Не позволим теории струн разрушить вполне успешную науку — физическую космологию

Не позволим теории струн разрушить вполне успешную науку — физическую космологию

Итан Сигел, 24 августа 2021 г.

Когда смешиваешь науку со спекуляцией, получается спекуляция. Но лежащая в её основе наука всё ещё остаётся реальной наукой.

Всякий раз, когда вы слышите фразу «это всего лишь теория», в «научной доле» вашего мозга должны зазвучать тревожные звоночки. Хотя в обыденном употреблении мы в большинстве используем слово «теория» как синоним слов «идея», «гипотеза» или «догадка», в науке планка этого термина куда выше. Как минимум, предлагаемая теория должна быть сформулирована в рамках внутренне непротиворечивой системы, которая не нарушает собственных правил. Далее, теория не должна (очевидным образом) противоречить тому, что уже наблюдалось и установлено ранее: она должна быть нефальсифицированной теорией.

Но и после этого теория может считаться спекулятивной, пока не наступят решающие и определяющие проверки, которые позволят установить, соответствует ли предложенная теория данным, причем так, как не соответствуют этим данным альтернативные теории, включая прежнюю общепринятую теорию. Только если теория пройдёт ряд проверок, она будет принята научным мейнстримом. Хорошо известно, что теория струн не удовлетворяет этим необходимым критериям и в лучшем случае может считаться спекулятивной теорией. Однако ряд астрофизических теорий, включая инфляцию, тёмную материю и тёмную энергию, куда более обоснован, чем многие думают. Вот научное обоснование того, почему мы столь уверены в существовании каждого из этих явлений.

Квантовая гравитация пытается объединить общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой. Квантовые поправки к классической гравитации изображаются в виде петлевых диаграмм, одна из которых показана здесь белым цветом. Мы знаем, что общая теория относительности работает там, где не работает ньютоновская гравитация и где не работает специальная теория относительности, но даже у общей теории относительности должен существовать предел области применимости. (SLAC NATIONAL ACCELERATOR LABORATORY)

История науки полна идей: одни из них, как было показано, точно описывают реальность в определённом диапазоне, доступном нашему исследованию, а другие оказались не соответствующими реальности, хотя могли бы ей соответствовать, если бы природа ответила на наши вопросы иначе. Мы живём во Вселенной, которая подчиняется законам движения Ньютона и его теории всемирного тяготения, но при условии, что скорости малы по сравнению со скоростью света. При более высоких скоростях законы движения Ньютона перестают быть применимыми и должны быть заменены специальной теорией относительности. При сильных гравитационных полях даже специальной теории относительности и всемирного тяготения недостаточно — требуется общая теория относительности.

Хотя наша принятая теория гравитации, общая теория относительности, подтверждается во всех опытах, на которых мы её проверяли, мы определенно видим, что при погружении вглубь квантовой Вселенной, на достаточно малых масштабах расстояний либо при достаточно высоких энергиях, даже общая теория относительности даёт бессмысленные ответы: ответы, указывающие на конец её области применимости. При всей предсказательной силе и статусе ОТО, пожалуй, самой успешной физической теории за всю историю, она бессильна описать область вокруг сингулярности чёрной дыры, физику вблизи планковского масштаба или возникновение самого пространства-времени. Для описания этих явлений потребуется квантовое описание гравитации.

Треки частиц, возникающие при высокоэнергетическом столкновении на БАК в 2014 году. Столкновения такого типа проверяют сохранение импульса и энергии намного надёжнее, чем любой другой эксперимент. Хотя где-то, возможно, существует новая физика, и в действительности она почти наверняка существует, БАК достигает энергий столкновений лишь порядка ~10⁴ ГэВ, что составляет одну часть из 10¹⁵ планковского масштаба. (PCHARITO / Wikimedia Commons)

Разумеется, на практике мы ещё ни разу не приблизились к этому рубежу. Непосредственно в ускорителях частиц мы можем получать столкновения с энергиями чуть выше 10⁴ ГэВ: этого достаточно для объединения электромагнитного и слабого взаимодействий и для рождения всех частиц (и античастиц) Стандартной модели, но всё ещё на пятнадцать порядков (10¹⁵) ниже уровня планковского масштаба. Какова бы ни была физика:

• ранней Вселенной,

• высокоэнергетической Вселенной,

• или масштабов расстояний ниже примерно ~10^-19 метра,

у нас нет никаких прямых свидетельств относительно работы такой физики.

