Сабина Хоссенфельдер. Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик. М.: Бомбора, 2021. Содержание
Эпоха развитого сциентизма
Безусловно красив Большой адронный коллайдер (БАК), располагающийся на стометровой глубине в долине Женевского озера на границе Швейцарии и Франции. Его строительство обошлось почти в 6 млрд долларов (196 млн за километр). При этом еще изрядно сэкономили, поскольку БАК разместили в тоннеле его предшественника — Большого электрон-позитронного коллайдера, прекратившего работу аккурат в миллениум, в 2000 году. В кольцевом 16-мильном тоннеле БАКа на бешеных скоростях разгоняются и сталкиваются протоны (около миллиарда протон-протонных столкновений в секунду). Параллельно этому до 2011 года в городе Батавия неподалеку от Чикаго (штат Иллинойс) работал другой коллайдер — кольцевой ускоритель Тэватрон (на его строительство потратили 120 млн долларов по тогдашнему курсу).
Придет время, и БАК заменит Будущий кольцевой коллайдер со 100-километровым тоннелем и бюджетом в 15 млрд евро. Для разгона и столкновения протонов и тяжелых ионов он будет вырабатывать энергию до 100 тераэлектронвольт (энергия БАК — 14 тераэлектронвольт).
В Китае к 2030 году планируют модернизировать существующий электрон-позитронный ускоритель (Circular electron positron collider — CEPC) до протон-протонного — и уже приготовили для этого 5 млрд долларов.
Стоп, горшочек, не вари. Дай сначала разобраться, зачем человечеству такие дорогостоящие экспериментальные «лунапарки».
Ну, во-первых, это красиво. Во-вторых — вот подробности, но зайти придется издалека.
Горы крышек и кастрюль
В начале 1970-х сотрудник теоретического отдела Физического института имени П. Н. Лебедева Академии наук СССР Юрий Гольфанд и его аспирант Евгений Лихтман впервые заговорили о суперсимметрии. Советские ученые создали математический аппарат теории, будоражащей умы и пожирающей бюджеты десятилетие за десятилетием. Физики и математики жаждут экспериментального подтверждения суперсимметрии (supersymmetry — SUSY), которая делает невозможное возможным.
Симметрия — это то, что переводит систему саму в себя. Можно как угодно вращать шар, он всегда будет шаром (непрерывная симметрия), а вот куб займет прежнее положение только после поворота на 90 градусов (дискретная симметрия).
Симметрия не только красива, но и практична. Многое удалось понять о мире элементарных частиц, занимаясь выявлением и классификацией их симметрий (можно сказать, что частицы организуются в «семейства», связанные определенными симметриями). Так, в атомном ядре есть протоны и нейтроны. Первые заряжены положительно, вторые не заряжены никак. Если забыть на время про электрон, то протон и нейтрон становятся настолько похожими, что замену одного на другой можно описать как некий симметричный «поворот» пары в некоем вымышленном, вспомогательном пространстве (не физическом). Это и есть симметрия.
Таким образом, протон и нейтрон оказываются взаимозаменяемыми. И не только в вымышленном пространстве, но и во вполне реальном — например, в ядерных реакциях.
Если вы едете в автобусе, а напротив вас сидят два человека в одинаковой форме или, не приведи Господь, вас ведут под руки два санитара, то в данных обстоятельствах, если пренебречь их индивидуальными особенностями, эти двое покажутся вам идентичными и взаимозаменяемыми — как протон и нейтрон.
Как Белка и Стрелка, Содом и Гоморра, Бивис и Баттхед, Сцилла и Харибда, Лелек и Болек, Розенкранц и Гильденстерн, Гаргантюа и Пантагрюэль, Винтик и Шпунтик, Гог и Магог, Траляля и Труляля, мисс Мурпл и мисс Бурпл, а также населенные пункты Вилларибо и Виллабаджо в первом приближении. Все это про симметрию (правда, про неточную, поскольку разница все же есть).
Существуют симметрии во вспомогательном пространстве и симметрии в реальном — их считывают и пытаются классифицировать математически. Принципиальнейший момент — эти симметрии нельзя переносить, нельзя заставить «коммуницировать» друг с другом, нельзя слить вместе симметрию в обычном пространстве и ту, что во вспомогательном. Это доказано математически. А говоря о математике, нужно понимать: если что-то доказано математически, оно останется таковым всегда. Теорема Пифагора уже примерно 2 500 лет теорема Пифагора (но в теореме могут меняться условия, поэтому могут быть нюансы).
