Рис. 2. Оболочечная модель атома, в которой электроны (e) располагаются на отдельных оболочках вокруг атомного ядра, состоящего из протонов (p) и нейтронов (n). Это пример разделения масштабов. Что делают частицы внутри ядра – не влияет на электронные оболочки и химические свойства атома.
Интуитивно вы всю свою жизнь знали: что бы ни делали нейтроны внутри атомов, все это не может быть таким уж важным, иначе вы бы об этом слышали. Однако по существу подобное отсутствие влияния совершенно поразительно. Учитывая превеликое множество отдельных компонентов, почему вся эта подструктура атома не порождает поведение, которое чрезвычайно сложно объяснить? Почему все атомы так похожи? Многочисленные частицы, из которых те состоят, каждая занимается своим делом, однако же атомы подчиняются удивительно простым законам – настолько простым, что атомы могут быть четко сгруппированы в периодической таблице, построенной исключительно на структуре электронных оболочек.
Похоже, природа безмерно доброжелательно относится к нашей жажде понять. Что бы ни происходило в ядре – остается в ядре; мы видим только суммарный эффект. Некоторые атомы связываются с водородом, другие нет – но то, что конкретно происходит в ядре, не имеет отношения к этой связи. Одни атомы формируют правильные кристаллические решетки, другие нет – и то, что творится в ядре, не влияет на строение кристаллической решетки.
Наша возможность игнорировать, что конкретно происходит с отдельными компонентами, относится не только к атомам. Свойства сложных частиц, таких как нейтроны и протоны, также почти не замечают движения их составляющих – кварков и глюонов. И когда мы описываем, например, как атомы шпыняют пыльцевые зерна на поверхности воды (броуновское движение), достаточно думать об атомах как о самостоятельных частицах и просто не учитывать, что они содержат что-то более мелкое. На еще больших масштабах все то же: планетные орбиты не зависят от строения планет, а – отодвигаемся еще дальше – на космологических масштабах даже с галактиками можно обращаться словно с частицами без составных элементов.
Это не значит, что происходящее на коротких расстояниях не оказывает вообще никакого влияния на то, что происходит на бо́льших, – просто детали не очень важны. Бо́льшие объекты состоят из меньших, и законы для более крупных вытекают из законов для более мелких. Неожиданность в том, что законы для крупных объектов столь просты.
Получается, значительная доля информации от меньших объектов не нужна для понимания более крупных. Мы говорим, что физика на коротких расстояниях «разъединяется» с физикой на бо́льших расстояниях, или что «масштабы разделяются». Это разделение масштабов и служит причиной, по которой вы можете идти по жизни, не зная ровным счетом ничего о кварках и бозоне Хиггса или – к ужасу профессоров физики во всем мире – не ведая, что представляет из себя квантовая теория поля.
Разделение масштабов имеет важные последствия. Оно означает, что мы можем сформулировать приблизительные законы природы, с неплохой точностью описывающие систему на некоем данном разрешении, а затем вносить в эти законы поправки по мере увеличения разрешения. Приблизительные законы, подходящие лишь для определенного разрешения, называются «эффективными».
При уменьшении разрешения, таким образом, часто целесообразно приспосабливаться к объектам, с которыми имеет дело теория, а также к свойствам, что мы им приписываем. При более низких разрешениях осмысленнее объединять в теории множество мелких компонентов в один объект побольше, присваивать этому крупному объекту имя и задавать его свойства. Вот как нам удается говорить об атомах и их оболочечной структуре, о молекулах и их колебательных модах, о металлах и их электропроводности – даже несмотря на то, что в базовой теории нет никаких атомов, нет металлов с их электропроводностью, а есть только элементарные частицы.
Стало быть, каждый уровень разрешения имеет свой собственный язык – формулировки, наиболее удобные на этом уровне. Мы называем такие зависящие от разрешения объекты и их свойства «эмерджентными». Процесс, который увязывает теорию на коротких расстояниях с теорией на больших расстояниях, именуется «огрублением» (coarse-graining, рис. 3).
Рис. 3. Иллюстрация огрубления. Объекты при низком разрешении и законы для них (уровень 1) могут быть описаны через объекты и законы при среднем и высоком разрешении (уровни 2 и 3), но не наоборот. Уровни с более низким разрешением возникают из уровней с более высоким разрешением.
Понятие «эмерджентный» противоположно понятию «фундаментальный», означающему, что объект дальше уже нельзя разложить на составные части, а его свойства – вывести из более точной теории. Фундаментальность – вопрос современного уровня знаний. Что фундаментально сегодня, возможно, уже не будет таковым завтра. А вот эмерджентное останется эмерджентным.
