Кризис в физике

От переводчика: это перевод сольного выпуска подкаста Шона Кэрролла - замечательного популяризатора науки, теоретического физика и профессора Университета Джонса Хопкинса. 

Физика переживает кризис. По крайней мере, нам так говорят. Мне доводилось слышать это в интернете, в подкастах и даже читать об этом в книгах. Мол, прямо сейчас физика находится в состоянии кризиса. И мне грустно это слышать. Я вырос с мечтой стать физиком. Теперь я физик. Помимо всего прочего, физика - это моя жизнь. Я очень ее люблю. Поэтому, когда я слышу, что моя область переживает кризис, это меня тревожит. Но что вообще значит “кризис”? Законы физики перестали работать? Физики объявили забастовку? Что именно происходит? Поэтому я решил записать сольный выпуск и рассказать вам о своем взгляде на так называемый кризис в физике. А взгляд мой заключается в том, что никакого кризиса в физике нет. Вот что я думаю. В любом случае, я объясню, почему я так считаю, а выводы вы сможете сделать сами. Но сначала хочу сказать, что мне немного грустно оттого, что приходится занимать именно эту сторону.

Ересь, консенсус и научная добросовестность

Когда я рос и мечтал стать физиком, то, конечно, представлял себе, что в своей идеальной будущей жизни буду физиком-радикалом. Еретиком, понимаете? Буду ниспровергать закостенелые представления научного истеблишмента и заменять их собственными смелыми, творческими идеями. Но понадобились долгие годы учебы и размышлений, чтобы понять: быть еретиком - это невероятно тяжелый труд. Это действительно очень и очень сложно. Современные научные еретики часто называют своими предшественниками Галилея и Эйнштейна. Но при этом они не всегда упоминают одну важную деталь: никто не разбирался в физике своего времени лучше, чем Галилей и Эйнштейн. Возможно, эти люди действительно сталкивались с сопротивлением со стороны научного истеблишмента - в этом нет никаких сомнений. И порой они сами ворчали по поводу этого сопротивления. Но если им и удавалось опровергнуть общепринятые представления, то делали они это, работая внутри существующей системы.

Сначала они в совершенстве осваивали все то, что уже было известно остальным, а затем развивали эти знания дальше. Иногда такое развитие означает, что приходится что-то разрушить и построить на его месте нечто лучшее. Но это совсем не история о людях, которые просто пришли с улицы со своими безумными идеями и добились успеха. В реальной истории науки, особенно когда речь идет о зрелых научных дисциплинах, где фундаментальные идеи хорошо изучены с самых разных сторон и накоплено множество надежно установленных результатов, быть хорошим еретиком чрезвычайно трудно. Хотя сама эта роль, конечно, кажется романтичной и привлекательной. Мне и самому хотелось бы быть таким еретиком. Но потом я смотрю на современное информационное пространство, на то, что людям рассказывают о физике. И я вижу, что ереси там слишком много. Обычному человеку, который просто хочет понять, как устроена Вселенная, слишком легко столкнуться именно со взглядами радикального меньшинства, а не с общепринятой научной картиной.

Буквально на днях вышла статья, которую сопровождал пресс-релиз с утверждением, будто Вселенная на самом деле вдвое старше, чем считалось до сих пор. К сожалению, это полнейшая чушь. Но даже люди, которым стоило бы разбираться в этом лучше, тут же ухватились за нее как за доказательство того, что космология вовсе не настолько устоявшаяся наука, как принято считать, и что возможно все что угодно. “А я всегда сомневался. У меня давно были подозрения, и теперь я вижу, что они подтвердились”, - примерно так это звучит. Но это просто чепуха. Обычное псевдонаучное сумасбродство. Поэтому мне кажется, что моя собственная задача заключается в другом. Я уже упоминал, что слышал критику в адрес этого подкаста за то, что ему якобы не хватает остроты и радикальности. И я воспринимаю это как повод для гордости. Моя цель никогда не состояла в том, чтобы эпатировать или идти против течения. Возможно, иногда так получается само собой или к этому приводит ход рассуждений. Но моя цель - быть правым.

Или, по крайней мере, помочь и вам, слушателям, и себе, ведущему этого подкаста, вместе двигаться к тому, чтобы все точнее и правильнее понимать реальный мир. Иногда для этого действительно нужно проявлять смелость, творческий подход, бунтарство и даже идти против общепринятых взглядов. А иногда нужно понять, почему научное сообщество придерживается именно такой точки зрения. Поэтому в этом сольном выпуске я хочу разобрать утверждения о том, что современная физика якобы переживает кризис. Я не собираюсь критиковать конкретных людей - речь сейчас не о них. Я буду разбирать конкретные идеи. И поскольку я хочу дать вам возможность самостоятельно решить, согласны вы со мной или нет, то, чтобы понять, действительно ли физика находится в кризисе, сначала необходимо разобраться, в каком состоянии она находится сейчас. Поэтому значительная часть этого, как я подозреваю, чрезмерно длинного выпуска будет посвящена основам: я постараюсь объяснить, как мы пришли к нынешнему положению дел и где именно находимся сегодня. Материала много, но, думаю, оно того стоит.

Почему разговоры о кризисе не исчезают

Для специалистов по современной физике большая часть выпуска, возможно, окажется повторением уже знакомого. Но я надеюсь, что для тех из вас, кто не занимается всем этим непосредственно, мой рассказ поможет многое прояснить. Хорошей отправной точкой для разговора о кризисе в физике может послужить один твит Мартина Бауэра. Мартин - очень хороший физик, и за ним определенно стоит следить в Twitter. Если вы еще продолжаете на кого-то там подписываться, пока Twitter окончательно не умер, советую подписаться на Мартина М. Бауэра. Так вот, Мартин пишет о “кризисе в физике элементарных частиц”. Он нашел статью, которая, по его мнению, точно и весьма любопытно описывает кризис в физике элементарных частиц, или, шире, в фундаментальной физике. И дальше он перечисляет, в чем именно этот кризис проявляется.

Теоретическая физика высоких энергий оказалась в сложном положении, потому что стала слишком узкоспециализированной. Нет очевидной теории, которая лидировала бы среди остальных и в конечном счете должна была победить. Физики готовы отходить от того, что говорят им экспериментальные данные, и сосредотачиваться на спекулятивных идеях. Сама научная система подавляет независимое мышление. Теоретики недостаточно взаимодействуют с экспериментаторами, экспериментаторы - с теоретиками, и так далее. Список там длинный. Я уже слишком давно наблюдаю за подобными дискуссиями, поэтому где-то к третьему или четвертому твиту в этой ветке начал догадываться, в чем шутка. А в самом конце Мартин раскрывает карты: оказывается, все эти цитаты взяты из огромной, примерно станиц на сто, статьи о кризисе в физике элементарных частиц, написанной в 1977 году. В этом и заключается шутка. Потому что всем постоянно кажется, что именно их область переживает кризис, верно? Или, по крайней мере, существует определенный тип людей, которые при любом реальном положении дел будут убеждены, что их область находится в кризисе.

Между тем сегодня многие из нас, оглядываясь назад, воспринимают середину 1970-х чуть ли не как золотой век физики элементарных частиц и квантовой теории поля. Именно тогда мы наконец начинали по-настоящему разбираться в калибровочных теориях, конфайнменте, Стандартной модели, киральной симметрии и тому подобных вещах. Инстантоны, непертурбативные эффекты - перечислять можно еще очень долго. В общем, 1970-е были золотым веком. И при этом мы видим человека, который уже тогда высказывал ровно те же претензии к состоянию физики, которые мы слышим сегодня. Как такое возможно и как нам следует воспринимать подобные заявления сейчас? Ведь сегодня жалобы на состояние физики звучат как от вполне уважаемых людей, так и от совершенно маргинальных безумцев. И сразу хочу сказать: хотя в этом выпуске я в какой-то степени буду защищать нынешнее положение дел в физике, безоговорочно оправдывать его я точно не собираюсь. У меня есть свои претензии, и я вполне готов критиковать как саму физику, так и сообщество физиков. Но делать это я хочу взвешенно, учитывая все нюансы.

Возьмем, например, основания квантовой механики. Вы наверняка слышали, как я говорил, что физическое сообщество настолько пренебрегает основаниями квантовой механики, что это просто стыд, позор и скандал. Но вы никогда не услышите от меня, что причина в каком-то заговоре. Что физики боятся потерять свои теплые места. Или что они действуют недобросовестно и просто боятся взглянуть правде в глаза. Ничего подобного я утверждать не собираюсь. Я скажу другое: они ошибаются. Научный истеблишмент в физике ошибается, не уделяя больше внимания изучению оснований квантовой механики. И я готов привести интеллектуальные аргументы, объясняющие, почему это ошибка. Я не собираюсь ставить под сомнение моральные качества этих людей, их намерения или добросовестность. Я хочу предложить более убедительные аргументы - и это совершенно нормально. Поэтому на протяжении всего этого выпуска я постараюсь аргументированно объяснить, в каких именно отношениях, на мой взгляд, современная фундаментальная физика могла бы работать лучше, чем она работает сейчас.

Сильное, слабое и отсутствующее понимание

Но в основном я просто буду объяснять, почему мы занимаемся физикой именно так и почему на самом деле в этом есть определенный смысл. Главная причина, по которой кажется, будто физика оказалась в столь серьезном затруднении, заключается в том, что физика слишком успешна. Вот в чем ирония. Кто-нибудь должен придумать красивое название для этой парадоксальной ситуации. Впервые в истории человечества физика стала слишком хорошо справляться с пониманием физического мира. И я хочу очень четко объяснить, что именно имею в виду, потому что, разумеется, остается огромное количество вещей, которых мы не понимаем. Но понимаем мы уже очень многое, и именно это создает для нас, физиков, определенные трудности. Ведь прогресс или хотя бы ощущение прогресса гораздо легче заметить, когда работа еще явно не закончена.

Когда прямо перед нами находятся явления, которых мы не понимаем, мы можем предлагать объяснения и тут же проверять их. Но сейчас мы оказались совсем в другой ситуации. Однако давайте выражаться точнее. Помимо того, что я физик, теперь я еще и профессиональный философ. Так что, полагаю, я просто обязан тщательно определять используемые термины и все в таком духе. Итак, когда я говорю, что физика что-то “понимает”, что именно я имею в виду? Есть определенная реакция, которую я сразу отброшу, потому что она основана на неверном понимании моих слов. Допустим, я говорю: “Мы понимаем гравитацию”. В 1915 году Эйнштейн создал общую теорию относительности. Она согласуется со всеми экспериментальными данными, позволила сделать предсказания, которые впоследствии подтвердились. В этом смысле гравитация хорошо изучена. Но обязательно найдутся люди, которые скажут: “Да, но на самом-то деле мы не понимаем гравитацию. Что вообще такое пространство-время?” Хорошо, я понимаю, о чем речь. Я даже не уверен, что на такой вопрос обязательно существует осмысленный ответ. Но сейчас я говорю не об этом. Так что этот вопрос я просто оставлю в стороне.

