Десятилетия поразительных экспериментов заставили физиков задуматься над ошеломляющей возможностью: не исключено, что наша вселенная случайна

Пасмурным апрельским днем преподаватели физики и студенты собрались в обитом деревянными панелями лекционном зале Колумбийского университета, чтобы послушать выступление известного теоретика Нимы Аркани-Хамеда (Nima Arkani-Hamed), который приехал из Института перспективных исследований соседнего Принстона. Заложив за уши свои длинные, до плеч темные волосы, Аркани-Хамед рассказал о неоднозначных, кажущихся противоречивыми последствиях европейского эксперимента с Большим адронным коллайдером.

«Вселенная неизбежна, - объявил он. – Вселенная невозможна».

Открытие бозона Хиггса в июле 2012 года подтвердило возникшую почти полвека тому назад теорию о том, как элементарные частицы обретают массу, позволяющую им формировать такие большие структуры, как галактики и человек. «То, что обнаружили его примерно там, где и ожидали обнаружить, стало триумфом данного эксперимента. Это триумф теории и доказательство того, что физика действительно работает», - сказал собравшимся Аркани-Хамед.

Но чтобы соотнести бозон Хиггса с массой (или с эквивалентной энергией), которую он должен был иметь согласно данным эксперимента, Большой адронный коллайдер должен был также найти кучу других частиц. Но ничего не нашел.

Поскольку обнаружить удалось всего одну частицу, эксперименты на Большом адронном коллайдере лишь углубили серьезную проблему физики, которая формировалась и вызревала долгие годы. Похоже, что современные уравнения улавливают реальность с поразительной точностью, правильно предсказывая значения многих констант природы и существование таких частиц, как бозон Хиггса. Но некоторые постоянные величины, включая массу бозона Хиггса, экспоненциально отличаются от тех значений, которые дают нам проверенные и надежные законы. Они полностью исключают любые шансы на существование жизни – если только вселенная не формируется в соответствии с какими-то необъяснимыми тонкими настройками и исключениями.

В опасности оказалось мечтательное представление Альберта Эйнштейна о «естественности», о том, что законы природы величественны, прекрасны, неотвратимы и самодостаточны. Без такой концепции физики сталкиваются с грубой перспективой, гласящей, что эти законы являются просто произвольным, неупорядоченным результатом случайных флуктуаций в измерениях времени и пространства.

Коллайдер снова начнет крушить протоны в 2015 году, и это будет последняя попытка найти ответы на вопросы. Но в своих работах, беседах и интервью Аркани-Хамед и многие другие ведущие физики уже рассматривают возможность  того, что вселенная может быть противоестественной. (Но между ними есть масса разногласий по поводу того, как это доказать.)

«Десять или двадцать лет назад я твердо верил в естественность, - заявил теоретический физик Натан Сейберг (Nathan Seiberg) из Института перспективных исследований Принстона, где Эйнштейн преподавал с 1933 года вплоть до своей смерти в 1955 году. – Сейчас я уже не так в этом уверен. Надеюсь, что есть нечто такое, о чем мы пока не подумали, какой-нибудь другой механизм, объясняющий все эти вещи. Но я просто не понимаю, каким может быть этот механизм».

Физики заявляют, что если вселенная противоестественна, и имеет крайне невероятные фундаментальные константы, делающие возможной жизнь, то может существовать и великое множество других вселенных, о чем мы пока не подозреваем. Если нет, то почему нам так повезло? Противоестественность нашей вселенной дает мощный импульс гипотезе о множественной вселенной (мультивселенной), которая постулирует, что наша вселенная - это лишь один пузырек в бесконечной и непостижимой пене. Согласно популярной, но вызывающей глубокие противоречия теории струн, количество возможных типов вселенных, которые могут всплыть пузырем в мультивселенной, составляет примерно 10500. В некоторых типах случайные отклонения производят на свет те странные постоянные величины, которые мы наблюдаем.

При таком раскладе не все в этой вселенной является  неизбежным. Возникают элементы непредсказуемости. Сторонник теории струн из Института перспективных исследований Эдвард Уиттен (Edward Witten) написал по электронной почте следующее: «Я лично был бы счастлив, окажись трактовка мультивселенной некорректной, отчасти из-за того, что она может ограничить наше понимание законов физики. Но когда создавалась вселенная, никто с нами не советовался».

«Некоторым людям это ненавистно, - сказал физик из Калифорнийского университета Беркли Рафаэль Буссо (Raphael Bousso), помогавший разрабатывать сценарий множественной вселенной. – Но я думаю, нам нельзя заниматься анализом на основе эмоций. Это логическая возможность, которой все больше отдается предпочтение в отсутствие естественности на Большом адронном коллайдере».

Обнаруженное или не обнаруженное коллайдером при следующем его запуске подтвердит одну из двух возможностей. Либо мы живем в чрезвычайно сложной, но автономной вселенной, либо мы населяем атипичный пузырь в мультивселенной. «Благодаря коллайдеру лет через 5-10 мы станем намного умнее, - говорит Сейберг. – Поэтому это так интересно и захватывающе. Все это в пределах досягаемости».