Вещество состоит из молекул, которые состоят из атомов, а те, в свою очередь, состоят из частиц Стандартной модели. Частицы Стандартной модели плюс пространство и время, насколько мы сейчас знаем, фундаментальны – не состоят из чего-то еще. В основаниях физики мы пытаемся выяснить, есть ли что-то еще фундаментальнее.
Как физика меня частенько обвиняют в редукционизме, как будто это некая опциональная позиция, которой можно было бы и не придерживаться. Но это не вымышленная концепция, а свойство природы, открывшееся в экспериментах. Мы вытащили эти уровни разрешения и их законы из бесчисленных наблюдений и обнаружили, что они описывают наш мир чрезвычайно хорошо. Эффективная теория поля говорит нам, что мы можем – в принципе – вывести теорию для меньших масштабов из теории для бо́льших, но не в обратную сторону.
Поскольку история науки потихоньку вскрыла эту иерархическую структуру, сегодня многие физики думают, что должна существовать одна фундаментальная теория, из которой выводится все остальное, – «теория всего». Такая надежда закономерна. Если бы вы сосали гигантский леденец сотню лет, разве вы не надеялись бы в итоге добраться до жвачки?
Все течет
Эффективные законы, что зависят от разрешения, предлагают другой способ увидеть, почему естественность привлекательна. Для этого физики присвоили каждой теории положение в абстрактном «пространстве теорий», где удобно изображать между ними связи. Так как теории зависят от разрешения, каждая из них описывает в этом пространстве кривую, когда разрешение меняется (рис. 4). Вместе кривые всех теорий называются «потоком» теорий.
Рис. 4. Каждая точка в пространстве теорий – это отдельная теория. Если мы меняем разрешение, то выписываем кривую. Числа относятся к уровням на рисунке 3.
В этом пространстве естественность означает, что теория для низкого разрешения не должна сильно зависеть от теории для высокого (которая полагается более фундаментальной). Идея в следующем: что бы мы ни выбрали в качестве параметров для более фундаментальной теории при высоком разрешении, при низком физика должна оставаться похожей на ту, что мы наблюдаем. Вот основное свойство естественности – наш выбор не должен иметь значения.
Поток в пространстве теорий позволяет количественно оценить, насколько же теория для низкого разрешения зависит от выбора параметров для высокого; именно так работают вычисления Джудиче[35]. Это проиллюстрировано на рисунке 5. Низкое разрешение – это то, что мы можем исследовать сейчас, где у нас есть Стандартная модель. Кажется странным называть его «низким», учитывая, что это самое высокое разрешение, какого мы когда-либо достигали. Но оно действительно низкое по сравнению с разрешением, которого, как мы думаем, необходимо достичь для того, чтобы пролить свет на теорию всего, – разрешением, значительно превосходящим даже возможности Большого адронного коллайдера.
Стандартная модель (для низкого разрешения) естественна – или не требует тонкой настройки, – если не особенно важно, откуда конкретно в пространстве теорий мы стартуем при высоком разрешении. В этом случае поток всегда вынесет нас куда-то поблизости (в пределах погрешности измерений) от Стандартной модели (рис. 5, слева). Если же мы вынуждены точно подбирать теорию для высокого разрешения, с тем чтобы очутиться рядом со Стандартной моделью, значит, мы тем самым осуществляем тонкую настройку исходной точки. Тогда Стандартная модель неестественна (рис. 5, справа).
Рис. 5. Иллюстрация потока в пространстве теорий в двух случаях: когда теория (а именно – Стандартная модель, обозначенная крестиком) для низкого разрешения естественна / не требует тонкой настройки (слева) и когда она неестественна / требует тонкой настройки (справа).
В случае с тонкой настройкой начальные точки теорий, воспроизводящих Стандартную модель (то есть согласующихся с наблюдениями), должны располагаться близко друг к другу. Это небольшое расстояние соответствует неприглядно маленьким числам, обсуждавшимся нами выше, таким как масса бозона Хиггса.
В следующей подглавке я кратко расскажу о законах пространства, времени и материи, уже нами открытых, и о типе экспериментов, выявивших эти законы. Если вы уже знакомы со Стандартной моделью и согласованной космологической моделью, вы, возможно, предпочтете пропустить этот раздел.
Орудия труда
В 1858 году ирландско-американский писатель Фитц Джеймс О’Брайен придумал идеальный микроскоп. В рассказе «Бриллиантовая линза» безумный микроскопист Линли общается с духом Антони ван Левенгука, который за двести лет до этого открыл бактерии, совершенствуя самые первые микроскопы 52. Всю жизнь Левенгук скрывал свои методы изготовления линз. Но благодаря помощи медиума, мадам Вульпес, Линли узнает от покойного Левенгука, что необходим «бриллиант в сто сорок карат, длительное время подвергавшийся влиянию электромагнитных токов», чтобы сконструировать микроскоп, «увеличительная способность которого будет ограничена только разрешаемостью объекта».