Когда я говорю о понимании, я имею в виду следующее: у нас есть четко сформулированная физическая теория, которая согласуется со всеми имеющимися данными и которую мы считаем точной и верной в пределах ее области применимости. Но давайте сформулируем еще точнее. Можно выделить разные уровни понимания, которые были бы понятны любому физику. Например, можно говорить о том, что я назову сильным пониманием. Именно такое понимание у нас есть, например, в случае общей теории относительности. Существует единственная хорошо проверенная теория, которая объясняет все имеющиеся данные в заявленной области своей применимости. При этом сама теория в каких-то случаях может, по сути, говорить: “Здесь я не знаю, что сказать”. Например, общая теория относительности ничего не может сказать о сингулярности черной дыры или Большого взрыва, а также о квантовой гравитации на малых масштабах. Но там, где общая теория относительности действительно позволяет делать предсказания, все эти предсказания, насколько нам известно сегодня, полностью согласуются с наблюдательными и экспериментальными данными.

И реальных конкурентов у нее нет. Нет таких альтернатив общей теории относительности, которые всерьез могли бы вытеснить ее. При этом множество людей, включая меня самого, работали над модификациями и расширениями общей теории относительности или даже над теориями, которые в некотором смысле могли бы лежать в ее основе. Но сама общая теория относительности никуда не исчезнет. Она останется с нами навсегда. Здесь ситуация похожа на ньютоновскую теорию гравитации или ньютоновскую динамику. Их фундаментальная онтология, глубинное представление о том, что в мире реально и существенно, как выяснилось, не соответствует действительности. У нас нет ни абсолютного пространства, ни абсолютного времени, ни дальнодействия - ничего из этих фундаментальных особенностей ньютоновской гравитации. Но сама теория остается точной в пределах своей области применимости.

Поэтому ньютоновская гравитация никуда не исчезла. Если вы хотите отправить ракету на Луну или поймать бейсбольный мяч, ньютоновская гравитация прекрасно вам подойдет. То же самое относится и к общей теории относительности. Она никуда не денется. Именно это я называю сильным пониманием на уровне физики. Далее можно говорить о слабом понимании. Слабое понимание возникает в тех ситуациях, когда у нас есть несколько теорий. В принципе, каждая из них способна объяснить имеющиеся данные, но в настоящий момент мы не можем определить, какая из них верна. Таких примеров немало. Один из самых наглядных - квантовая механика, а точнее, ее основания. Именно с такой проблемой мы там сталкиваемся. В 1920-е годы у нас фактически не было ни одной полноценной и убедительной теории квантовой механики. У нас был набор довольно ситуативных правил, которые со временем оформились в то, что мы называем копенгагенской интерпретацией.

Но начиная с 1950-х годов появились бомовская механика, многомировая интерпретация, а затем и модели объективного коллапса и другие подходы. В результате сегодня у нас есть несколько вполне состоятельных физических теорий, которые дают одинаковые предсказания для всех собранных нами к настоящему моменту данных. Можно надеяться, а в некоторых случаях мы точно знаем, что в дальнейшем их предсказания начнут расходиться. Но пока имеющиеся данные не позволяют их различить: мы фактически построили эти теории так, чтобы они давали одинаковые предсказания. Вот это я называю слабым пониманием. У нас есть теории, которые потенциально могут оказаться верными, но мы не знаем, верна ли хотя бы одна из них и если да, то какая именно. Более того, вполне возможно, что правильной в итоге окажется теория, которую мы еще даже не придумали. И это относится не только к квантовой механике. Есть и другие известные примеры, в частности в космологии - темная материя и темная энергия. Космологи постоянно говорят об этих вещах. И здесь нужно быть немного осторожнее, рассуждая о том, насколько хорошо мы их понимаем.

Очень легко сказать: “Ну, 95% Вселенной состоит из чего-то, чего мы совершенно не понимаем”. Но это просто неправда, так говорить не следует. Эти 95% Вселенной, из которых примерно 70% приходится на темную энергию, а 25% - на темную материю, представляют собой компоненты, природу которых мы пока не установили окончательно. Но это совсем не то же самое, что утверждать, будто мы вообще ничего о них не понимаем. На самом деле мы знаем огромное количество вещей об их свойствах. Мы знаем, сколько во Вселенной темной материи и темной энергии. Знаем, где они находятся, и с очень хорошей точностью знаем, как они себя ведут. Кроме того, в обоих случаях у нас есть несколько теорий, способных объяснить происходящее. В случае темной материи у нас есть вимпы, аксионы и множество других кандидатов. В случае темной энергии есть энергия вакуума, или космологическая постоянная, что в данном контексте одно и то же, а также динамические поля вроде квинтэссенции и другие варианты. Но мы не знаем, какая из этих идей верна и верна ли вообще хоть одна из них.

Поэтому я бы отнес это к слабому пониманию. Кое-что о самом явлении мы понимаем. У нас есть несколько теорий, способных объяснить имеющиеся данные, но мы пока не выяснили, какая из них верна и верна ли какая-либо вообще. А бывают случаи, когда понимания у нас попросту нет - ни сильного, ни слабого. То есть у нас нет ни одной надежной теории, которая объясняла бы имеющиеся данные. Классический пример из современной физики - то, что произошло во время Большого взрыва. Мы просто не знаем, что там произошло. Что было до Большого взрыва? И вообще, имеет ли смысл говорить о каком-то “до”? Мы этого просто не знаем. И здесь нужно быть честными. У нас есть довольно приблизительные, умозрительные модели. И опять же, к созданию некоторых из них приложил руку и я сам. Но ни одна из них пока не дотягивает до уровня по-настоящему убедительной теории. Представьте, что завтра мы обнаружим вимп или аксион. Мы тогда скажем: “Ага, отлично. Вот и ответ. Мы давно пытались разобраться, а теперь наконец знаем”.

Когда же речь идет о событиях во время Большого взрыва, сегодня у нас нет ни одной такой теории, обнаружив подтверждение которой мы бы сразу сказали: “Вот оно!” и безоговорочно ее приняли. Эти теории пока слишком сырые. Они находятся примерно в том положении, в каком, возможно, находилась квантовая механика в 1925 году. И исторически на протяжении большей части развития физики перед нами почти всегда стояли большие, очевидные проблемы, на которые можно было прямо указать и сказать: вот этого мы совершенно не понимаем. Причем речь шла о явлениях, вполне доступных экспериментальному изучению. Сегодня мы говорим, что совершенно не понимаем, что произошло во время Большого взрыва. Но ведь сам Большой взрыв мы тоже не можем увидеть, верно? Это случилось очень давно. И что еще важнее, говоря сейчас о Большом взрыве, я имею в виду буквально самый начальный момент, а не модель Большого взрыва в целом.

Модель Большого взрыва описывает то, что происходило на протяжении последующих примерно 14 миллиардов лет: Вселенная расширялась и остывала, начав с горячего и плотного состояния, затем формировались и объединялись галактики. Все это относится к модели Большого взрыва, и здесь у нас все в полном порядке. А вот о том, что произошло непосредственно в начальный момент Большого взрыва, мы ничего не знаем. Причем именно особенности состояния Вселенной сразу после этого предполагаемого начального момента и мешают нам понять, что тогда произошло. Локально Вселенная, по сути, находилась в состоянии, близком к тепловому равновесию. Строго говоря, настоящего теплового равновесия не было, поскольку Вселенная расширялась. Но горячая плотная плазма была довольно однородной и практически лишенной каких-либо особенностей. Из нее не так уж много можно извлечь. Хотя кое-что, конечно, можно. Мы изучаем температурные флуктуации реликтового излучения и благодаря им узнаем очень многое, но все же меньше, чем нам хотелось бы. И уж точно они не дают нам прямых свидетельств того, что произошло непосредственно в момент Большого взрыва.

Почему нынешняя ситуация необычна

Все это я рассказываю для того, чтобы противопоставить нынешнюю ситуацию той, которая существовала, скажем, сто лет назад. Сто лет назад мы знали о протонах, нейтронах и атомных ядрах, но совершенно не представляли, что удерживает эти ядра вместе. У нас вообще не было понимания того, что сегодня мы называем сильным и слабым ядерными взаимодействиями. А еще за сто лет до этого мы не знали, что такое свет. Мы считали его волной, но у нас еще не было максвелловской теории электромагнетизма, которая объяснила бы, что свет представляет собой волну электромагнитного поля, описываемую соответствующими уравнениями и всем остальным. И конечно, если заглянуть еще дальше в историю физики, можно найти еще более очевидные примеры. В целом история физики выглядит примерно так: какие-то вещи мы в определенной степени понимали, но одновременно существовали совершенно очевидные явления, на которые можно было буквально указать пальцем и сказать, что мы вообще не понимаем, как они работают.

И именно над этим мы трудились, пытаясь создать теории, которые могли бы их объяснить. По-настоящему необычная особенность нынешнего момента заключается в том, что сегодня у нас есть по крайней мере слабое, а в некоторых случаях и сильное понимание всего, что мы способны непосредственно исследовать экспериментально. Все, что находится рядом с нами, мы понимаем на сильном уровне. Как я уже неоднократно говорил, законы физики, лежащие в основе повседневной жизни, полностью понятны. Что я имею в виду? Вас самих, все атомы, из которых вы состоите, все силы, которые удерживают их вместе и заставляют двигаться, а также всех людей, которых вы когда-либо встречали, пол, по которому вы ходите, окружающий вас воздух, солнечный свет, Землю, Луну и звезды - все это мы понимаем на сильном уровне. У нас есть правильная теория, которая объясняет происходящее.

И у нас есть по крайней мере слабое понимание любого явления, доступного экспериментальному изучению. Как я уже говорил, темную материю и темную энергию мы пока не понимаем на сильном уровне, но слабое понимание у нас есть. Иными словами, среди доступных экспериментальному исследованию явлений практически не осталось таких, о которых мы вообще ничего не понимаем. И вот это действительно нечто новое. В истории физики такого раньше не было. Поэтому, если вы позволите, я хотел бы немного рассказать о том, как мы к этому пришли. Конечно, рассказ получится очень схематичным, потому что речь, по сути, идет обо всей истории физики или, по крайней мере, всей истории современной физики. Но прежде чем перейти к ней, я хочу ненадолго остановиться и упомянуть еще одну вещь, чтобы потом не забыть. В физике были 1920-е годы. Это было совершенно выдающееся десятилетие. Именно тогда сформировалась квантовая механика, но дело было далеко не только в ней. Проводились чрезвычайно важные эксперименты, связанные в том числе с радиоактивностью, не говоря уже об открытии расширения Вселенной.