Космическое совпадение

Эйнштейн как-то написал, что у ученого «религиозное чувство принимает форму восторженного изумления гармонией закона природы», и что «это чувство является  направляющим принципом в его жизни и работе». Действительно, весь двадцатый век существовала глубокая вера в гармонию законов природы, вера в «естественность», которая была надежным проводником в поисках истины.

«У естественности есть своя история и хронология», - сказал Аркани-Хамед во время интервью. На практике это выражается в требовании того, что физические константы (масса частиц и прочие фиксированные величины во вселенной) должны появляться непосредственно из законов физики, а не на основе каких-то невероятных исключений или отмен этих законов. Время от времени, когда какая-то постоянная величина казалась подстроенной,  будто ее первоначальное значение набрали каким-то магическим образом для уравновешивания всех прочих эффектов, физики начинали подозревать, что упустили что-то. Они искали и неизбежно находили какую-нибудь частицу или свойство, которое указывало на константу, устраняя необходимость в отмене подстроенного значения.

Но похоже, что на сей раз самоисцеляющие силы вселенной дают сбои. Бозон Хиггса имеет массу 126 гига-электрон-вольт, однако взаимодействие с другими известными частицами должно прибавлять к его массе около 10000000000000000000 гига-электрон-вольт. А это значит, что «чистая масса» бозона, или начальное ее значение до воздействия других частиц оказывается ничтожно малой частью от этой астрономической цифры, результатом чего становится потеря значащих цифр, оставляющая лишь намек на бозон Хиггса - 126 гига-электрон-вольт.

Физики прошли через три поколения ускорителей элементарных частиц в поисках новых частиц, о которых говорится в теории суперсимметрии. Эта теория уменьшает массу бозона Хиггса ровно настолько, насколько известные частицы ее увеличивают. Но пока ученые остаются с пустыми руками.

Усовершенствованный Большой адронный коллайдер при следующем своем запуске будет исследовать намного более высокую шкалу энергии. Но даже если новые частицы удастся обнаружить, они наверняка будут слишком тяжелыми и не смогут абсолютно правильно влиять на массу бозона Хиггса. Похоже, что он как минимум в 10 или 100 раз легче. Физики не пришли к единому мнению о том, приемлемо ли это в естественной, стоящей особняком вселенной. «Немного подстроить – и может, это как-то произойдет», - говорит профессор Гарвардского университета Лайза Рэндолл (Lisa Randall). Но по мнению Аркани-Хамеда, «немного подстроенный - это все равно что немного беременная. Такого просто не бывает».

Если не появятся новые частицы, и бозон Хиггса останется астрономически подстроенным, то гипотеза о мультивселенной выйдет на передний план. «Это не значит, что она правильная, - замечает Буссо, многие годы отстаивающий эту гипотезу, - но это значит, что данный вариант оптимальный».

Некоторые физики, включая Джо Ликкена (Joe Lykken) из Национальной лаборатории ускорителей им. Ферми и Алессандро Струмиа (Alessandro Strumia) из Пизанского университета в Италии, видят и третий вариант. На их взгляд, физики могли неверно измерить воздействие других частиц на массу бозона Хиггса, а при других подсчетах его масса кажется естественной. Но такая «модифицированная естественность» начинает давать сбои, когда в расчеты включаются такие дополнительные частицы, как неизвестные составляющие темной материи. Однако этот неортодоксальный путь может породить и другие идеи. «Не хочу выступать в роли адвоката, я просто хочу обсудить последствия», - сказал недавно Струмиа во время разговора в Национальной лаборатории Брукхейвена.

Тем не менее, модификацией естественности не решить еще более масштабную проблему естественности, которая существует в физике. Эта проблема заключается в том, что вселенная не была мгновенно уничтожена собственной энергией после Большого взрыва.

Мрачная дилемма

Энергия, встроенная в вакуум пространства (она известна как вакуумная энергия, темная энергия или космологическая постоянная), в триллионы триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов триллионов раз меньше расчетного естественного значения. Сегодня нет никакой теории, естественным образом объясняющей столь чудовищное несоответствие. Но предельно ясно, что космологическая постоянная должна быть очень точно настроена, чтобы не дать вселенной быстро взорваться или сжаться в точку. Она должна подстраиваться, чтобы у жизни был шанс.

Чтобы объяснить столь абсурдную полосу везения, космологические круги в последние десятилетия все активнее задействуют идею о мультивселенной, которая из Золушки научной мысли превращается в господствующую тенденцию. В 1987 году доверие к ней резко повысилось, когда нобелевский лауреат физик Стивен Вайнберг (Steven Weinberg), ныне работающий профессором в Техасском университете в Остине, рассчитал, что космологическая постоянная нашей вселенной в сценарии с мультивселенной вполне ожидаема. Из числа вселенных, способных поддерживать жизнь (естественно, из числа тех, которые можно наблюдать), наша вселенная настроена на это в наименьшей степени. «Если бы космологическая постоянная была намного больше наблюдаемого значения, скажем, раз в десять, то у нас бы не было галактик, - объясняет специалист по космологии и сторонник теории мультивселенной  из университета Тафтса  Александр Виленкин. – Трудно себе представить, как в такой вселенной могла бы существовать жизнь».