Революционный потенциал SUSY в том, что она — говоря грубее некуда — нарушила запрет на «коммуникацию» симметрий обычного и вспомогательного пространств. Поэтому она и называется суперсимметрией.
Мир держится на мизантропах
«Самый важный урок <...> состоит в том, что природа играет по правилам математики. В физике теории сделаны из математики. Мы прибегаем к математике не потому, что хотим отпугнуть тех, кто не знаком с дифференциальной геометрией или градуированными алгебрами Ли, мы используем ее, ибо глупы. Математика заставляет нас быть честными — не дает нам соврать ни самим себе, ни друг другу. С математикой вы можете ошибаться, но не лгать».
Все частицы делятся на бозоны и фермионы. Фермионы — радикальные мизантропы, им противна сама мысль о том, что рядом могут находиться им подобные. Они всегда на дистанции друг от друга. Бозоны — ровно наоборот. Если толпа бозонов придет на футбольный матч, им будет достаточно купить всего один билет, поскольку все они усядутся на одно место и будут отлично себя чувствовать.
Электроны, будучи фермионами, находятся на разных оболочках вокруг атомного ядра. Если бы они были бозонами, они сидели бы на одной оболочке и не было бы ни футбола, ни кассиров, ни стадионов, ни нашего мира, поскольку материя состоит из фермионов. Но бозоны тоже чрезвычайно важны, поскольку выполняют функцию переносчиков взаимодействий. Луч света может быть сколь угодно интенсивным, поскольку фотоны — это бозоны, им не тесно вместе в такой куча-мале.
Так вот, суперсимметрия говорит, что законы природы не меняются при замене бозонов на фермионы. И наоборот. Но пока только в теории.
«Это означает, что каждый бозон должен иметь фермионного партнера, а всякий фермион — бозонного. <...> Поскольку никакие из уже известных частиц не подходят друг к другу таким образом, мы заключили, что среди них нет суперсимметричных пар, зато нужно ждать открытия новых частиц. Словно у нас есть гора кастрюль и крышек и мы убеждены, что недостающие предметы определенно должны быть где-то рядом».
Ну или как в неподцензурном анекдоте про поручика Ржевского и его бравых коллег, которые договорились не сквернословить на балу и вообще вести себя исключительно прилично. И вот в комнату, где в ожидании начала бала сидит Ржевский с компанией, входит горничная: «Господа, у нас четырнадцать подсвечников, но пятнадцать свечей. Никак не возьму в толк, куда мне деть оставшуюся свечу?». Тут Ржевский вскакивает и орет: «Гусары, молчать!»
Тонкие струнки
Ученые долго думали, что у коллайдера есть неплохие шансы засечь суперсимметрию или частицы темной материи, а также добавить немного ясности к струнной теории, развивающейся исключительно за счет математики — то есть рафинированного логического анализа.
«Непрерывное подлаживание специалистов по теории струн под противоречащие данные стало настолько курьезным, что многие физические факультеты держат у себя нескольких таких ученых, поскольку общественность любит слушать об их героических попытках объяснить все. <...> Теория струн привлекательна, потому что создает рабочие места. А почему теория струн предоставляет так много рабочих мест? Потому что теория струн малозатратна. Если вы возглавляете факультет физики в какой-нибудь глубинке, располагая весьма скромными средствами, то у вас нет возможности оборудовать современную лабораторию для занятий экспериментальной физикой, но вы можете позволить себе нанять парочку специалистов по теории струн. Выделяете для них несколько рабочих мест — и вот у вас уже современный факультет физики», — пишет Сабина Хоссенфельдер.
Однако до сегодняшнего дня никакие суперпартнеры никогда не наблюдались и никаких доказательств SUSY обнаружено не было — ни на Большом электрон-позитронном коллайдере, ни на Тэватроне, ни на БАК. Был обнаружен бозон Хиггса, да и вообще вроде как все было не зря, но очарование красотой теоретических выкладок сегодня все чаще сменяется разочарованием.