А если посмотреть шире на всю первую половину XX века, то есть на период с 1900 по 1950 год, картина становится еще впечатляющей. Очень удобно, что именно в 1900 году Планк выдвинул гипотезу о дискретных порциях энергии, испускаемых при излучении абсолютно черного тела, что в конечном счете привело к появлению квантовой механики. А к 1950 году мы уже успели создать атомную бомбу. Кстати, я забыл упомянуть об этом во вступлении: если вы недавно смотрели “Оппенгеймера”, то знаете, что физика имеет значение не только для нашей интеллектуальной жизни, но и для повседневной реальности. За первую половину XX века произошло невероятно много. Мы создали специальную теорию относительности, общую теорию относительности, квантовую механику, квантовую теорию поля, физику элементарных частиц, модель Большого взрыва, открыли расширение Вселенной - и это далеко не все. Это была совершенно уникальная эпоха в истории физики. Происходило настолько много всего, что во второй половине XX века, если говорить о фундаментальной физике… Хотя снова остановлюсь, простите. Я опять кое-что забыл. Для таких сольных выпусков мне явно стоит писать более подробные заметки. Я забыл сказать еще одну важную вещь.

Если уж где-то и предполагается кризис, то не в физике вообще, а лишь в одной небольшой ее области - той, которую можно назвать фундаментальной физикой, физикой высоких энергий, физикой элементарных частиц или как-то в этом духе. Во множестве других областей физики все идет прекрасно, и там трудно найти хоть что-то, что можно было бы назвать кризисом. Это касается физики плазмы, атомной и молекулярной физики, биофизики и даже, пожалуй, астрофизики, физики конденсированного состояния, физики мягкой и твердой материи и множества других направлений. Все они прекрасно развиваются, и интересных открытий там сейчас больше, чем когда-либо. Поэтому, когда люди говорят о “кризисе в физике”, они тем самым демонстрируют, что уделяют непропорционально много внимания лишь определенному виду физики. Правда, именно этим видом физики занимаюсь и я, поэтому мне он, конечно, небезразличен.

Но на вопрос о кризисе в физике можно дать простой и немного легкомысленный ответ: нужно просто обращать больше внимания на остальные области физики. И все же важно понимать, что происходит в фундаментальной физике, и хочется надеяться, что она продолжит двигаться вперед. Именно о ней мы сегодня и говорим. Итак, возвращаясь к тому, что я рассказывал о второй половине XX века. Для фундаментальной физики это было чрезвычайно увлекательное время. Физики осмыслили существование черных дыр, а затем обнаружили их. Мы создали Стандартную модель физики элементарных частиц, построили гигантские ускорители и открыли множество замечательных частиц. В 1998 году мы обнаружили ускоренное расширение Вселенной. Но теперь, когда эта половина столетия уже осталась позади, можно выдвинуть любопытную мысль. Я не уверен, насколько она убедительна, но на первый взгляд она кажется вполне правдоподобной: практически все захватывающие достижения фундаментальной физики второй половины XX века на самом деле были завершением и доведением до ума программы, начатой еще в первой половине столетия. В первой половине XX века у нас уже в определенном смысле существовали квантовая механика и квантовая теория поля.

Создание Стандартной модели сводилось к тому, чтобы выяснить, какая именно квантовая теория поля правильно описывает реальный мир. У нас уже была общая теория относительности. Поэтому открытие черных дыр, реликтового излучения и других подобных явлений во многом стало следствием того, что мы всерьез отнеслись к общей теории относительности и начали разбираться, какие именно предсказания из нее следуют. По всем возможным меркам вторая половина XX века была невероятно захватывающим временем для физики. Но при этом она во многом опиралась на грандиозные достижения первой половины столетия. Мы уже говорили о том, что людям постоянно кажется, будто именно их эпоха переживает какой-то кризис. Ричард Фейнман, которого сегодня мы воспринимаем как блестящего и чрезвычайно значимого физика, внесшего фундаментальный вклад в науку, в свое время сетовал, что не застал по-настоящему захватывающие события 1920-х годов. Но как бы то ни было, вторая половина XX века тоже была чрезвычайно интересным периодом, когда удалось добиться огромного прогресса.

Теперь мы живем в первой половине XXI века, и движение вперед несколько замедлилось. Причина, если говорить совсем просто, заключается в том, что мы закончили наводить порядок, расставлять все точки над i и доводить до завершения те грандиозные революции, которые произошли в первой половине XX века. И я хочу особо это подчеркнуть, потому что первую половину XX века не следует воспринимать как норму. Нас просто избаловали. Обычно в физике не происходит столько всего одновременно. Обычно фундаментальная физика не переживает по несколько революций за десятилетие. Думаю, если быть честными, то, несмотря на мой аргумент, который я уже приводил и еще буду приводить, о том, что сейчас мы находимся в несколько необычной ситуации, поскольку располагаем теорией, согласующейся со всеми данными, нынешние темпы прогресса сами по себе гораздо типичнее для фундаментальной физики, чем темпы XX века, особенно его первой половины. Так что нам придется смириться с тем, что далеко не всегда все будет происходить так же стремительно, как в первой половине XX века.

От относительности к квантовой теории поля

Это был совершенно особый исторический период. Возможно, в будущем нас ждут столь же захватывающие времена. Но суть в том, что нельзя рассчитывать на подобный уровень научного прогресса каждые полвека. Итак, с общим контекстом мы немного разобрались, а теперь я хочу перейти к конкретике. Хочу подробнее рассказать о том, что именно представляет собой наше нынешнее понимание физики, потому что это важно для осознания того, почему выйти за его пределы настолько трудно. Итак, у нас есть пространство-время. Разумеется, я рассказываю обо всем этом крайне схематично. Этот подкаст не даст вам исчерпывающего курса по данной теме. Но основная идея заключается в том, что пространство и время объединены в единое пространство-время. Это следует из теории относительности. Эйнштейн, опять же, придал ей окончательный вид в 1905 году.

Хотя можно утверждать, что последняя важная деталь появилась в 1907 году, когда Минковский указал, что специальную теорию относительности следует воспринимать именно как теорию пространства-времени. Поначалу Эйнштейн не слишком охотно принимал эту идею, но со временем понял, что она очень хороша. При этом сам Эйнштейн опирался на достижения, сделанные еще в конце XIX века. Даже до 1905 года такие ученые, как Лоренц, Фицджеральд, Пуанкаре и другие, уже разработали значительную часть того, что было необходимо. Все основные составляющие уже существовали, оставалось соединить их в специальную теорию относительности. Именно Минковский по-настоящему сформулировал идею о том, что ее следует воспринимать как теорию пространства-времени. А затем, в 1915 году, Эйнштейн, к тому моменту уже полностью принявший представление о пространстве и времени как о едином целом, а не о двух отдельных сущностях, как в ньютоновской физике, заявил, что пространство-время может быть искривлено и именно эта кривизна представляет собой гравитацию. Так появилась общая теория относительности.

Обе эти теории, специальная и общая теория относительности, сохранились до наших дней. Специальная теория относительности описывает пространство-время в тех случаях, когда гравитация не играет существенной роли, то есть когда кривизной пространства-времени можно пренебречь и считать его практически плоским. Общая теория относительности включает гравитацию и позволяет делать такие предсказания, как существование Большого взрыва, черных дыр и так далее. Следующая составляющая - квантовая механика. Первые намеки на нее, опять же, появились на самом рубеже XIX и XX веков, однако убедительную количественную форму она приобрела лишь в 1920-е годы. Тогда появились матричная механика Гейзенберга и его коллег и волновая механика Шрёдингера. В конечном счете доминирующей стала копенгагенская интерпретация. Именно она превратилась в основной способ осмысления квантовой механики.

Вы уже слышали от меня, что с квантовой механикой мы еще не разобрались до конца. Кстати, Эйнштейн в свое время тоже так считал. Но сейчас я не буду углубляться в этот вопрос. Хочу лишь отметить, насколько впечатляет скорость, с которой физики приняли квантовую механику и начали работать в рамках новой квантовой картины мира. Если взять период с 1900 по 1927 год, то именно в 1927 году состоялась пятая Сольвеевская конференция, которая в некотором смысле ознаменовала окончательное формирование нашего современного понимания квантовой механики. Учитывая, насколько революционной была квантовая механика и насколько радикально она отличалась от ньютоновской парадигмы, которая до того времени демонстрировала невероятную успешность, я испытываю огромное уважение к физикам той эпохи. Они оказались готовы отказаться от очень многого, что прежде прекрасно работало, в том числе от всей парадигмы детерминистской лапласовской эволюции, заложенной Ньютоном, и заменить ее квантовой механикой. Так что честь им и хвала. Думаю, история и без меня уже воздала им должное.

А затем, конечно, появилась квантовая теория поля. И здесь я хочу особо подчеркнуть: квантовая теория поля не является преемницей квантовой механики. Иногда в этом возникает небольшая путаница. Квантовая механика пришла на смену классической механике. Но при этом квантовая механика представляет собой общую концептуальную основу, в рамках которой можно изучать самые разные системы: гармонический осциллятор, спины и многое другое. Поля - всего лишь один из типов систем, которые можно исследовать в рамках квантовой механики. А квантовая теория поля - это именно квантовая теория полей. То есть это квантовая теория, существующая внутри общей структуры квантовой механики. Она не отделена от квантовой механики и не заменяет ее. При этом квантовая теория поля полностью совместима со специальной теорией относительности. С общей теорией относительности она совместима лишь до определенной степени, но к этому я вернусь через минуту.

Иногда люди спрашивают: “Можно ли вообще согласовать специальную теорию относительности с квантовой механикой?” И ответ здесь однозначный: да. По сути, это было сделано еще в 1930-е годы. Так что пора наверстывать упущенное. Релятивистская квантовая теория поля - это наше лучшее на сегодняшний день описание фундаментальной физики, и она полностью учитывает все уроки специальной теории относительности.

Главная идея квантовой теории поля заключается в том, что на фундаментальном уровне никаких частиц как самостоятельных сущностей не существует. Мир в своей основе состоит из полей. Неважно, говорим ли мы о фотонах и гравитонах, связанных соответственно с электромагнитным и гравитационным полями, или об электронах, нейтрино и кварках - в основе всего этого лежат поля. Поле представляет собой нечто, заполняющее все пространство-время, имеющее определенное значение в каждой его точке и обладающее собственной динамикой. Поля могут вибрировать, совершать колебания. А эти колебания мы воспринимаем как частицы. Почему? Потому что так устроена квантовая механика.

В математическом отношении здесь происходит ровно то же самое, что и при испускании фотонов атомом. Одним из главных наблюдений, вдохновивших первоначальную квантовую революцию, было то, что длины волн света, испускаемого атомами, квантуются, то есть принимают дискретные значения. Мы наблюдаем одни определенные частоты и не наблюдаем другие. Возникают спектральные линии. Почему? Потому что электроны занимают орбитали с различными дискретными уровнями энергии. Когда мы наблюдаем излучение атома, мы видим результат перехода электрона с одной дискретной атомной орбитали на другую. Но здесь важно понимать следующее: квантовая механика не является теорией каких-то “пикселей”, квантов или чего-то подобного. Это теория волновых функций, которые сами по себе совершенно гладкие. Для них существует уравнение - уравнение Шрёдингера. И когда вы решаете это уравнение, то получаете дискретный набор решений для электрона в атоме.