Но это не останавливает нас от теоретизирования. Мы можем конструировать сценарии, где вступает в игру новая физика, которая, будучи добавленной к существующей структуре знаний, не противоречила бы низкоэнергетической Вселенной поздних эпох, наблюдаемой нами сейчас. Многие из этих сценариев хорошо известны в физическом сообществе и включают такие новшества, как дополнительные измерения, суперсимметрия, теории великого объединения, составная природа (композитность) некоторых частиц, ныне считающихся фундаментальными, и, наконец, теория струн.

Краткое дополнение от avshkol, об упомянутых выше сценариях/теориях

В контексте статьи Итана, с точки зрения современной физики высоких энергий все перечисленные концепции представляют собой попытки выйти за рамки Стандартной модели, как текущей общепринятой теории микромира. Эти концепции объединяет следующее: математически они сформулированы так, чтобы не противоречить нашим текущим наблюдениям, поскольку их эффекты проявляются только при экстремально высоких энергиях или на микроскопических расстояниях, недоступных современным приборам (даже таким как БАК, Большой адронный коллайдер).

Ниже мы кратко пройдемся по каждой из этих идей:

1. Дополнительные измерения

Это идея о том, что пространство Вселенной имеет больше трёх привычных нам пространственных + одно временное измерений.

Дополнительные измерения могли бы объяснить, почему гравитация настолько слаба по сравнению с другими фундаментальными силами (например, электромагнитными). Согласно некоторым моделям, гравитация кажется слабой лишь потому, что она «растекается» по этим скрытым измерениям, в то время как другие силы «заперты» в наших трёх.

Предполагается, что эти измерения либо компактифицированы (свёрнуты в петли столь микроскопического размера, что мы не можем их заметить), либо доступны только для гравитонов (предполагаемых и пока не обнаруженных частиц гравитационного взаимодействия).

2. Суперсимметрия

Это гипотетическая симметрия, которая связывает два основных класса частиц в природе: фермионы (частицы вещества, например, электроны и кварки) и бозоны (частицы-переносчики сил, взаимодействий, например, фотоны и глюоны).

Суперсимметрия предсказывает, что у каждой известной частицы существует более тяжёлый «суперпартнёр». Это решает многие математические проблемы Стандартной модели, помогает объединить фундаментальные силы и предлагает кандидатов на роль тёмной материи.

По на сегодняшний день ни один из суперпартнёров до сих пор не был обнаружен на коллайдерах, что заставляет физиков «отодвигать» предполагаемые массы этих частиц всё дальше, в недоступные пока области высоких энергий.

3. Теории великого объединения

Это особый класс теорий, которые пытаются показать, что при экстремально высоких энергиях (которые были во Вселенной в первые доли секунды после Большого взрыва) три фундаментальные силы (электромагнитная, слабая и сильная) сливаются в одно единое фундаментальное взаимодействие.

Это логичный шаг к созданию «Теории всего». Стандартная модель уже показала, что электромагнитное и слабое взаимодействия объединяются в электрослабое при высоких энергиях. Теория великого объединения пытается добавить к ним сильное ядерное взаимодействие.

Но есть проблема: почти все теории великого объединения предсказывают, что протон должен быть нестабильным и со временем распадаться. Однако многолетние эксперименты показали, что время жизни протона превышает лет, что исключило большинство простейших моделей этой теории.

