Я приехала слишком рано, поэтому отыскиваю библиотеку. Знакомые книги приветствуют меня. Деревянный пол поскрипывает – и я останавливаюсь, чтобы не потревожить потенциальные великие мысли. Пахнет наукой, то есть кофе. Мне вспоминается история о том, как во время Второй мировой войны здание начинили взрывчаткой, рассудив, что пусть лучше оно взлетит на воздух, чем достанется нацистам. Ходят слухи, что никто не уверен, всю ли взрывчатку убрали после войны. Дальше я двигаюсь с осторожностью.
Только я решаю выследить кофемашину, как появляется Нима. С тех пор как я впервые наткнулась на его статьи в конце 1990-х, его карьера складывалась исключительно блестяще. В 1999 году в возрасте двадцати семи лет он стал преподавателем на физическом факультете в Беркли. Продолжил в Гарварде в 2002-м, затем в Принстоне с 2008-го, был избран членом Американской академии искусств и наук в 2009-м. Он выиграл кучу наград, в том числе Премию за прорыв в фундаментальной физике с формулировкой «за оригинальные подходы к нерешенным проблемам физики элементарных частиц». Проблемы остаются неразрешенными. Как и Нима.
Он провожает меня в кабинет, который ему отвели на время его пребывания в институте. Я усаживаюсь на диван, чувствуя себя неуверенно: что именно мне следует делать дальше? Нажать кнопку записи на диктофоне кажется хорошей идеей. И словно он только и ждал этого сигнала, Нима начинает говорить, жестикулируя и взмахивая волосами.
Вопрос красоты и естественности, объясняет он, немало занимал его в свете последних результатов с Большого адронного коллайдера.
«Тема естественности и красоты всюду предстает в страшно искаженном виде, – говорит Нима. – Слияние красоты в искусстве и в науке, вероятно, помогает продавать книги». И его это не устраивает. «Если вы глубокий дилетант и ваши знания о физике почерпнуты из “Элегантной Вселенной” Брайана Грина, не в пику ему будет сказано, у вас может остаться ощущение, что физики попросту пудрят всем мозги. И это печально, поскольку сильно оторвано от реальности, реальности порядочного, честного физика».
«Да, – продолжает Нима, – вы вполне можете так решить. Иногда провести эксперименты невозможно практически. И даже если это возможно практически, их проведение может занять так много времени, что, по сути, вы проживете бо́льшую часть жизни без необходимости предстать на очной ставке с результатами эксперимента. А до этого все сходит с рук. Вы можете состряпать всевозможных заурядных теорий, и изредка, раз лет в пятьдесят, эксперимент, возможно, таки случится и разнесет все в щепки. Ну чем не отличная работа, если суметь ее получить? Можно просто ни черта не делать, вешать всем лапшу на уши – и никто вас на этом не подловит. Вот какое мнение могло бы сложиться у меня».
Когда мой контракт с Нордитой закончился, я покинула Стокгольм и переехала в Германию. Но пока я не получила новый исследовательский грант, так что временно осталась безработной. И это происходит не в первый раз. Уже пятнадцать лет я перескакиваю с одного краткосрочного контракта на другой, мотаюсь из одной страны в другую, движимая убеждением, что физика – наилучший для меня шанс понять окружающую действительность. Это не столько профессия, сколько одержимость. Моя ситуация – норма, ситуация Нимы – исключение. Большинство физиков нельзя обвинить в том, что у них отличная работа.
Не ведая, какие мысли бродят в моей голове, Нима продолжает: «Эксперимента нет, и вы просто сидите сложа руки и разглагольствуете о красоте, элегантности и математическом очаровании. И звучит все это как социологический вздор. Я считаю, что такое впечатление просто в корне неверно – но неверно в корне по интересной причине. И эта причина отличает физику высоких энергий от большинства других научных направлений».
«Действительно, – объясняет он, – в большинстве остальных областей науки для проверки, правильна идея или ошибочна, требуются новые эксперименты. Но наша область так солидна, что мы обложены неимоверным количеством ограничений, порожденных прежними экспериментами. Ограничений столь сильных, что они перечеркивают почти все, что вы можете попробовать изобрести. Если вы честный физик, 99,99 % ваших идей, даже хороших, будут опровергнуты, и не новыми экспериментами, а заранее – несовместимостью со старыми. Вот что по-настоящему сильно отличает нашу область исследований и дает нам внутреннее представление о том, что верно или неверно, до проведения новых экспериментов. Поэтому, в противоположность ощущению нашего гипотетического маловерного дилетанта, мнение, будто можно втирать всем очки, ошибочно. Это невероятно трудно».
Кому вы рассказываете о трудностях, думаю я и киваю.
Создавая проблемы
Несмотря на успех Стандартной модели, физики ее недолюбливают. Митио Каку называет ее «уродливой, надуманной»[47], Стивен Хокинг – «уродливой и случайной», Мэтт Страсслер хулит ее как «уродливую и нелепую», Брайан Грин жалуется, что она «обладает слишком большой гибкостью», а Пол Дэвис считает, что «от нее несет душком нерешенной проблемы», ибо «тот неуверенный способ, каким она объединяет электрослабое и сильное взаимодействия» – «уродливое свойство»58. Я все еще в поисках физика, кому Стандартная модель нравится.