Это похоже на то, как при колебании струны скрипки или гитары возникают определенные частоты - основной тон и обертоны. Именно поэтому мы наблюдаем дискретность. Не потому, что она изначально заложена в саму теорию, а потому, что она возникает в конкретных решениях ее уравнений. Ровно то же самое происходит и в квантовой теории поля. Почему мы наблюдаем частицы? В фундаментальном определении теории никакой “частичности” нет. Частицы возникают потому, что решения теории образуют дискретные наборы. Есть решение с минимально возможной энергией, которое мы называем вакуумом, и в нем нет частиц. Затем существует набор решений с небольшим количеством дополнительной энергии, который мы называем одночастичными состояниями. Частица может покоиться, и тогда ее энергия будет минимально возможной. А может двигаться, и тогда ее энергия будет выше, но все это по-прежнему относится к одному набору решений. Затем существует другой набор - двухчастичные состояния, потом трехчастичные и так далее.

Перенормировка и Кен Уилсон

Все наши разговоры о физике элементарных частиц - это, по сути, язык, которым мы описываем решения уравнений квантовой теории поля. Таким образом, на фундаментальном уровне мы говорим на языке полей, а при наблюдениях видим частицы. И есть еще одна вещь, которую я хочу сказать о квантовой теории поля и которая будет чрезвычайно важна для дальнейшего рассказа. Это концепция эффективной теории поля. Она появилась значительно позже, в 1960-е и 1970-е годы, благодаря Кену Уилсону и другим ученым. Идея заключается в следующем. В 1930-е и 1940-е годы выяснилось, что если просто взять квантовую теорию поля, например квантовую электродинамику, или КЭД, то возникают определенные сложности. КЭД - это теория электронов, позитронов и фотонов или, если выражаться точнее, лежащих в их основе полей. То есть у нас есть электромагнитное поле, электронное поле, позитронное поле, а квантовая электродинамика описывает их взаимодействия. Физики довольно быстро записали уравнения, которые, по их предположению, должны были описывать такую теорию, и почти сразу же столкнулись с серьезными проблемами.

Можно было сделать приближенный расчет того, что предсказывает теория, и результат вроде бы оказывался правильным. Но стоило выйти за рамки этого приближения, как возникали бесконечности. Вы получали интеграл, вычисляли его, а ответ оказывался бесконечно большим. И это, конечно, выглядело не слишком хорошо. Поэтому в 1940-е и 1950-е годы такие физики, как Фейнман, Томонага, Швингер и Дайсон, разработали способ перенормировки квантовой теории поля. На мой взгляд, эту процедуру всегда представляли более странной и загадочной, чем она есть на самом деле. Для меня это просто особый способ взятия предела, то есть вполне стандартный прием из математического анализа. Если действовать наивно, вы получаете бесконечность. А на самом деле вам нужно, условно говоря, вычесть бесконечность из бесконечности и получить конечный ответ. Но если просто сказать: “Вот одна бесконечность, вот другая, вычтите одну из другой и скажите мне, какой получится конечный ответ”, то задача будет некорректно поставлена. Так делать нельзя.

Однако при определенных физических условиях, когда вы четко понимаете, какую именно величину хотите получить, такую задачу можно сформулировать вполне корректно. Можно рассмотреть предел, в котором одна величина становится все больше и больше, а вместе с ней растет и другая. По отдельности обе стремятся к бесконечности, но если правильно вычесть одну из другой, в итоге можно получить конечный результат. Поэтому сама идея перенормировки меня никогда особенно не беспокоила. И все же она намекала на то, что в фундаментальных основаниях квантовой теории поля, возможно, есть нечто не вполне ясное. И вот в 1960-е годы Кен Уилсон начал работать над этой проблемой. Если вспомнить исторический контекст, как раз тогда люди только начинали использовать компьютеры для вычислений более серьезного масштаба, чем раньше. Компьютеры уже существовали, но применялись в основном для довольно простых задач. Идея моделировать квантовую теорию поля на компьютере тогда еще совершенно не была общепринятой. Но именно этим, среди прочего, занимался Уилсон.

Размышляя над этой задачей, он понял, что можно поступить самым прямолинейным образом: взять все пространство-время и сделать его дискретным. То есть вместо того, чтобы считать пространство-время под моими ногами гладким и непрерывным, можно представить его в виде решетки - набора точек, расположенных друг от друга на определенном расстоянии. А затем приблизительно описывать квантовую теорию поля с помощью конечно-разностных математических методов, вместо того чтобы решать гладкие дифференциальные уравнения, которые задает сама теория. Это не предполагалось как замена исходной теории, а было всего лишь вычислительным инструментом. Можно использовать так называемую решеточную квантовую теорию поля в качестве приближения, а затем повторять вычисления для решеток с разным размером ячеек. А затем можно устремить размер ячейки решетки к нулю и, предположительно, в этом пределе восстановить гладкое пространство-время исходной теории. Уилсон понял, что уже на первом этапе, как только вы переносите теорию на решетку, все бесконечности немедленно исчезают.

Причину появления этих бесконечностей можно понять с помощью диаграмм Фейнмана. Одним из достижений Фейнмана был способ рассчитывать процессы рассеяния в квантовой теории поля с помощью небольших схематичных рисунков, на которых частицы сталкиваются друг с другом. И одно из достоинств диаграмм Фейнмана состоит в том, что они позволяют увидеть, где именно могут скрываться бесконечности. А скрываются они в петлях этих диаграмм. Представьте, что вы рисуете различные схематичные диаграммы Фейнмана, изображающие, как электроны, позитроны и фотоны сталкиваются, рассеиваются и затем разлетаются в разные стороны. Самые простые из этих диаграмм называются древесными. Они состоят из линий, но среди них нет замкнутого контура, который можно было бы обвести пальцем. Внешне такая диаграмма действительно немного напоминает дерево. Но существуют и более сложные, топологически более запутанные диаграммы, где где-то посередине появляется петля, по которой при желании можно было бы бесконечно водить пальцем по кругу.

Согласно правилам, сформулированным Фейнманом, каждая такая диаграмма представляет отдельный численный вклад в окончательный ответ, который мы пытаемся получить. Например, какова вероятность того, что данный электрон рассеется на данном позитроне? И когда в диаграмме появляется петля, при вычислениях возникает вопрос: какой энергией или каким импульсом обладает конкретная частица внутри этой петли? Ответ состоит в том, что этот импульс ничем однозначно не ограничен. Существует бесконечный набор возможных значений импульса, которые может иметь любая частица внутри петли, при условии, что они правильно согласуются с импульсами остальных частиц в этой петле. В каждой вершине диаграммы энергия сохраняется. Но при этом мы рассматриваем некоторый неопределенный, ничем не ограниченный импульс, циркулирующий по петле. Его буквально называют петлевым импульсом. Название не слишком изобретательное.

И Уилсон понял - в принципе, это было известно и раньше, но именно он в полной мере осознал последствия - что бесконечности возникали потому, что в петлях диаграмм Фейнмана учитывались сколь угодно большие значения импульса. Вы позволяли импульсу принимать любые значения от нуля до бесконечности и складывали вклады от всех этих вариантов. А в квантовой теории поля, как и в квантовой механике в целом, большой импульс и высокая энергия соответствуют малым расстояниям. В конечном счете причина в том, что все имеет волновую природу. Волны с высокой энергией имеют короткую длину волны, а значит, именно они позволяют исследовать очень малые расстояния. Поэтому, когда Уилсон попытался перенести квантовую теорию поля на решетку, чтобы провести компьютерное моделирование, все бесконечности исчезли. Ведь теперь он больше не учитывал сколь угодно малые расстояния. Введение решетки просто исключило их из рассмотрения. Мы с вами, возможно, сказали бы: “Ну хорошо, для компьютерного моделирования это оказалось удобно, и прекрасно”.

Но гениальность некоторых людей как раз и заключается в способности увидеть глубокие следствия того, что у остальных находится прямо перед носом. И Уилсон задался вопросом: а почему я вообще решил, что знаю, что происходит на сколь угодно малых расстояниях? С чего я взял, что понимаю физику при стремлении масштаба длины к нулю? В конце концов, не знаю, говорил ли сам Уилсон об этом именно так, но сегодня мы бы обязательно вспомнили о так называемом планковском масштабе. Это масштаб длины… Я никогда не помню точное значение, что-то вроде сантиметров. По всей видимости, именно на таких масштабах становится существенной квантовая гравитация. Возможно, само пространство-время на этих масштабах уже нельзя считать четко определенным. Так что я просто не знаю, что там происходит. Я не знаю, какие новые частицы могут существовать на таких масштабах. Возможно, существуют чрезвычайно тяжелые частицы. А массивная частица обладает большой энергией, поскольку . Поэтому соответствующая очень массивной частице длина волны будет очень короткой. Возможно, существуют виртуальные частицы с огромной массой, о которых мы ничего не знаем и которые способны изменить картину.

Гениальность Уилсона заключалась в понимании того, что совершенно неважно, что именно происходит на чрезвычайно малых расстояниях и при чрезвычайно высоких энергиях. Именно там скрывались бесконечности, но одновременно это была область, о которой мы вообще не имели права утверждать, будто знаем, что там происходит. Поэтому Уилсон предложил поступить честно и задаться вопросом: можем ли мы заниматься физикой низких энергий и больших длин волн, вообще не уточняя, что происходит при высоких энергиях? В каком-нибудь другом возможном мире ответ мог бы оказаться отрицательным. Возможно, чтобы понять происходящее на больших расстояниях, обязательно потребовалось бы знать, что происходит на малых. Но в нашем мире, как выяснилось, это не так. Поэтому Уилсон говорит: давайте сформулируем это прямо и честно. Введем то, что сегодня называется ультрафиолетовым обрезанием.

То есть зададим некоторый энергетический предел, выше которого мы не имеем представления о происходящем, а ниже которого попытаемся построить теорию, описывающую физику. Таким образом, ультрафиолетовое обрезание отделяет энергетические масштабы или масштабы длины, которые мы считаем понятными, то есть низкие энергии и большие длины волн, от тех, которые мы не претендуем понимать, то есть малых расстояний, коротких длин волн и высоких энергий. Уилсон показал, что все это вполне согласуется с самой идеей перенормировки. Ведь можно было бы возразить: “Хорошо, если я просто игнорирую происходящее при высоких энергиях, разве это не создаст проблемы? Ведь там могут происходить процессы, которые окажутся важными”. Но Уилсон сумел показать, что да, при высоких энергиях действительно может происходить что угодно, однако с точки зрения низкоэнергетической динамики все это проявляется лишь через конкретные численные значения параметров, входящих в низкоэнергетические уравнения движения.