Большинство физиков, занимающихся элементарными частицами, надеялись на то, что будет найдено более доступное для экспериментальной проверки решение проблемы космологической постоянной. Но его не нашли. Теперь, говорят они, противоестественность бозона Хиггса повышает значимость противоестественности космологической постоянной. Аркани-Хамед даже считает, что эти вопросы связаны между собой. «У нас отсутствует понимание основополагающего и экстраординарного факта нашей вселенной, - говорит он. – Она большая, и в ней полно больших вещей».

В 2000 году теория о мультивселенной превратилась в нечто большее, чем в гипотезу, от которой все отмахивались. В этом году Рафаэль Буссо и профессор теоретической физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Джо Полчински (Joe Polchinski) нашли механизм, который мог дать толчок гипотезе параллельных вселенных. Теория струн, эта гипотетическая теория «всего на свете», в которой элементарные частицы рассматриваются как маленькие и невидимые вибрирующие линии, утверждает, что пространственно-временной континуум является десятимерным. По своей человеческой шкале мы ощущаем всего три измерения пространства и одно – времени. Однако «струнные теоретики» утверждают, что есть еще шесть измерений, которые тесно связаны в каждой точке нашей четырехмерной реальности. Буссо и Полчински посчитали, что для этих шести измерений существует примерно 10500 различных способов связи (и все они имеют разное количество энергии). Соответственно, появляется невообразимое разнообразие возможных вселенных. Иными словами,  естественность не нужна. Единой, неизменной и идеальной вселенной просто не существует.

«Для меня это стало озарением, моментом эврики», - заявил Буссо. Но ученые возмутились и разгневались.

«Физики элементарных частиц, особенно сторонники теории струн, лелеяли эту свою мечту об уникальном прогнозировании всех постоянных величин во вселенной, - объяснил он. – Все у них получалось из математики, все делилось на два, и было постоянное число пи. А тут заявляемся мы и говорим: "Глядите, так быть не может, и нет причин, чтобы было так. Вы думали об этом совершенно неправильно"».

Жизнь в мультивселенной

Согласно мультивселенскому сценарию Буссо-Полчински, Большой взрыв - это флуктуация. Компактный шестимерный узел, составляющий один стежок в ткани действительности, внезапно меняет форму, высвобождает энергию и создает пространственно-временной пузырь. Свои свойства эта новая вселенная обретает случайно, и они определяются количеством энергии, выброшенной во время флуктуации. Подавляющее большинство  вселенных, обретающих существование таким способом, наполнено вакуумной энергией. Они расширяются или стягиваются в точку с такой скоростью, что жизнь в них просто не может появиться. Но есть некоторые атипичные вселенные, в которых невероятное замедление выдает крошечное значение для космологической постоянной. Такие вселенные во многом похожи на нашу.

В прошлом месяце Буссо и его университетский коллега Лоренс Холл (Lawrence Hall) написали статью для сайта по физике arXiv.org, где часто размещают свои сигнальные экземпляры ученые. В ней они утверждают, что масса бозона Хиггса в мультивселенском сценарии тоже имеет смысл. Они обнаружили, что вселенные-пузыри, содержащие достаточное количество видимой материи для поддержания жизни (по сравнению с  темной материей), чаще всего имеют суперсимметричные частицы, находящиеся вне энергетического диапазона Большого адронного коллайдера и подстроенного бозона Хиггса. Аналогичным образом другие физики в 1997 году показали, что если бы бозон Хиггса был в пять раз тяжелее, чем он есть на самом деле, то это помешало бы формированию атомов, кроме атомов водорода. В итоге у нас пусть иным способом, но тоже была бы безжизненная вселенная.

Несмотря на эти вроде бы вполне успешные объяснения, некоторых физиков тревожит то, что приняв теорию мультивселенной, мы мало что получим от этого. Параллельные вселенные невозможно обнаружить экспериментальным путем. Но еще хуже то, что противоестественные вселенные не поддаются пониманию. «Без естественности мы утратим мотивы для изучения новой физики, - говорит Кфир Блюм (Kfir Blum) из Института перспективных исследований. – Мы знаем, что она существует, но у нас не будет весомых аргументов в пользу ее поисков». Ему вторят и другие ученые. «Я бы предпочла, чтобы вселенная была естественной», - говорит Лайза Рэндолл.

Но теории произрастают из мозгов физиков. Привыкнув за десять с лишним  лет к идее множественной вселенной, Аркани-Хамед сегодня находит ее вполне правдоподобной, считая, что это приемлемый способ для понимания нашего мироустройства. «Что касается меня, то как мне кажется, любой результат, полученный на коллайдере, с разным ускорением направит нас по одному из этих расходящихся путей, - говорит он. – А выбор такого рода очень и очень важен».

Естественность может преодолеть все трудности. Либо же она может стать ложной надеждой в нашем странном, но вполне комфортном пузыре вселенной.

Как сказал Аркани-Хамед своим слушателям в Колумбийском университете, «следите за новостями».