4. Составная природа / Композитность

Это гипотеза, согласно которой частицы, которые сегодня считаются истинно элементарными и не имеющими внутренней структуры (такие как кварки и лептоны, включая электрон), на самом деле состоят из ещё более мелких, неизвестных нам «кирпичиков».

Исторически физика уже проходила этот путь: сначала атомы считались неделимыми, затем открыли протоны и нейтроны, а внутри них открыли кварки. Композитность предполагает, что существует следующий, более глубокий уровень материи (часто эти гипотетические частицы называют преонами).

Проблема в том, что если бы кварки и электроны имели внутреннюю структуру, это проявлялось бы в виде отклонений в их рассеянии при высоких энергиях. Пока что все эксперименты показывают, что они ведут себя как истинно точечные/неделимые объекты вплоть до масштабов метра.

5. Теория струн

Это, наверное, самый амбициозный математический проект, в котором фундаментальными объектами являются не точечные частицы, а крошечные одномерные вибрирующие «струны».

Различные моды (частоты) колебаний одной и той же струны проявляются для наблюдателя как разные элементарные частицы. Главное достижение теории струн в том, что среди этих колебаний естественным образом возникает безмассовая частица со спином 2 — гравитон. Таким образом, теория струн автоматически включает в себя квантовую гравитацию, пытаясь примирить Общую теорию относительности Эйнштейна с квантовой механикой.

Однако, для математической непротиворечивости теория струн требует наличия 10 или 11 пространственно-временных измерений (см. п.1, дополнительные измерения). Кроме того, она предсказывает гигантский «ландшафт» возможных вселенных (порядка вариантов), из-за чего её пока невозможно проверить экспериментально. Возможно, поэтому Итан Сигел называет её «спекулятивной».

Частицы Стандартной модели и их суперсимметричные партнёры. Чуть менее 50% этих частиц были обнаружены, а чуть более 50% пока не оставили ни малейшего следа своего существования. Суперсимметрия — это идея, которая надеется усовершенствовать Стандартную модель, но ей пока не удалось сделать успешных предсказаний о Вселенной в попытке заменить господствующую теорию. Если суперсимметрии не существует ни при каких энергиях, теория струн должна быть неверна. (Клер Давид / ЦЕРН)

Дополнительные пояснения avshkol к схеме частиц выше:

На схеме изображены два «слоя»: 17 обнаруженных частиц Стандартной модели (это «чуть менее 50%») и их гипотетические суперсимметричные партнёры (пока ни один не найден, это «чуть более 50%»). Суперсимметрия связывает частицы, различающиеся спином на 1/2: у фермионов партнёры — бозоны (приставка «с-»), у бозонов — фермионы (суффикс «-ино»).

I. Частицы Стандартной модели (обнаружены)

Кварки (спин 1/2, участвуют в сильном взаимодействии):

• Верхний (u): заряд +2/3, лёгкий; вместе с d-кварком образует протоны и нейтроны.

• Нижний (d): заряд −1/3; «кирпичик» к верхнему.

• Очарованный (c): заряд +2/3, тяжёлый аналог u-кварка.

• Странный (s): заряд −1/3; содержится в «странных» частицах — каонах и гиперонах.

• Истинный: заряд +2/3, тяжелейшая из известных элементарных частиц (~173 ГэВ); распадается раньше, чем успевает образовать адрон.

• Прелестный: заряд −1/3; тяжёлый кварк B-мезонов, ключевой для изучения нарушения CP-симметрии.

Лептоны (спин 1/2, не участвуют в сильном взаимодействии):

• Электрон (e⁻): заряд −1, стабилен; образует оболочки атомов, его движение создает электрический ток.

• Электронное нейтрино (ν_e): нейтральное, почти безмассовое; рождается в бета-распаде и термоядерных реакциях на Солнце.

• Мюон (μ⁻): заряд −1, ~207 масс электрона; нестабилен (время жизни ~2,2 мкс).

• Мюонное нейтрино (): нейтральный партнёр мюона.