Например, масса частицы, константы связи вроде постоянной тонкой структуры или ее аналога для сильного взаимодействия, вакуумное среднее значение поля Хиггса и различные другие параметры физики элементарных частиц действительно зависят от выбранного ультрафиолетового обрезания. Но никакой принципиально новой информации вместе с этим не появляется. Или, если точнее, появляется небольшое количество дополнительной информации. Но и ее можно включить в то, что мы называем нерелевантными операторами. Там есть целая сложная процедура. Это лишь часть большой, глубокой и красивой теории эффективного поля. Основная идея эффективной теории поля состоит в том, что квантовой теорией поля можно совершенно спокойно пользоваться при энергиях ниже ультрафиолетового обрезания, не зная, какая физика действует выше него. Даже если выше этого энергетического предела само пространство-время перестает существовать в привычном нам виде, вам не обязательно об этом знать. На вашей низкоэнергетической эффективной квантовой теории поля это не отразится.

За эту и другие связанные с ней работы Уилсон получил Нобелевскую премию, а заодно заслужил вечное почтение современных специалистов по квантовой теории поля. Кстати, если вам интересно, почему я отношусь ко всему этому с таким энтузиазмом, значительная часть второго тома моей серии “Самые большие идеи во Вселенной” будет посвящена именно этой теме. Напомню, первый том моей серии, “Пространство, время и движение”, целиком посвящен классической физике, включая теорию относительности. Второй том будет называться “Кванты и поля”. Немного места там будет отведено квантовой механике, но в основном речь пойдет о квантовой теории поля и физике элементарных частиц. И огромное внимание я уделяю эффективной теории поля, диаграммам Фейнмана и перенормировке. Суть этой серии книг, как вы помните, заключается в том, что я показываю вам немного уравнений, чтобы вы могли увидеть, как все это действительно работает. Вы сможете наглядно понять, что значит ввести ультрафиолетовое обрезание, почему динамика от него не зависит и как перенормировка позволяет изменить параметры теории таким образом, чтобы физические предсказания не зависели от конкретного значения ультрафиолетового обрезания, и так далее. К сожалению, книга выйдет только в начале следующего года.

Но отметьте у себя в календаре 2024 год, когда появится второй том “Самых больших идей во Вселенной”. Тогда, надеюсь, все это станет гораздо понятнее. Итак, перед нами ситуация из разряда “есть хорошая новость и плохая новость”. В чем хорошая новость? Хорошая новость заключается в том, что эффективные теории поля действительно эффективны. В каком-то смысле мы пользовались этим обстоятельством еще до того, как поняли, почему оно работает. Первую теорию поля, которую можно назвать современной квантовой теорией поля, сформулировал Энрико Ферми в своей теории бета-распада. Он рассматривал поля протонов, нейтронов, электронов и нейтрино. Сегодня мы знаем, во-первых, что протоны и нейтроны не являются элементарными. Их по-прежнему можно описывать с помощью полей, а соответствующие частицы рассматривать как возбуждения этих полей, но теперь у нас есть более глубокая картина, согласно которой они состоят из кварков и глюонов и так далее.

Во-вторых, мы знаем, что взаимодействие, ответственное за бета-распад, является одним из проявлений слабого взаимодействия, переносчиками которого служат W-бозоны. Ферми ничего этого не знал. Почему же Ферми в 1930-е годы смог создать настолько хорошую теорию, ничего не зная ни о кварках и глюонах, ни о W-бозонах? Ответ заключается в том, что фактически он построил эффективную теорию поля. Его теория справедлива ниже определенного энергетического масштаба. В этом и заключается особенность эффективных теорий поля: они справедливы при энергиях ниже ультрафиолетового обрезания. Выше этого предела они могут продолжать работать, а могут и перестать. Когда вы переходите за ультрафиолетовое обрезание, могут вступить в игру совершенно новые физические явления: новые частицы, новые поля, а возможно, даже нечто, вообще не описываемое квантовой теорией поля. В этом и состоит сила эффективной теории поля. Она не требует предполагать, что фундаментальная природа реальности обязательно описывается квантовой теорией поля.

На доступных нам низких энергиях реальность все равно будет чрезвычайно хорошо описываться квантовой теорией поля. Даже если на самом глубоком уровне там находятся струны, петли, треугольники или что угодно еще, на эффективном уровне, ниже ультрафиолетового обрезания, квантовая теория поля по-прежнему будет работать. Именно на это, по сути, и наткнулся Ферми. Его теория остается справедливой вплоть до энергетического масштаба W-бозона, который составляет около 80 миллиардов электронвольт, а это намного выше энергий, доступных физикам в 1930-е годы. Это хорошая новость. А плохая новость заключается ровно в том же самом. То самое свойство, благодаря которому эффективные теории поля настолько хорошо работают при низких энергиях и которое позволяет нам проверять их, например, на Большом адронном коллайдере, одновременно чрезвычайно затрудняет поиск ответов на вопросы о том, что происходит за ультрафиолетовым обрезанием.

Потому что, если вы буквально не построите ускоритель частиц и не начнете сталкивать частицы при энергиях рассеяния выше этого ультрафиолетового предела, эффективная теория поля будет продолжать давать вам тот ответ, который… простите, не тот, который вы хотите получить, а тот, который вам нужен. Она будет давать вам правильный ответ. Существует явление, которое называется развязкой. Очень легко представить, что при высоких энергиях, выше ультрафиолетового обрезания, могут происходить самые разные процессы: там могут существовать тяжелые частицы, новые симметрии, новые силы, дискретное пространство-время - все что угодно. Но проводя эксперименты только при более низких энергиях, вы не сможете определить, какой из этих вариантов соответствует действительности. А под “более низкими энергиями” мы здесь понимаем энергии ниже максимальных, которых удалось достичь в современных экспериментах, то есть нескольких триллионов электронвольт на Большом адронном коллайдере. Поэтому эффективные теории поля замечательны тем, что позволяют нам чрезвычайно точно описывать мир.

Но одновременно они, к сожалению, объясняют, почему так трудно выйти за пределы нашего нынешнего лучшего понимания. Косвенные свидетельства крайне ограничены в том, что они вообще способны нам сообщить, а получить прямые экспериментальные данные очень дорого. Для этого приходится строить гигантские ускорители частиц. Это чрезвычайно важная часть нашего рассказа, поскольку именно здесь кроется одна из главных причин, по которым фундаментальной физике сегодня так трудно совершать стремительные и впечатляющие прорывы. Эффективные теории поля слишком хорошо описывают мир при доступных нам сейчас энергиях. Хорошо, теперь я постараюсь побыстрее пройтись по остальной части рассказа о современной физике. Разумеется, все не сводится к одной лишь квантовой теории поля, хотя именно она занимает центральное место. В природе реализуются определенные виды квантовых теорий поля.

И у квантовой теории поля в том виде, в каком мы наблюдаем ее проявления в природе, есть любопытное свойство: если что-то может происходить, то, похоже, оно действительно происходит. Стандартная модель физики элементарных частиц, судя по всему, реализует практически все возможности, которые только можно придумать для такой теории. Возможно, исключением является суперсимметрия, но это отдельный вопрос, к которому мы еще вернемся. Первый важный принцип здесь - калибровочная инвариантность. Возможно, вы слышали, что Стандартная модель физики элементарных частиц основана на идее калибровочной инвариантности, или калибровочной симметрии. Исторически эта идея восходит еще к электромагнетизму и уравнениям Максвелла. Но позвольте мне объяснить, что такое калибровочная инвариантность на более современном языке, то есть на языке теории поля. Возьмем электрон и позитрон. Это заряженные частицы, но каждой из них соответствует поле, возбуждением которого она на самом деле является.

Эти поля заполняют все пространство - электронное поле и позитронное поле. В современной квантовой теории поля их, строго говоря, объединяют в единую математическую структуру. Частица и античастица описываются вместе. Но для нашего концептуального объяснения это несущественно. Можно просто представлять себе отдельное поле электрона и отдельное поле позитрона. И оказывается, что эти поля являются комплексными. Что это означает? Поле - это просто величина, которая имеет определенное значение в каждой точке пространства. Иногда это обычное число, иногда несколько более сложный геометрический объект. Например, электрическое поле задается небольшим вектором в каждой точке пространства, а у вектора есть и величина, и направление. Что касается полей электрона и позитрона, то я здесь также игнорирую спин, потому что приходится опускать слишком много дополнительных деталей. Но для наших целей это вполне допустимо. В каждой точке пространства находится комплексное число. Именно это и означает, что перед нами комплексные поля. Комплексное число вовсе не значит “сложное число”.

Это просто действительное число плюс мнимое число: , где - действительное число, - еще одно действительное число, а - квадратный корень из минус единицы, мнимая единица. Таким образом, численное значение электронного поля в любой точке пространства представляет собой комплексное число с какими-то конкретными значениями и . Комплексные числа можно представить в виде плоскости, которую мы называем комплексной плоскостью. По сути, это двумерное векторное пространство. Одну ось можно считать действительной частью числа, которую мы обозначили , а перпендикулярную ей ось - мнимой частью комплексного числа, которую мы обозначили . Итак, у нас есть : откладывается по горизонтали, - по вертикали, а само комплексное число соответствует некоторой точке на этой плоскости. Можно мысленно провести линию от начала координат до этой точки, и получится нечто вроде маленького вектора. Я рассказываю все это потому, что, если вам когда-либо приходилось иметь дело с векторами, вы, возможно, знакомы с одной важной идеей. Очень часто сам вектор имеет определенный внутренний физический смысл, а конкретные координаты, в которых мы его выражаем, никакого самостоятельного физического смысла не имеют. Допустим, я задам здесь, в своей комнате, систему координат , и . Пусть ось направлена… Сейчас я показываю рукой в определенную сторону, вы меня не видите, но пусть это будет . Вот , а направлена вертикально.

Тогда я могу сказать вам, каковы компоненты, например, электрического поля в некоторой точке пространства. У него будет компонента вдоль оси , компонента вдоль и компонента вдоль . Но само электрическое поле физически ничего не знает о выбранной мной системе координат. Ему все равно. Физика электрического поля не зависит от того, какие оси я использую для определения его компонент. Значение имеет сам вектор, а не оси, относительно которых я его описываю. В некоторых случаях то же самое справедливо и для комплексных чисел. У вас есть , но вы можете повернуть обе оси - ту, которую называете действительной, и ту, которую называете мнимой. При этом физическая сущность описываемого объекта никак не изменится. Точно так же физические свойства электрического поля не меняются оттого, что я выбрал в комнате другую систему координат. Поэтому, если у вас есть поле с подобной инвариантностью, то есть его значение представляет собой комплексное число, но выбор того, что именно считать действительной, а что мнимой частью, не имеет значения при условии, что этот выбор производится согласованно, то перед нами симметрия.