«Люди, которые были убеждены, что суперсимметрия проявится, теперь уверены, что этого не будет. Сейчас есть те, кто говорит, что они подавлены, встревожены или напуганы. Да кому не плевать на вас и вашу маленькую жизнь? Кроме вас самих, конечно. <...> Кому какое дело, что вы чувствуете? Кого волнует, что вы потратили на это сорок лет своей жизни? Никто и не обещал розового сада. Это рисковое дело. Хочешь определенности — занимайся чем-то другим», — говорит физик-теоретик Нима Аркани-Хамед, один из героев книги.
Аркани-Хамед рассуждает о так называемой расщепленной суперсимметрии — вариант SUSY, при котором некоторые из ожидаемых суперпартнеров настолько тяжелы, что находятся вне досягаемости Большого адронного коллайдера. Это объясняет, почему они до сих пор не обнаружены. Но тогда, чтобы разобраться с проблемной массой бозона Хиггса, расщепленная суперсимметрия нуждается в тонкой настройке — а это не только некрасиво, но и признак того, что дело дрянь.
«Физики не любят численных случайностей, которые требуют очень больших чисел. А поскольку величина, обратная очень большому числу, есть число очень маленькое, а значит, одно может быть преобразовано в другое, физики не любят и очень маленькие числа. В общем, они не жалуют числа, сильно отличающиеся от 1.
Однако беспокоятся физики только о величинах без единиц измерения — „безразмерных” величинах, в противоположность „размерным”, имеющим единицы измерения. А все потому, что значения величин, имеющих размерность, по сути своей бессмысленны, ведь они зависят от выбора единиц измерения. Действительно, при помощи подходящих единиц измерения любую величину, имеющую размерность, можно сделать равной 1. Скажем, скорость света равна 1 в световых годах в год. Поэтому-то, когда физики волнуются о числах, тревогу у них вызывают лишь „безразмерные” величины, такие как отношение масс бозона Хиггса и электрона, которое оказывается примерно равным 250 000:1».
Сабина Хоссенфельдер считает, что такое стремление к естественности — не математический критерий, а эстетический. За подробностями отсылаем к первоисточнику.
Прелестные и очарованные кварки
«Первое правило изобретения новой частицы звучит так: вам нужна уважительная причина, почему эта частица еще не была обнаружена. Вы можете постулировать, что для ее рождения нужна слишком большая энергия, или что эта частица взаимодействует слишком редко — и чувствительности существующих детекторов просто не хватает, или и то, и другое. Схоронить новые частицы подальше, на высоких энергиях, особенно модно в физике высоких энергий».
Начало этому тренду положил в 1930 году Вольфганг Паули: в отчаянной попытке объяснить потерю энергии при радиоактивном распаде он предположил существование неизвестной электрически нейтральной частицы — нейтрино. «Я сделал сегодня что-то ужасное. Я выдвинул гипотезу, которую никогда нельзя будет подтвердить или опровергнуть экспериментально», — исповедовался Паули своему коллеге, астроному Вальтеру Бааде. Нейтрино экспериментально обнаружили через 26 лет, еще при жизни Паули.
С тех пор постулирование новых частиц физиками-теоретиками стало занятием распространенным. Не сказать, что открытие новых персонажей для такой «книги вымышленных существ» стало рутиной, но мы уже можем почитать, например, про преоны, сфермионы, дионы, магнитные монополи, симпы, вимпы, вимпзиллы, аксионы, гигантские магноны, максимоны, скирмионы, стерильные нейтрино, про теоретическую физику «нечастиц». Не все гипотетические частицы имеют устоявшиеся названия на русском, на что указывает переводчик «Уродливой Вселенной» (книга на языке оригинала, кстати, имеет менее хайповое название — Lost in Math). И дополняет бестиарий предположительно флаксионами (англ. flaxions), эребонами (erebons), бранонами (branons), кускутонами (cuscutons), планконами (planckons) и «рогами изобилия» (cornucopions) — пишут о таких наши соотечественники.
Никто никогда названные частицы не встречал, хотя их свойства описаны во множестве научных статей.
А с кем мы живем? Согласно Стандартной модели элементарных частиц, известные нам представители «фауны» микромира классифицируются по калибровочным симметриям. Фермионы сильного ядерного взаимодействия — это кварки, их шесть: нижний, верхний, странный, очарованный, прелестный и истинный.