• Тау-лептон (τ⁻): тяжелейший заряженный лептон (~1,8 ГэВ); живёт ~3·10⁻¹³ с.

• Тау-нейтрино (): нейтральный партнёр тау-лептона.

Калибровочные бозоны (спин 1, переносчики взаимодействий):

• Глюон (g): переносчик сильного взаимодействия; «склеивает» кварки в адроны.

• Фотон (γ): переносчик электромагнитного взаимодействия.

• W-бозон (W±): заряженный переносчик слабого взаимодействия; отвечает за бета-распад и горение Солнца.

• Z-бозон (Z⁰): нейтральный переносчик слабого взаимодействия.

Скалярный бозон:

• Бозон Хиггса (H⁰): спин 0; квант поля Хиггса, придающего массу фундаментальным частицам; открыт последним в 2012 г.

II. Суперсимметричные партнёры (на сегодняшний момент не обнаружены)

Скварки (спин 0): скалярные партнёры кварков:

• партнёр u-кварка;

• партнёр d-кварка;

• партнёр c-кварка;

• партнёр s-кварка;

• партнёр t-кварка;

• партнёр b-кварка.

Слептоны (спин 0) — скалярные партнёры лептонов:

• партнёр электрона,

• партнёр мюона,

• партнёр тау-лептона

• и три партнёра нейтрино.

Гайджино и хиггсино (спин 1/2) — фермионные партнёры бозонов:

• партнёр глюона; именно его активно ищут на БАК.

• фотино, партнёр фотона;

• партнёр Z-бозона;

• партнёр W-бозона.

• партнёр бозона Хиггса (в минимальной суперсимметричной модели их несколько.

Суперсимметрия необходима теории струн для включения фермионов (и отсутствия тахионов), Если окажется, что суперпартнёры не существуют ни при каких энергиях, теория струн в её современном виде окажется неверна.

Однако пока не существует никаких прямых экспериментальных свидетельств в поддержку ни одного из этих сценариев. Нельзя полностью исключить их, просто не найдя доказательств; можно лишь наложить ограничения, утверждая, что если они существуют, то существуют ниже определённого экспериментального порога. Иными словами, их константы связи с наблюдаемыми частицами должны быть ниже определённого значения; их сечения взаимодействия с обычным веществом должны быть ниже определённого значения; массы новых частиц должны превышать определённый порог; их влияние на распады известных частиц должно быть ниже измеренных пределов.

Многие учёные, работающие в этих областях, на переднем крае высокоэнергетической физики и физики частиц, начали открыто выражать разочарование отсутствием новых перспективных направлений для исследования. На Большом адронном коллайдере не получено никаких намеков на частицы за пределами Стандартной модели или даже на какие-либо нестандартные каналы распада бозона Хиггса. Эксперименты по поиску распада протона увеличили нижнюю границу времени жизни протона до ~10³⁴ лет, исключив многие теории великого объединения. Эксперименты по поиску дополнительных измерений не дали результатов.

На всех фронтах, где ведётся поиск новой фундаментальной физики частиц, выходящей за рамки Стандартной модели, до сих пор этот поиск не увенчался успехом. Даже эксперимент по измерению аномального магнитного момента мюона (g-2), прославившийся своей точностью в измерении определённой фундаментальной константы Вселенной, по всей вероятности, скорее указывает на проблему в том, как мы вычисляем величины различными методами, чем на новую физику.