Подобная инвариантность и называется симметрией. И именно такого рода идеи пронизывают всю современную физику. В каком-то смысле это вполне естественно. Не так уж важно, что именно мы называем действительной частью, а что мнимой. Это всего лишь человеческое соглашение и так далее. И с этим все понятно. Но в современной физике элементарных частиц ситуация немного тоньше. Представьте, что я выбираю точку пространства прямо перед собой. Вы меня, опять же, не видите, но просто вообразите какую-нибудь точку. В этой точке существует симметрия, позволяющая мне повернуть оси действительной и мнимой частей электронного поля, не изменив при этом ничего физически существенного. Но затем я могу выбрать совершенно другую точку пространства, любую, какую захочу. Выберите мысленно какую-нибудь точку и сосредоточьтесь на ней. И там я снова могу повернуть действительную и мнимую части электронного поля. То есть я могу совместно преобразовать компоненты A и B, выбрав другую систему координат, другой базис этого векторного пространства. И самое удивительное, самое важное здесь то, что я могу делать это независимо в каждой точке.

В каждой точке пространства я могу отдельно поворачивать действительную и мнимую части электронного поля, и оказывается, что это симметрия теории. Именно это и называется калибровочной инвариантностью. Идея состоит в том, что в каждой точке пространства можно независимо менять базис соответствующего векторного пространства, каким бы оно ни было, а физическое содержание теории в целом от этого не изменится. Другой известный и наглядный пример связан с кварками. Возможно, вы слышали, что кварки бывают трех “цветов”: красного, зеленого и синего. Разумеется, это не настоящие цвета, а просто причудливые названия, придуманные физиками элементарных частиц. На самом деле даже утверждение, что кварки бывают красными, зелеными или синими, не совсем верно. Точнее будет сказать, что существует трехмерное векторное пространство, а поле каждого отдельного кварка имеет определенное направление в этом пространстве. В качестве базисных осей этого векторного пространства выступают красное, зеленое и синее направления. И знаете что? Никому не важно, как именно вы ориентируете красную, зеленую и синюю оси в каждой точке пространства.

Это не имеет никакого физического значения. Более того, вы можете независимо поворачивать эти оси в разных точках пространства-времени. Это уже другой вид калибровочной инвариантности. В случае электрона у нас был один комплексный параметр преобразования, и соответствующая симметрия называется . В случае кварков у нас есть три направления, а группа соответствующих преобразований называется . Единица и тройка здесь связаны с размерностью пространства, в котором выполняются эти преобразования, хотя система подсчета немного непривычная, поскольку комплексная плоскость соответствует одному комплексному числу. Поэтому в определенном смысле вы преобразуете одно число само в себя. Но это уже математические детали, о которых сейчас можно не беспокоиться. Главное заключается вот в чем. Вы вполне резонно можете сказать, что вам все равно, как именно определить в отдельно взятой точке или как ориентировать красное, зеленое и синее направления в отдельно взятой точке. Но с физической точки зрения уже далеко не все равно, как эти определения соотносятся между разными точками пространства.

Как определить, направлено ли электронное поле в этой точке в ту же сторону, что и электронное поле в другой точке? Если я изменил свои оси для , мне нужен какой-то способ сравнить эти значения. Поэтому на самом деле необходимо уметь взять электронное поле в одной точке пространства и как бы перенести его в другую точку, чтобы уже там их сравнить. Нельзя просто взять и сравнить поля в разных точках. Они не находятся рядом друг с другом, поэтому нельзя просто вычесть одно из другого. Сначала их нужно свести в одну точку, то есть каким-то образом перенести значение поля из одной точки в другую. Как это сделать? Ответ на этот вопрос относится к тем вещам, от которых у аспирантов-физиков буквально загораются глаза, когда они наконец все понимают, потому что идея действительно очень красивая и убедительная. Ответ заключается в том, что нам нужно еще одно поле.

Помимо самого электронного поля требуется другое поле, которое указывает, как переносить значение электронного поля из одной точки пространства в другую. То же самое относится к трехмерному пространству цвета кварков. А в реальном пространстве-времени у нас, кроме того, есть кривизна. Как сравнить значение вектора в одной точке пространства с его значением в другой? Его нужно перенести, а для этого необходимо поле, которое скажет нам, как именно осуществлять такой перенос. По вполне понятным причинам такие поля называют полями связности. Их также называют калибровочными полями. В случае электромагнетизма таким калибровочным полем является электромагнитное поле.

То, что мы называем электрическим и магнитным полями, связано с тем, как лежащее в их основе калибровочное поле изменяется в пространстве и во времени. В случае квантовой хромодинамики и соответствующими калибровочными полями являются глюонные поля. А в случае искривленного пространства-времени это гравитационное поле. Здесь связь несколько тоньше, поскольку появляются метрика и связность, но это уже отдельная история. Главная мысль заключается в том, что после появления теории поля мы снова и снова сталкиваемся с возможностью существования таких калибровочных симметрий. Чтобы эти симметрии имели математический смысл, необходимо калибровочное поле. Причем это поле обладает собственной динамикой. Для существования электрического или магнитного поля вовсе не обязательно, чтобы рядом находилось электронное поле. Точно так же для существования глюонного поля не обязательно наличие рядом кваркового поля. Эти поля существуют сами по себе и обладают собственной независимой динамикой.

Когда Максвелл в середине XIX века записал свои знаменитые уравнения, некоторые сегодня утверждают: “У Максвелла были электрическое и магнитное поля, но он не знал о калибровочной инвариантности и об электромагнитном потенциале, из которого можно получить эти поля”. Но это неправда. Он прекрасно об этом знал. Если посмотреть работы Максвелла, становится совершенно ясно, что он понимал возможность построить то, что сегодня мы называем калибровочным полем электромагнетизма, а затем, беря его производные, получить электрическое и магнитное поля. Чего у Максвелла действительно не было, так это современной идеи группы симметрий. Он не представлял поля материи, например электронное поле, как самостоятельные поля, которые определенным образом преобразуются при калибровочных симметриях. Но о калибровочной инвариантности он знал. На классическом уровне электродинамика Максвелла стала образцовым примером прекрасной классической теории поля. А вскоре она послужила основой и для образцовой квантовой теории поля. Квантовая электродинамика, КЭД, стала первой квантовой теорией поля, которую по-настоящему подробно исследовали и которая добилась впечатляющего успеха в описании наблюдаемых физических явлений. Итак, физики знали о калибровочной инвариантности и понимали, насколько замечательно она работает. Поэтому вполне естественно было предположить: а что, если силы, которых мы пока не понимаем, устроены похожим образом? Представим, что на дворе 1950-е годы. С квантовой электродинамикой и электромагнетизмом дела идут уже довольно хорошо.

Но, как я говорил, у нас есть атомные ядра, где протоны и нейтроны каким-то образом удерживаются вместе. Очевидно, должна существовать сила, которая их связывает, поскольку одно только электромагнитное взаимодействие, наоборот, заставляло бы протоны отталкиваться друг от друга. Значит, нужна какая-то новая сила. И физики предположили, что, возможно, она похожа на электромагнитную, только устроена сложнее. Первыми эту идею сформулировали Янг и Миллс, создав теории Янга-Миллса. Но у теорий Янга-Миллса сразу же возникла серьезная проблема. Это теории с калибровочной инвариантностью и связностями, но устроенными более сложным образом. Говоря техническим языком, они неабелевы: преобразования группы симметрии не коммутируют друг с другом. То есть результат зависит от того, какое преобразование выполнить первым, а какое вторым. Но сейчас эти детали нам не важны. Главное в том, что появилось многообещающее обобщение идеи калибровочной инвариантности, у которого с самого начала обнаружилась огромная проблема. Фотон, частица-переносчик электромагнитного взаимодействия, то есть квантовое возбуждение лежащего в его основе калибровочного поля, не имеет массы. Он движется со скоростью света и легко распространяется через пространство.

Поэтому электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим. Закон Кулона, подобно ньютоновскому закону всемирного тяготения, подчиняется закону обратных квадратов. Электромагнитное взаимодействие без труда распространяется на огромные расстояния. И оказалось, что это не какая-то случайная особенность электромагнетизма. Судя по всему, это необходимое свойство калибровочных теорий. Из математики следует, что поле связности, возникающее в калибровочной теории, должно быть безмассовым. А безмассовые частицы сравнительно легко рождать и обнаруживать. Но в 1950-е годы никто не видел никаких безмассовых частиц, вылетающих из атомных ядер. Так что же происходит? Возможно, вам уже кажется, что я слишком затянул это объяснение. И да, пожалуй, так и есть. Поэтому дальше я немного ускорюсь и сильно сокращу рассказ о том, как удалось решить эту проблему. Но я хотел особо подчеркнуть проблему безмассовых калибровочных бозонов, потому что она действительно не давала физикам покоя на протяжении десятилетий. Здесь нужно разобраться сразу с двумя взаимодействиями - слабым и сильным ядерными взаимодействиями. И поскольку природа, видимо, стремится максимально усложнить жизнь аспирантам-физикам, эту проблему она решила двумя совершенно разными способами для слабого и сильного взаимодействий.

Механизм Хиггса и космологическая постоянная

В случае сильного взаимодействия решение заключается в том, что глюоны, являющиеся калибровочными бозонами сильного взаимодействия, взаимодействуют друг с другом. Причем взаимодействуют чрезвычайно сильно. Настолько сильно, что, хотя сами глюоны безмассовые и должны были бы двигаться со скоростью света, фактически они оказываются заперты внутри сильно взаимодействующих частиц, таких как протоны, нейтроны, мезоны и так далее. Это чрезвычайно интересное свойство квантовой теории поля, связанное с так называемой асимптотической свободой. За его открытие Дэвид Политцер, Дэвид Гросс и Фрэнк Вильчек получили Нобелевскую премию. Но главный вывод здесь прост: кварки обладают массой, а глюоны, точнее, безмассовые. Однако увидеть свободные глюоны невозможно, поскольку они заперты внутри систем сильно взаимодействующих частиц. В случае слабого взаимодействия ответом стал механизм Хиггса. Именно поэтому бозон Хиггса оказался настолько важен. Первым на суть происходящего указал Филип Андерсон, физик, занимавшийся физикой конденсированного состояния. Его уже нет в живых, а Нобелевскую премию он получил за другие работы в области физики конденсированного состояния. Основная идея здесь - спонтанное нарушение симметрии. Если у вас есть еще одно поле, подчиняющееся введенной вами калибровочной симметрии, но при этом оно приобретает ненулевое значение в пустом пространстве, то есть ненулевое вакуумное среднее значение, возникает впечатление, будто эта симметрия нарушена.

