Вся физика в 15 уравнениях

Большая согласованность модели позволяет проверить ее с самых разных точек зрения: в столкновениях протонов сверхвысоких энергий на БАКе, при высокоточных измерениях на нескольких атомах или, опять же, из космических наблюдений. Откуда бы оно ни исходило, как только проводится новое измерение, научное сообщество сразу же сверяет его со Стандартной моделью. Согласуется ли оно с предсказанием модели для этого эффекта или нет? Вопреки идее тех, кто осуждает потенциальный научный империализм, мечта каждого физика — не подтвердить официальную теорию, а наоборот, найти в результатах каждого нового эксперимента определенный признак того, что Стандартная модель ошибочна[71].

Кроме того, даже если мы используем Стандартную модель каждый день, нам хорошо известны ее ограничения и несовместимость. Казалось бы, что с открытием бозона Хиггса в 2012 г. глава «Элементарные частицы» стала выглядеть полной и законченной, однако ее основные составляющие все еще пока остаются необъясненными. Например, материя состоит из двенадцати элементарных частиц, принадлежащих к трем семействам по четыре частицы в каждом: первое семейство — это то, из чего состоит обычная материя, а два других — копии первого, содержащие существенно более массивные частицы с аналогичными свойствами[72]. Почему существуют эти три семьи? Этого, увы, никто не знает. Мы можем лишь видеть, что модель хорошо описывает результаты экспериментов; в частности, существование этих трех семейств подразумевает наличие неких тонких симметрий в модели, которые нельзя было бы наблюдать, если бы существовало только одно или два семейства и которые действительно были экспериментально замечены.

Массы частиц, интерпретируемые как интенсивность их взаимодействия с полем Хиггса, являются свободными параметрами теории наряду со всеми другими интенсивностями. Мы, к сожалению, можем их измерить только экспериментальным путем. Таким образом, всего можно насчитать 27 свободных параметров теории, которые поддаются экспериментальной корректировке. Математический аппарат теории фундаментальных взаимодействий хорошо формализован и изучен, но почему он именно такой, а не какой-то другой?

Итак, мы имеем в руках связную и мощную теорию, которая была проверена десятками разнообразных измерений и ни разу не доказана ошибочной, по крайней мере на малых масштабах расстояния, в мире элементарных частиц. Единственное «но», с чем нам придется смириться, — это некоторая доля произвольного выбора, возникающего из необходимости экспериментального определения свободных параметров модели[73].

Но где же гравитация?

Еще один недостаток: современная квантовая теория поля не включает в себя гравитацию. Ее описание вполне себе существует в рамках классической общей теории относительности, которую нам так и не удалось переписать в квантовой версии. Это не имеет никакого значения в мире элементарных частиц, где гравитационные силы чрезвычайно слабы по сравнению с другими взаимодействиями. В человеческом масштабе обе теории могут сосуществовать, не общаясь: наши частицы, атомы подчиняются Стандартной модели, тогда как тело в целом подчиняется гравитации. В масштабе звезды эти две теории все еще хорошо разделены и влияют друг на друга лишь через глобальные, простые эффекты, такие как сохранение энергии.

Однако существует серьезная проблема: астрономические наблюдения показывают, что поведение галактик, их скоплений и Вселенной в целом не подчиняется законам Стандартной модели и общей теории относительности. Это не тот случай, когда пара «Стандартная модель плюс общая теория относительности» кажется неправильной в этих масштабах, но она оказывается, по крайней мере, неполной. Чтобы получить верное описание Вселенной, эти две теории необходимо дополнить несколькими компонентами и, в частности, объяснить, что скрывается за знаменитой «темной материей» и не менее известной «темной энергией». Благодаря точным астрономическим измерениям мы почти уверены, что эти две сущности не могут быть описаны нынешней Стандартной моделью и нынешней общей теорией относительности. Можно привести различные модели для их обозначения, но ни одна из них не описывает всего, да к тому же они не в состоянии решить многие проблемы одновременно. Ни одна модель не превосходит другие; следовательно, ни одна не достигла статуса новой Стандартной модели.

Итак, с одной стороны, у нас есть две теории, которые не взаимодействуют друг с другом, а с другой — есть необъяснимые наблюдения. Большинство физиков считает, что когда-нибудь будет найдено общее решение этих двух проблем: и квантовой теории гравитации, и природы «темной материи» и «темной энергии». Кто знает, быть может, это решение будет заключаться в гораздо более масштабной «смене парадигмы», и мы — или наши внуки — начнем высмеивать наивность теорий XX в.

Окончательное уравнение?