Хотя существует расхождение между теоретическими и экспериментальными результатами для магнитного момента мюона (правый график), мы можем быть уверены (левый график), что оно не обусловлено вкладами адронного свето-светового рассеяния (HLbL). Однако расчёты решёточной КХД (синие, правый график) предполагают, что вклады адронной вакуумной поляризации (HVP) могут полностью объяснить наблюдаемое расхождение. (Фермилаб / Коллаборация Muon g-2)

Дополнительно от avshkol об измерении аномального магнитного момента мюона

Что измеряют и в чём «проблема»

Мюон ведёт себя как крошечный вращающийся магнит. Уравнение Дирака предсказывает для него строго g = 2, но квантовые эффекты (облако виртуальных частиц вокруг мюона) немного усиливают его магнетизм. Эта добавка и есть аномальный магнитный момент a = (g−2)/2 ≈ 0,00116… Поскольку мюон примерно в 207 раз тяжелее электрона, вклад тяжёлых виртуальных частиц (в том числе связанных с сильным взаимодействием) в нём заметен сильнее, поэтому мюон и служит своеобразным «зондом» новой физики.

Экспериментально измерено a с рекордной точностью: 0,00116592061 ± 35. «Официальный» теоретический прогноз Стандартной модели около 0,0011659182, то есть эксперимент выше примерно на 4,2σ. На первый взгляд, это даёт намёк на новую физику.

Но это не одно число

Прогноз Стандартной модели собирается из слагаемых (формула вверху схемы): a = a(HVP) + [a(QED) + a(Weak) + a(HLbL)]. Электромагнитный и слабый вклады вычислены очень точно. Проблема в сильном взаимодействии: при этих энергиях его константа связи велика, ряды фейнмановских диаграмм расходятся (чем больше диаграмм, тем хуже результат), и адронные вклады нельзя посчитать «в лоб». Их оценивают двумя обходными путями:

1. Дата-драйвен (дисперсионный) метод, «R-ratio»: вклад восстанавливают из экспериментальных данных о сечениях e⁺e⁻ → адроны;

2. Решёточная КХД: прямое численное моделирование теории сильного взаимодействия на суперкомпьютерах.

Что показывает схема

Левый график (HLbL, свето-световое рассеяние): все оценки (и дата-драйвен, и решёточные) согласны друг с другом в пределах ошибок. Этот вклад мал и хорошо изучен, объяснить расхождение он не может.

Правый график (HVP, вакуумная поляризация): вот здесь проявляется расхождение. Серая полоса WP20 (дата-драйвен метод) даёт полную аномалию ≈ −25×10⁻¹⁰ (теория ниже эксперимента; жёлтая полоса — это область нулевого расхождения в пределах целевой точности Фермилаба). Решёточные расчёты (синие точки) разбросаны очень сильно. То есть размер «аномалии» целиком зависит от того, какому методу вычисления одного-единственного числа доверять.

Формулировка проблемы

Расхождение существует не между «экспериментом и Стандартной моделью в целом», а между экспериментом и одним конкретным способом вычисления адронного вклада. Два независимых метода расчёта одной и той же величины не согласуются друг с другом, да и решёточные группы не согласуются между собой:

• если права решёточная BMW20, то аномалии нет и новая физика не нужна;

• если прав дата-драйвен метод, то аномалия реальна (4,2σ);

• при этом и BMW20 нельзя просто объявить победителем: он противоречит другим решёточным расчётам и независимым данным.

Поэтому вывод Сигела таков: мюонный g-2 сегодня — это в первую очередь проблема методов расчёта, а не установленный признак физики за пределами Стандартной модели. Пока теоретики не выяснят, какой из способов вычисления адронного вклада верен, заявления о «новой физике» преждевременны: мы не знаем, что именно сломалось (Стандартная модель или наш способ её вычислять).

Хотя в последние годы в кругах теоретиков высокоэнергетической физики и квантовой гравитации появилось несколько альтернативных идей, оказалось весьма сложно ввести новые физические идеи или концепции, которые ещё не были бы исключены огромным массивом данных, уже имеющихся в нашем распоряжении. Совокупные измерения таких тонких эффектов, как смешивание кварков, нейтринные осцилляции, скорости распада и коэффициенты ветвления, жёстко ограничивают, какую именно новую физику можно ввести. И тем не менее, пока мы готовы отодвигать параметры новой физики, которую мы хотим привлечь, к более высоким энергиям и меньшим сечениям или константам связи, мы можем поддерживать жизнь таких идей, как суперсимметрия, дополнительные измерения, великое объединение и теория струн.