Благодаря этому калибровочные бозоны, которые изначально должны были быть безмассовыми, могут приобрести массу. А мы знаем, что W- и Z-бозоны действительно массивны. Именно это и происходит в природе. Однако первые исследования спонтанного нарушения симметрии, которыми занимались Намбу, Голдстоун и другие, показали, что даже если таким образом можно придать массу… Простите, нет, они говорили не совсем об этом. Их беспокоило другое. Давайте сформулирую точнее. Они рассматривали глобальные симметрии, а не калибровочные. Поэтому никаких калибровочных бозонов там вообще не было. В случае глобальной симметрии преобразование можно выполнить только одинаково во всем пространстве, одновременно поворачивая соответствующие оси во всех его точках. Для таких глобальных симметрий существует теорема Голдстоуна, согласно которой при спонтанном нарушении симметрии обязательно возникает другой тип безмассового бозона. Грубо говоря, причина в том, что движение вдоль возможных состояний поля, которое приобрело ненулевое значение в пустом пространстве, не требует энергии. Но никаких таких безмассовых бозонов в экспериментах опять же не наблюдалось. Поэтому физики относились к этой идее с некоторым недоверием: математически она выглядела изящно, но, похоже, не соответствовала реальности. Именно Андерсон понял, что эти две проблемы взаимно устраняют друг друга. Если спонтанно нарушается не глобальная, а калибровочная симметрия, то потенциальные бозоны Голдстоуна, то есть новые безмассовые частицы, которые должны были возникнуть при нарушении симметрии, “поглощаются” калибровочными бозонами. А калибровочные бозоны благодаря этому приобретают массу.

Поэтому вместо двух видов безмассовых бозонов - безмассовых калибровочных бозонов, переносящих взаимодействие, и безмассовых бозонов Голдстоуна, возникающих при нарушении симметрии, - мы получаем один вид массивных бозонов. Именно эта схема была использована в том, что сегодня называется электрослабой теорией. Хиггс, а еще до него Браут и Энглерт, а вскоре после Хиггса Гуральник, Хаген и Киббл развили идею Андерсона и применили ее непосредственно к физике элементарных частиц. Андерсон по-прежнему мыслил как специалист по физике конденсированного состояния. Но он пытался объяснить своим коллегам, занимавшимся физикой элементарных частиц и квантовой теорией поля, что из этой головоломки есть выход: если спонтанно нарушить калибровочную симметрию, никаких безмассовых частиц в результате не останется. Здесь есть любопытное отступление. В конце концов, это мой подкаст, могу отвлекаться сколько захочу. Так вот, есть одна интересная деталь. До кризиса в физике мы скоро доберемся, не волнуйтесь. Почему Филип Андерсон, человек чрезвычайно умный, не стал активнее продвигать собственную идею?

В истории физики признание получают не только за то, что придумали хорошую идею, но и за то, что сами в нее поверили и настойчиво развивали. А Андерсон так и не довел до конца свою мысль о том, что при спонтанном нарушении калибровочной симметрии вообще не остается безмассовых бозонов. Насколько я могу судить, причина заключалась в проблеме космологической постоянной. О ней стоит поговорить подробнее, потому что дальше она еще не раз будет возникать. Проблема космологической постоянной связана с тем, что еще со времен Эйнштейна общая теория относительности описывает искривленное пространство-время и допускает существование энергии вакуума, то есть некоторой плотности энергии, присущей самому пустому пространству. Математически это в точности соответствует введенной Эйнштейном космологической постоянной. По сути, это одно и то же. Между ними нет никакой разницы. Нельзя сказать: “Вот здесь космологическая постоянная, а вот там энергия вакуума”.

Это одно и то же явление, просто описанное на разных языках. Однако гораздо позже Эйнштейна, к 1950-м и 1960-м годам, физики поняли, что вклад в космологическую постоянную может поступать из разных источников. И вот здесь появляется Фейнман. Насколько я понимаю, хотя это не слишком широко известный факт и, возможно, моя память меня немного подводит, одной из причин, побудивших Фейнмана придумать диаграммы Фейнмана, было желание вообще избавиться от квантовой теории поля. В 1950-е годы еще можно было ставить перед собой настолько амбициозные задачи. Сегодня квантовая теория поля работает слишком хорошо, поэтому отказаться от нее гораздо труднее. Но тогда вполне можно было рассуждать так: “А вдруг удастся сохранить все преимущества квантовой теории поля, избавившись от ее недостатков, например от бесконечностей?” Одной из проблем, о которых Фейнман прекрасно знал, было то, что поле, заполняющее все пустое пространство, может обладать энергией даже при полном отсутствии частиц, даже находясь в своем состоянии с минимальной энергией, то есть в вакуумном состоянии. У него может существовать так называемая энергия нулевых колебаний. Если наивно ее вычислить, получится колоссальная величина. Более того, она окажется бесконечной. Но Фейнмана это само по себе не удивляло. В квантовой теории поля бесконечности встречаются постоянно.

Именно это мы и называем проблемой космологической постоянной. При прямолинейном применении квантовой теории поля возникает квантовый вклад в энергию вакуума, который должен быть чрезвычайно большим, а возможно, даже бесконечным, в зависимости от того, как вы относитесь к модам квантовых полей с очень большими импульсами и энергиями. Фейнман надеялся, что, возможно, удастся создать по-настоящему корпускулярную теорию - теорию, в которой фундаментальными объектами действительно были бы отдельные фотоны, электроны и другие частицы и которая смогла бы заменить квантовую теорию поля. Но ничего из этого не вышло. Сегодня мы знаем, что диаграммы Фейнмана на самом деле представляют собой удобный вычислительный инструмент для работы с квантовой теорией поля, а не ее замену. Таким образом, Фейнмана мотивировала проблема космологической постоянной, но в итоге она оказалась не слишком связана с тем, чего он фактически добился. Нечто похожее произошло и с Филом Андерсоном в случае спонтанного нарушения симметрии. Андерсон понял, что если все пространство заполнено полем, которое нарушает эти калибровочные симметрии, то такое поле должно обладать энергией. Он оценил величину этой энергии и получил огромное значение, намного больше того, которое допускали космологические наблюдения. Поэтому Андерсон решил, что его идея, скорее всего, ведет не туда, и предпочел заняться другими вещами. С тех пор мы научились по большей части просто обходить эту проблему стороной. Нет, мы не игнорируем проблему космологической постоянной. Мы прекрасно знаем, что она существует. Мы признаем, что это важная проблема, над которой нужно размышлять, и действительно пытаемся это делать.

Но когда непосредственно занимаемся квантовой теорией поля, то просто говорим: “Да, по какой-то причине энергия вакуума очень мала”. Почему именно - мы не знаем. Но наблюдения говорят, что это так. На сегодняшний день это лучшее, что мы можем сказать о проблеме космологической постоянной. И к этому мы еще вернемся. В 1998 году выяснилось, что расширение Вселенной ускоряется. У нас в подкасте был Адам Рисс, один из ученых, сделавших это открытие. И лучше всего наблюдаемое ускорение объясняется существованием очень небольшой космологической постоянной, то есть очень малой плотности энергии вакуума. Она намного, намного меньше величины, которую можно было бы ожидать как от энергии нулевых колебаний квантовых полей, так и от дополнительной энергии поля Хиггса. Поэтому проблема космологической постоянной никуда не исчезла. Только теперь вопрос звучит не так: “Почему космологическая постоянная равна нулю?”, а так: “Почему она очень мала, но все-таки не равна нулю?” Именно в этом состоит современная версия проблемы космологической постоянной. Дальше появляется огромное количество дополнительных деталей: нарушение четности, непертурбативные явления, конфайнмент, глюоны, поколения и семейства частиц и многое другое. В конечном счете все эти разработки в 1970-е годы привели к триумфальному созданию Стандартной модели физики элементарных частиц. И, как вы знаете, иногда я предпочитаю говорить о так называемой “теории ядра”. Это название предложил Фрэнк Вильчек. В чем разница между теорией ядра и Стандартной моделью?

Теория ядра и пределы Стандартной модели

Стандартная модель включает все фундаментальные взаимодействия, кроме гравитации. Обычно рассуждают так: “Ну да, у нас пока нет полноценного квантово-полевого или вообще квантового описания гравитации, поэтому гравитация в Стандартную модель не входит”. И действительно, полной квантовой теории гравитации у нас пока нет. Но вспомните, что всего несколько минут назад я рассказывал об эффективных теориях поля. Если не пытаться описывать вообще все возможные ситуации, а ограничиться определенным классом условий, в которых поля имеют сравнительно низкую энергию и большую длину волны, то можно построить эффективную теорию поля, справедливую ниже некоторого ультрафиолетового обрезания. И оказывается, что с гравитацией это можно сделать без каких-либо проблем. Гравитацию вполне можно включить в эффективную низкоэнергетическую теорию, действующую ниже выбранного вами ультрафиолетового предела. Именно это и представляет собой теория ядра. Это эффективная теория поля, которая включает одновременно Стандартную модель и предел слабого гравитационного поля общей теории относительности. Она не описывает Большой взрыв или черные дыры, но ничего страшного в этом нет.

Насколько нам известно, здесь, в Солнечной системе, нет ни Большого взрыва, ни черных дыр. Поэтому наша повседневная жизнь чрезвычайно хорошо описывается теорией ядра. И снова перед нами ситуация из разряда “хорошая новость и плохая новость”. Теория ядра стала потрясающим триумфом. В 1970-е годы Стандартная модель позволила сделать целый ряд предсказаний. Были предсказаны W- и Z-бозоны, а затем их действительно обнаружили. Была установлена структура поколений кварков и лептонов. Когда мы открыли b-кварк, стало понятно, что должен существовать и t-кварк, который впоследствии тоже был обнаружен. Мы предсказали бозон Хиггса. Его пришлось искать довольно долго, но в 2012 году нашли и его. Все это прекрасные новости. Сплошной успех. За работы, которые привели к созданию этой модели, было присуждено множество Нобелевских премий.

А плохая новость заключается в том, что спустя несколько десятилетий эта модель по-прежнему прекрасно согласуется с экспериментальными данными. Примерно на рубеже XXI века потребовались лишь два небольших дополнения. Первое заключалось в том, что у нейтрино обнаружилась масса. В первоначальную Стандартную модель она не входила, но все прекрасно понимали, что добавить массу нейтрино в эту структуру несложно. Здесь мы снова оказываемся в ситуации слабого понимания: мы пока точно не знаем, какой именно механизм отвечает за массы нейтрино, однако включить их в модель достаточно просто. Поэтому речь идет о модификации Стандартной модели, а вовсе не о ее ниспровержении. Вторым дополнением, конечно, стало открытие ускоренного расширения Вселенной в 1998 году. И снова достаточно добавить в теорию одно число - энергию вакуума, - и все работает. Если не считать энергии вакуума и масс нейтрино, теория, которой мы пользуемся сегодня, по сути, остается той же самой теорией, которой мы располагали еще в середине 1970-х годов. С тех пор в фундаментальной физике не было неожиданных экспериментальных результатов. Под “неожиданными” я имею в виду результаты, которых мы заранее не предвидели в рамках наиболее предпочтительных теоретических моделей.

