аналогичную периодической таблице в химии. Вдобавок было выявлено три типа частиц-переносчиков для трех фундаментальных взаимодействий: фотоны для электромагнитных сил, W- и Z-частицы для слабого взаимодействия и 8 глюонов для сильного. Все эти ингредиенты легли в основу Стандартной модели физики элементарных частиц.

Разработка Стандартной модели была завершена в 1970-е годы. Получившаяся теория дала точную математическую схему, которая могла использоваться для определения результатов столкновения любых известных частиц. Эта теория проверена в бесчисленных экспериментах на ускорителях, и на сегодня она подтверждается всеми имеющимися данными. Стандартная модель предсказала свойства W- и Z-частиц, а также дополнительных кварков – все они были позднее открыты. По любым меркам это феноменально успешная теория.

И все же Стандартная модель очевидно слишком громоздкая, чтобы признать ее окончательной теорией. Модель включает более 60 элементарных частиц – не слишком большой шаг вперед по сравнению с числом элементов таблицы Менделеева. В модели 19 настраиваемых параметров, которые должны выводиться из экспериментов, но с позиций теории их значения совершенно произвольны. Более того, одно важнейшее взаимодействие – гравитация – осталось за бортом этой модели. Успех Стандартной модели говорит о том, что мы на правильном пути, но ее недостатки указывают, что поиск должен продолжаться.