Уродливая Вселенная. Как поиски красоты заводят физиков в тупик

Логика аргументов о естественности напоминает попытку предсказать сюжет длинного сериала: если главный герой – в нашем случае естественность – в беде, он точно выживет, поэтому обязательно должно произойти что-то, что выправит кажущуюся безнадежной ситуацию.

В неквантованной электродинамике, например, масса электрона неестественно мала. Это потому, что электрон создает электрическое поле и энергия поля должна вносить большой (а точнее, бесконечный) вклад в его массу. Чтобы избавиться от этой «энергии самовоздействия», потребовалось бы тонко настраивать математику, а это некрасиво. И вот он, наш герой – естественность, – запертый в горящем здании. Если расчет верен, герой погибнет.

Но расчет неверен, поскольку пренебрегает квантовыми эффектами. А с их учетом электрон оказывается окруженным парами виртуальных частиц, которые рождаются и аннигилируют, не становясь непосредственно регистрируемыми. Однако же они вносят непрямой вклад, устраняющий «самовоздействующие» дефекты неквантованной теории. Малость массы электрона, таким образом, «естественна» в квантовой электродинамике[50]. Наш герой спрыгивает с крыши и приземляется в мусорный контейнер, целым и невредимым.

В физике элементарных частиц отсутствие численных случайностей обрело математическую формулировку и называется «технической естественностью»[51]. Как ни странно, вся Стандартная модель технически естественна, если не считать неприятностей с массой бозона Хиггса. Даже для составных частиц, склеенных сильным ядерным взаимодействием, все массы технически естественны, за единственным исключением: массы трех мезонов (одного нейтрального пиона и двух заряженных) подозрительно близки друг к другу. Если взять разность квадратов масс заряженного и нейтрального пионов и разделить на квадрат самих масс, результат окажется неестественно мал. Герой снова в опасности: прижатый к стене, смотрит в направленное на него в упор дуло пистолета.

Но оказывается, что и здесь расчеты не предсказывают корректно, что происходит. Выручает то, что выше определенной энергии новая физика проявляется в форме частицы – ро-мезона, – с которой приходит и новая симметрия, объясняющая, почему массы пионов так близки друг к другу. Объяснение технически естественно, никакой тонкой настройки не требуется. Пистолет дает осечку, и герой спасается.

Квантовые поправки к энергии самовоздействия электрона и поправки для ро-мезона были, однако, не предсказаниями, а постсказаниями, или можно было бы назвать их озарениями задним числом (словно при повторном просмотре кино). Единственное настоящее предсказание, основанное на естественности, относится к очарованному кварку, открытому четвертым по счету. Его существование было предсказано в 1970 году – чтобы объяснить, почему вероятности некоторых взаимодействий частиц неестественно малы ⁶⁴. С учетом очарованного кварка эти взаимодействия стали попросту запрещены, так что их ненаблюдаемость получила естественное объяснение, без всякой тонкой настройки.

Итак, естественность Стандартной моделью соблюдается и имеет на своем счету одно предсказание. На этом основании Натан Зайберг из Института перспективных исследований в Принстоне утверждает, что «понятие естественности служило ориентиром в физике на протяжении пары последних столетий»⁶⁵. А стало быть, противоположность естественности, тонкая настройка, стала отвратительной. По словам Лизы Рэндалл из Гарвардского университета, «тонкая настройка почти наверняка есть акт отчаяния, отражающий наше невежество»⁶⁶[52]. Или, как сказал мне Говард Бэр, специалист по физике элементарных частиц: «Полагаю, что тонкая настройка – это просто недуг в теориях, с которым приходится разбираться и который указывает вам на то, как эти теории можно вылечить и какой путь в Великое Неизвестное, к рубежам познаваемого, правильный»⁶⁷.

Космологическая постоянная неестественна. Но она имеет отношение к гравитации, поэтому специалисты по физике элементарных частиц не чувствуют за нее ответственности. Теперь, когда мы знаем, что и масса бозона Хиггса неестественна, проблема прямо у порога.

Никто и не обещал розового сада

«Я не защитник естественности, – говорит Нима. – Естественность – не принцип, не закон. Ее считают неким проводником. Иногда это был хороший проводник, иногда плохой. Мы должны быть открыты возможностям. Кто-то говорит, что естественность – это чистая философия, но это определенно не философия. Она много для нас сделала».

Он перебирает примеры, говорящие в пользу естественности, добросовестно упоминая и то, что свидетельствует против нее, и заключает: «Естественность не была – и не должна была быть – доводом в пользу Большого адронного коллайдера. К чести ЦЕРН надо сказать, что этот довод пришел от теоретиков. Однако не так уж глупо было думать, что естественность окажется правильной концепцией. Ведь были же у нее все эти успехи».