Что же делает Стандартную модель такой уродливой? Худшее ее прегрешение: множество параметров – чисел, за которыми не стоит более глубокого объяснения, – и многие из них нисколечко не близки к 1. Мы уже обсуждали, какая головная боль эта масса бозона Хиггса. Но есть и еще подобные досадные числа, начиная с масс других элементарных частиц или, соответственно, отношений этих масс к массе хиггсовского бозона (ведь беспокоят нас только безразмерные величины). Такое отношение масс принимает значения вроде 0,00000408 для электрона или примерно 1,384 для истинного кварка. Никто не в силах объяснить, почему эти отношения масс таковы.
Между тем отношения масс также не кажутся и абсолютно случайными, и это заставляет физиков верить, что тому должно быть какое-то объяснение. Например, все три нейтрино очень легкие, сумма их масс более чем в 1011 раз меньше массы бозона Хиггса. Поколения фермионов имеют массы, отличающиеся, грубо говоря, в десятки раз. А есть еще странная формула Коидэ, связывающая массы электрона, мюона и тау-лептона 59. Сумма этих масс, деленная на квадрат суммы квадратных корней из этих масс, равна 2/3 вплоть до пятого знака после запятой. Почему? Похожие нумерологические соотношения были найдены и для других частиц, хотя и с меньшей степенью точности. Они вынуждают нас подозревать, что мы упускаем какое-то более глубокое объяснение.
Помимо масс есть еще так называемые матрицы смешивания. Перемещаясь из одной точки в другую, некоторые частицы могут превращаться – «осциллировать» – в другие частицы. Вероятности таких событий записываются в матрицах смешивания[48]. Опять-таки числа в этих матрицах пока необъяснимы, но и не выглядят совсем уж случайными. Некоторые частицы регулярно превращаются в другие, тогда как иные – не особенно, хотя могли бы. Почему это так? Мы не знаем.
Следующая проблема в том, что в Стандартной модели слишком много симметрии! Речь идет о так называемой CP-симметрии. Преобразование CP-симметрии – это комбинация изменения электрического заряда частицы на противоположный (отсюда буква C в названии, от слова charge) и трансформации частицы в ее зеркальное отражение (P, от слова parity, «четность»). Если произвести это преобразование, уравнения слабого ядерного взаимодействия меняются, то есть электрослабое взаимодействие этой симметрии не подчиняется. Квантовая электродинамика не может нарушать эту симметрию. Сильное взаимодействие может, однако по непонятным причинам не делает этого. Если бы сильное взаимодействие нарушало CP-симметрию, это отражалось бы, например, на распределении электрического заряда в нейтроне, а мы такого не наблюдаем.
Сила этого CP-нарушения сильным взаимодействием измеряется параметром θ. Согласно данным, собранным на настоящий момент, этот параметр оскорбительно мал, гораздо меньше 1.
Предложенный механизм для разрешения этой так называемой сильной CP-проблемы состоит в том, чтобы сделать параметр θ динамическим и позволить ему скатиться в потенциальный минимум, где он остается равным небольшому числу 60. Такое решение было бы естественным, поскольку не требует новых больших или малых чисел. Тем не менее, как независимо друг от друга заметили Стивен Вайнберг и Фрэнк Вильчек, к динамическому параметру θ должна прилагаться частица, которую Вильчек назвал «аксион» (первая и, будем надеяться, последняя частица, названная в честь стирального порошка). Аксион, однако, найден не был, так что сильная CP-проблема осталась нерешенной.
Но когда мы смотрим на Стандартную модель, нас раздражают не только числа. Еще три непонятных поколения фермионов и три калибровочных симметрии. Разве не было бы гораздо милее, если бы электрослабое и сильное взаимодействия могли быть объединены, образуя теорию Великого объединения или, еще лучше, суперсимметричную теорию Великого объединения? (Подробнее об этом в седьмой главе.)
А еще, конечно же, у нас есть претензии к согласованной космологической модели. Здесь у нас тоже полно необъяснимых чисел. Почему количество темной энергии именно такое? Почему темной материи впятеро больше, чем обычного вещества? И что же это все-таки такое – темная материя и темная энергия? В согласованной космологической модели мы лишь описываем их макроскопическое поведение, а микроскопические их свойства не играют никакой роли. Есть ли у них вообще микроскопические свойства? Сделаны ли темные энергия и материя из чего-то? И если да, то из чего? (Мы обсудим это в девятой главе.)
Далее, есть проблемы с объединением согласованной космологической модели со Стандартной моделью. Сила гравитационного притяжения между элементарными частицами чрезвычайно мала по сравнению с другими взаимодействиями. Так, например, отношение сил гравитационного и электрического притяжения между электроном и протоном равно примерно 10