Это создаёт дилемму для работающих над этими проблемами физиков-теоретиков: над чем им работать? Одно дело — заниматься фантазёрством и вычислять последствия любого придуманного сценария; совсем другое — продолжать упорно, не смущаясь, продвигаться вперёд, исследуя сценарий, за которым не стоит никаких доказательств. Вы, конечно, можете это делать, но должны обеспокоиться тем, что обманываете себя, подобно тому, как обманывали себя физики-теоретики высоких энергий на протяжении последних ~40 лет. Вы всегда можете попытаться исследовать и альтернативные сценарии, хотя, по общему мнению, и это не приносит плодов.

Но существует и третий вариант. Вы можете взять свои идеи и попытаться перенести их туда, где существует множество убедительных доказательств из физики за пределами хорошо исследованного: в область космологии.

На самых ранних этапах Вселенной инфляционный период подготовил и породил горячий Большой взрыв. Сегодня, миллиарды лет спустя, тёмная энергия вызывает ускорение расширения Вселенной. У этих двух явлений много общего, и они даже могут быть связаны, возможно, через динамику чёрных дыр. (C. Faucher-Giguère, A. Lidz и L. Hernquist, Science 319, 5859 (47))

Многие теоретики высоких энергий и специалисты по теории струн в последние годы начали работать над космологическими проблемами, и в некотором смысле это хорошо. Физика частиц играет колоссально важную роль в астрофизических системах по всей Вселенной, и в особенности в высокоэнергетических средах, включая:

• раннюю Вселенную в течение первых долей секунды горячего Большого взрыва,

• окрестности плотных коллапсировавших объектов, таких как чёрные дыры и нейтронные звёзды,

• горячие среды, такие как астрофизическая плазма.

Процессы аннигиляции материи и антиматерии, рождения пар, испускания и захвата нейтрино, ядерных реакций и распада нестабильных частиц в этих экстремальных средах происходят в огромных количествах. Слияние космологии с физикой высоких энергий привело к возникновению новой области на их пересечении — астрофизики частиц.

И наиболее захватывающее — то, что некоторые из проведённых нами астрофизических наблюдений прямо указывают, что во Вселенной есть нечто большее, чем может объяснить одна лишь Стандартная модель. Во многом именно наши измерения самого космоса, Вселенной на самых больших масштабах, дают нам наиболее убедительные аргументы к тому, что может существовать за пределами известной и хорошо изученной физики.

Четыре сталкивающихся скопления галактик, демонстрирующие разделение между рентгеновским излучением (розовым) и гравитацией (синим), что указывает на присутствие тёмной материи. На больших масштабах необходима холодная тёмная материя, и никакая альтернатива или замена не подойдёт. Однако картирование рентгеновского излучения (розового) не обязательно является хорошим индикатором распределения тёмной материи (синего). (Рентген: NASA/CXC/UVic./A. Mahdavi et al. Оптика/линзирование: CFHT/UVic./A. Mahdavi et al. (верхний левый); Рентген: NASA/CXC/UCDavis/W. Dawson et al.; Оптика: NASA/STScI/UCDavis/W. Dawson et al. (верхний правый); ESA/XMM-Newton/F. Gastaldello (INAF/IASF, Милан, Италия)/CFHTLS (нижний левый); Рентген: NASA, ESA, CXC, M. Bradac (Калифорнийский университет, Санта-Барбара) и S. Allen (Стэнфордский университет) (нижний правый))

В частности, существует четыре области, в которых простое начало с чрезвычайно горячей, плотной, однородной, заполненной материей и излучением, расширяющейся Вселенной и последующее «прокручивание часов вперёд» не воспроизведёт ту Вселенную, которую мы видим сегодня. Если бы мы проделали это с известными нам законами (общей теорией относительности плюс Стандартной моделью физики частиц), мы получили бы нечто совершенно непохожее на нашу Вселенную.