Стандартная модель физики элементарных частиц. Рисунок из книги «Уродливая Вселенная» (с.71)
Кварки взаимодействуют посредством восьми безмассовых глюонов — калибровочных бозонов сильного ядерного взаимодействия. Оставшиеся фермионы зовутся лептонами, их тоже шесть: электрон, мюон и тау-лептон (с зарядами —1) и соответствующие нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино (электрически нейтральные).
Фермионы подразделяются на три поколения — можно сказать, ранжируются по массе. Поколения разбивают фермионы на подмножества, обязательно содержащие одинаковое количество кварков и лептонов (иначе Стандартная модель не была бы согласованной).
Помимо фермионов (кварков и лептонов) и калибровочных бозонов, в Стандартной модели есть еще только одна частица — бозон Хиггса, уже упоминавшийся. Он обладает массой, не является калибровочным бозоном и электрически нейтрален. Его задача — придавать массу фермионам и тем калибровочным бозонам, которые ею обладают.
«Разочарованы, что все так уродливо?» — спрашивает Сабина Хоссенфельдер.
Братья Богдановы vs Сокал
В 1996 году Алан Сокал пошутил, отправив в журнал Social Text заведомо резонерскую статью «Нарушая границы: к трансформативной герменевтике квантовой гравитации». Редакторы журнала не распознали наукообразную шляпу и опубликовали текст, «обильно приправленный полной чепухой», как выразился позже сам Сокал в Lingua Franca. Пусть это и несвязанные истории, но ответ Чемберлена последовал позже от популяризаторов науки братьев Богдановых, которых обвинили в том, что серия опубликованных ими работ по теоретической физике — преднамеренная мистификация, направленная на устранение слабых мест в системе рецензирования научных журналов.
С тех пор философы и физики косятся друг на друга (не все, конечно).
По мнению почетного профессора Кейптаунского университета Джорджа Эллиса, «есть философы, которые с научной точки зрения несут чепуху», но в принципе выстраивать рабочие отношения с философами необходимо, поскольку «занимаясь физикой, вы всегда используете философию как основу» (он приводит в пример Джереми Баттерфилда, Тима Модлина и Дэвида Алберта как «очень грамотных в том, что касается взаимоотношений между наукой и философией»).
«Одна из основных причин, по которым люди отвергают науку, связана с тем, что такие ученые, как Стивен Хокинг, Лоуренс Краусс и другие, утверждают, будто наука доказывает, что Бога не существует и тому подобное. А ведь наука не в силах это доказать. <...> Дэвид Юм уже сказал 250 лет назад, что наука не может ни доказать, ни опровергнуть существование Бога. Он был очень аккуратным философом, и ничего с тех пор в этом отношении не изменилось», — говорит Джордж Эллис.
В середине 1970-х вместе со Стивеном Хокингом Джордж Эллис написал монографию «Крупномасштабная структура пространства-времени». Эта книга считается классической работой по общей теории относительности. На русском ее впервые издали в 1977-м, а в 1998 году она вышла в серии «Шедевры мировой физико-математической литературы».
«Сейчас есть физики, которые говорят, что нам не нужно подвергать их идеи проверке, ведь эти идеи так хороши. Они говорят — открыто или косвенно, — что хотят ослабить требование, согласно которому теории должны подвергаться проверке. По-моему, это шаг назад на тысячу лет», — отмечает Джордж Эллис в беседе с Сабиной Хоссенфельдер.
Американский философ науки Тим Модлин, упомянутый ранее Джорджем Эллисом, считает, что «физика нуждается в философии», так как «философский скептицизм сосредотачивается на концептуально слабых местах в теориях и аргументах».
«Превосходно. Но, черт возьми, где вы были? Где были вы двадцать лет назад, десять? Где вы были, пока мы вгоняли себя в этот бардак? — вопрошает Сабина Хоссенфельдер. — Сегодня большинство проблем в основаниях физики — философские вопросы <...> Следует ли нам обращать внимание на численные совпадения? Оправданно ли вообще использовать эстетическое восприятие, чтобы оценивать законы природы? <...> И раз ученые штампуют гипотезы сотнями, чтобы печатные станки не простаивали, какие есть хорошие критерии для оценки перспективности этих идей? <...> Впрочем, это также означает, что по мере развития науки и расширения нашего знания пространство для философии неминуемо сокращается. Как и хорошие психологи, хорошие философы науки достигают цели тогда, когда оказываются ненужными».