1. Мы не получили бы Вселенную, заполненную материей, а имели бы Вселенную, в которой частицы и античастицы существовали бы в равном количестве, с плотностью приблизительно в триллион раз меньшей, чем наблюдаемая сегодня.

2. Мы не получили бы Вселенную, в которой сформировалась сложная паутина крупномасштабной структуры, а получили бы только мелкомасштабные структуры, быстро разлетающиеся в стороны после первой волны звездообразования.

3. Мы не получили бы Вселенную, в которой далёкие объекты ускоряют своё удаление от нас на поздних этапах, а скорее такую, где далёкие объекты удалялись бы от нас всё медленнее и медленнее.

4. И мы не получили бы Вселенную, рождённую с тем конкретным спектром начальных флуктуаций, который мы наблюдаем, в том числе на масштабах, превышающих космологический горизонт, флуктуаций, которые на 100% являются адиабатическими (изэнтропическими) по своей природе, с нетривиальным обрезанием максимальной температуры, которая могла быть достигнута в ходе горячего Большого взрыва.

Эти четыре набора наблюдений жизненно важны для истории нашей Вселенной и указывают, соответственно, на бариогенез и возникновение асимметрии материи и антиматерии, тёмную материю, тёмную энергию и космологическую инфляцию.

Наблюдения ещё более далёких сверхновых позволили нам различить «серую пыль» и тёмную энергию, исключив первую. Однако модификация в виде «пополняющейся серой пыли» по-прежнему неотличима от тёмной энергии, хотя она и является спекулятивным, нефизическим объяснением. Существование тёмной энергии обосновано и вполне достоверно. (A.G. Riess et al. (2004), The Astrophysical Journal, Volume 607, Number 2)

Для любого из этих явлений существует далеко не одна линия доказательств, и совершенно ясно, что если мы хотим воспроизвести ту Вселенную, которая у нас есть, какой мы её наблюдаем, эти ингредиенты и компоненты необходимы. Совокупность нескольких наборов наблюдений, включая:

• далёкие объекты, которые мы наблюдаем и чья физика, лежащая в их основе, и их наблюдаемые свойства хорошо известны, на различных значениях красного смещения;

• кластеризацию галактик на космических масштабах;

• флуктуации, наблюдаемые в температуре и поляризации реликтового излучения (космического микроволнового фонового излучения);

• совокупное рентгеновское излучение и гравитационные эффекты групп и скоплений галактик, находящихся в процессе или после столкновения;

• индивидуальные движения галактик внутри скоплений;

• силу и количество линий поглощения, обусловленных молекулярными облаками, по данным сверхдалёких квазаров и галактик,

— все они указывают на то, что эти четыре явления существовали или произошли: бариогенез и инфляция имели место, а тёмная материя и тёмная энергия существуют. Единственные имеющиеся у нас альтернативы — это тонкая подгонка начальных условий, с которыми родилась Вселенная, и добавление каких-либо новых частиц или полей, которые имитируют тёмную материю и тёмную энергию во всех измеренных на сегодняшний день параметрах, но отличаются в некотором аспекте, который ещё предстоит обнаружить.

Равносимметричная совокупность материи и антиматерии (из X и Y, а также анти-X и анти-Y) бозонов могла бы, при наличии подходящих свойств в теории Великого объединения, породить асимметрию материи и антиматерии, которую мы находим в нашей Вселенной сегодня. Однако мы предполагаем, что существует физическое, а не божественное, объяснение наблюдаемой нами сегодня асимметрии материи и антиматерии, но пока мы не знаем его наверняка. (И. Сигел / «За пределами галактики»)

Действительно, многие детали этих сценариев, особенно при объединении всех четырёх фрагментов космической головоломки, приводят к последствиям, которые могут быть, а могут и не быть наблюдаемыми.

1. Тот факт, что бариогенез произошёл, не является гарантией, что он произошёл в режиме, достижимом для наших ускорителей частиц или чувствительных экспериментов по распаду.

2. Тот факт, что космологическая инфляция произошла, не является гарантией, что она запечатлела достаточно информации во Вселенной для успешного определения всех свойств инфляции. Тот факт, что она предсказывает существование мультивселенной, не является гарантией, что такая мультивселенная обнаружима или измерима.

3. Тот факт, что тёмная материя существует, не является гарантией, что мы сможем создать и измерить её в лабораторном эксперименте, или что она обладает свойствами, придающими ей ненулевое сечение рассеяния на обычном веществе Стандартной модели.

4. И тот факт, что тёмная энергия существует, не является гарантией, что мы сможем определить её природу или причину её существования.

Использование спекулятивных теоретических идей из физики высоких энергий для мотивации исследования различных сценариев может принести популярность, но это не единственный подход и нет оснований считать его убедительным. Когда добавляешь спекуляцию к прочной науке, получаешь спекуляцию. Однако это не умаляет обоснованности самой науки. Бариогенез, инфляция, тёмная материя и тёмная энергия реальны как никогда и ни в малейшей степени не зависят от того, верны ли какие-либо спекулятивные идеи из физики высоких энергий, такие как суперсимметрия или теория струн.

Квантовые флуктуации, возникающие в ходе инфляции, растягиваются по всей Вселенной, а когда инфляция заканчивается, они становятся флуктуациями плотности. Со временем это приводит к крупномасштабной структуре сегодняшней Вселенной, а также к флуктуациям температуры, наблюдаемым в реликтовом излучении. Новые предсказания, подобные этим, необходимы для демонстрации обоснованности предлагаемого механизма тонкой настройки. (И. Сигел, с изображениями на основе данных ESA/Planck и Межведомственной целевой группы DOE/NASA/NSF по исследованию реликтового излучения)

Существует необоснованный набор постоянно сдвигаемых критериев, которые выдвигают некоторые учёные, особенно инакомыслящие по отношению к мейнстриму, чтобы придать ложную легитимность своим утверждениям, а также внести надуманную неопределённость в (хорошо обоснованные) консенсусные позиции. Нам не нужно определять точный механизм бариогенеза, чтобы знать, что в нашей Вселенной возник дисбаланс материи и антиматерии. Нам не нужно непосредственно обнаруживать частицу, ответственную за тёмную материю, при условии, что тёмная материя вообще является частицей с ненулевым сечением рассеяния, чтобы знать о её, тёмной материи, существовании. Нам не нужно детектировать гравитационные волны от инфляции, чтобы подтвердить инфляцию; четыре дискриминационных теста, которые мы уже провели, являются решающими.

И тем не менее остаются неизвестные, в отношении которых мы должны быть честны. Мы не знаем причину бариогенеза или природу тёмной материи. Мы не знаем, должна ли инфляция действительно продолжаться вечно, действительно ли она началась из некоторого предшествующего неинфляционного состояния, мы также можем проверить, реальна ли мультивселенная. Откровенно говоря, мы не знаем, насколько далеко простирается область применимости этих теорий.

Но тот факт, что существуют пределы того, что мы знаем и можем знать, не делает наше реальное знание космоса менее достоверным. Сочувствие к инакомыслящим позициям и увлечённость спекулятивными идеями должны простираться лишь до определённого предела: до тех пор, пока они подкреплены всей совокупностью имеющихся доказательств. Когда вы пытаетесь двигать границы науки вперёд, важно не терять из виду того, что действительно твёрдо известно и установлено. В конце концов, как сказал о науке Ричард Фейнман:

«Если ты не совершаешь ошибок, значит, ты делаешь это неправильно. Если ты не исправляешь ошибки, значит, ты делаешь это совсем неправильно. А если ты не можешь признать, что ошибся, — значит, ты вообще не занимаешься наукой».