Конечно, ученые, открывшие бозон Хиггса, гравитационные волны и другие подобные явления, заслуживают огромного признания. Но сами эти явления были предсказаны задолго до их экспериментального обнаружения. Идея бозона Хиггса появилась еще в 1960-е годы. О гравитационных волнах начали говорить вскоре после того, как Эйнштейн создал общую теорию относительности. Поэтому с экспериментальной точки зрения их обнаружение стало настоящим выдающимся достижением. Огромного признания заслуживают и дальновидность, необходимая для создания соответствующих экспериментов и обсерваторий, и сама способность построить их и добиться того, чтобы они работали как надо. Все эти Нобелевские премии абсолютно заслуженны. Я по-прежнему считаю, что кто-то из экспериментаторов должен получить Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса. Все мы понимаем, в чем здесь проблема: в коллаборациях, совершивших это открытие, участвовали тысячи человек, а согласно правилам, которые Нобелевский комитет установил для себя сам, одну Нобелевскую премию по физике могут разделить не более трех человек. Я, например, был бы вполне рад, если бы премию получил кто-то вроде Лина Эванса, который руководил строительством Большого адронного коллайдера и провел этот проект через целый ряд небольших кризисов. На мой взгляд, он мог бы стать прекрасным кандидатом на Нобелевскую премию. Но меня, конечно, никто не спрашивает - в этот комитет я не вхожу. В общем, вот в какой странной ситуации мы оказались. Надеюсь, теперь картина стала немного понятнее. Объяснение получилось очень длинным, но, надеюсь, кому-то оно было полезно.

А главная мысль для всех проста: у нас есть теория, которая работает чрезвычайно хорошо. Более того, мы в определенном смысле понимаем, почему она работает настолько хорошо. Все дело в удивительных свойствах эффективных теорий поля. Если взять нашу нынешнюю теорию и установить ультрафиолетовое обрезание где-то в районе энергетического масштаба Большого адронного коллайдера, то есть порядка нескольких триллионов электронвольт, то ниже этого масштаба мы уже все довольно тщательно исследовали. Мы обнаружили множество частиц, и это именно те частицы, существование которых ожидали еще в 1970-е годы. Ничего принципиально нового мы пока не увидели. И для объяснения имеющихся данных ничего нового нам не требуется. Вот в какой необычной ситуации мы находимся. Сейчас я расскажу чуть подробнее о том, какими способами мы все же пытаемся получить хоть какие-то подсказки относительно того, куда двигаться дальше. Но я хочу еще раз подчеркнуть: ситуация действительно необычная, и возникла она не потому, что мы недостаточно умны.

И не потому, что существует какой-то заговор или тайная группа, скрывающая от нас истину. Причина в том, как устроена сама природа. Более того, эта ситуация возникла потому, что физики были достаточно умны, а вовсе не наоборот. Им удалось построить эффективную квантовую теорию поля, которая прекрасно работает вплоть до очень высоких энергетических масштабов. И если мы не построим гигантский ускоритель частиц, способный выйти за пределы этих энергий, нам остается только скрестить пальцы и надеяться, что нам повезет получить какие-нибудь экспериментальные данные, которые подскажут, как двигаться дальше. Так что дело вовсе не в том, что, будь физики более открытыми, более умными или более готовыми бросать вызов авторитетам, мы сразу совершили бы огромный прорыв. Никакая смена отношения не отменит того факта, что у нас есть прекрасная эффективная теория поля, которая самым непосредственным физическим образом скрывает от нас возможную новую, необычную физику, существующую при более высоких энергиях и на меньших расстояниях. Поэтому, что бы вы ни думали о нынешнем состоянии физики, необходимо учитывать барьеры и препятствия, которые ставит перед нами сама природа, сама Вселенная, сам физический мир. Эти препятствия не являются следствием человеческих слабостей. Человеческих слабостей, конечно, тоже хватает, и поверьте мне, они бывают весьма занятными.

Но нужно четко понимать, где именно они играют роль, и одновременно учитывать реальные препятствия, которые невозможно обойти никакими интеллектуальными усилиями. Итак, после этого чрезвычайно длинного вступления давайте наконец посмотрим, чем физики занимаются прямо сейчас. Что именно мы пытаемся сделать, чтобы выйти за пределы Стандартной модели, теории ядра и всего остального? Здесь стоит упомянуть еще одну немного странную особенность нашего положения. Дело не только в том, что у нас есть теория, прекрасно согласующаяся со всеми данными. Если бы проблема заключалась только в этом, можно было бы просто объявить победу: все, работа закончена. Но на самом деле ситуация совсем не такая.

Темная материя: данные, модели и поиски

У нас есть теория, которая согласуется со всеми данными, и при этом почти каждый работающий физик убежден, что эта теория не является окончательной или по крайней мере не является полной. Примерно так же Эйнштейн был убежден, что квантовая механика неполна. И у нас есть целый ряд причин полагать, что работа еще не закончена. Получается довольно тяжелая ситуация: у нас есть теория, которая прекрасно описывает данные, сами данные не дают нам практически никаких подсказок относительно того, как выйти за ее пределы, но при этом мы не считаем эту теорию окончательной. Мы почти уверены, что она является лишь частью какой-то более широкой и совершенной теории, которой у нас пока нет. Это чрезвычайно трудное положение. Прямых экспериментальных указаний у нас нет. Так почему же мы вообще считаем, что нынешняя теория не окончательна? Почему просто не объявить победу? Почему не сказать, что с фундаментальной физикой мы закончили, и не заняться чем-нибудь другим? Здесь происходит сразу несколько разных вещей. Во-первых, у нас есть явления, которые, если пользоваться предложенной мной классификацией, мы понимаем лишь на слабом уровне.

Самые важные из них - темная материя и темная энергия. У нас есть знаменитая круговая диаграмма, показывающая состав Вселенной. Не хочу хвастаться, но мы уже больше часа в эфире, так что, пожалуй, могу себе позволить: возможно, именно я первым сделал такую круговую диаграмму, где отдельно показаны темная материя, темная энергия и обычная материя. Никакой особой гениальности для этого, конечно, не требовалось. Просто я как раз участвовал в обсуждениях, которые шли после открытия темной энергии, когда общая картина начала проясняться, и мне показалось, что здесь круговая диаграмма идеально подходит для наглядного представления того, что мы узнали. Если вы зайдете на мой сайт preposterousuniverse.com, то увидите маленький значок во вкладке браузера, обозначающий страницу. И этим значком как раз служит та самая круговая диаграмма. Собственно, отсюда и название сайта - Preposterous Universe, “Абсурдная Вселенная”. Это шутка. Вселенная вовсе не абсурдна, просто она ускользает от нашего понимания. И эта круговая диаграмма выглядит так: около 5% известной Вселенной составляет обычная материя.

Под обычной материей я имею в виду все, что входит в Стандартную модель физики элементарных частиц: все атомы, все частицы, которые мы когда-либо получали в лабораториях. Все это вместе составляет лишь около 5% Вселенной. Еще примерно 25% приходится на темную материю. Это некая разновидность материи, нечто в определенном смысле похожее на частицы, но ни одна из частиц Стандартной модели не может быть этой темной материей. Мы исключили такую возможность с помощью целого ряда различных методов. А оставшиеся примерно 70% приходятся на темную энергию. Она распределена очень равномерно и не является материей. Она не эволюционирует как материя, не собирается в сгустки и не перемещается так, как это делает обычная материя. Наблюдательные данные прекрасно согласуются с предположением, что она совершенно однородна, как и космологическая постоянная. Но и в случае темной материи, и в случае темной энергии мы пока не знаем, что именно они собой представляют. У нас есть модели, согласующиеся с данными, но мы не знаем, какая из этих моделей верна и верна ли вообще хоть одна из них. Поэтому давайте особенно внимательно поговорим о темной материи, потому что вокруг нее сложилась определенная репутация и здесь важно рассуждать аккуратно. Первое, что нужно понять о темной материи: она существует.

У нас достаточно данных и информации, чтобы утверждать, что темная материя реальна. Это вовсе не означает, что в космологии сама гравитация не может вести себя каким-то необычным образом. Я понимаю, что аудитория у нас, вероятно, очень разная: кто-то слышит часть этих терминов впервые, а кто-то, наоборот, уже успел услышать о них гораздо больше, чем хотел бы. Но существует вполне естественный ход рассуждений: откуда вообще мы знаем, что темная материя существует? Мы наблюдаем какой-нибудь астрофизический объект, например галактику или скопление галактик, и знаем, как работает гравитация. В наблюдаемой Вселенной ньютоновская теория гравитации на самом деле работает довольно хорошо. Она перестает быть точной, когда гравитация становится чрезвычайно сильной, например вблизи черной дыры. Кроме того, она не подходит, если источником гравитации выступает что-то релятивистское, например фотоны. Но в окружающем нас мире, если держаться подальше от черных дыр в центрах галактик, то для самих галактик, скоплений галактик и подобных объектов ньютоновское приближение прекрасно позволяет вычислять гравитационное поле. А в ньютоновской гравитации существует очень прямая связь между количеством вещества, то есть массой, и силой создаваемого им гравитационного поля. Например, массу Солнца можно определить, просто наблюдая за движением планет вокруг него. Мы выясняем, какая гравитационная сила необходима для такого движения, и на основании этого определяем массу Солнца. Точно такой же подход можно применить к галактикам и скоплениям галактик.

И тогда обнаруживается, что для объяснения наблюдаемого движения объектов внутри галактик и скоплений требуется значительно более сильное гравитационное поле, чем способно создать то количество обычной материи, которое мы непосредственно наблюдаем. Но здесь нужно быть осторожными. Очевидно, можно предположить, что мы просто не заметили какую-то часть обычной материи. Возможно, она невидима или просто не излучает на тех длинах волн, которые мы наблюдаем. И действительно, если просто подсчитать звезды, то мы очень сильно недооценим полную массу галактик и скоплений. Например, большая часть обычной материи в скоплении галактик находится не в звездах, а в горячем межгалактическом газе. Как выяснилось, этот газ можно наблюдать в рентгеновском диапазоне, поскольку он горячий и испускает рентгеновское излучение. Сегодня мы действительно умеем его обнаруживать, а вот в 1970-е годы такой возможности еще не было. Итак, наблюдаемое гравитационное поле оказывается сильнее, чем можно было бы ожидать исходя из количества видимой материи. И здесь я снова хочу выразиться предельно точно, потому что это действительно важно правильно понимать.

У нас есть отдельные, совершенно независимые способы определить, сколько обычной материи содержится во Вселенной. Один из них связан с реликтовым излучением: характер его температурных флуктуаций зависит, среди прочего, от количества обычной материи. Другой метод основан на первичном нуклеосинтезе. Ранняя Вселенная фактически представляла собой гигантский ядерный реактор, в котором из протонов и нейтронов образовывались гелий, литий и дейтерий. Количество образовавшихся элементов зависит от того, сколько обычной материи находилось во Вселенной.

И все эти независимые источники данных - непосредственный учет наблюдаемого вещества, реликтовое излучение, первичный нуклеосинтез - дают нам один и тот же ответ. Все они согласуются между собой: обычная материя составляет примерно 5% общей плотности энергии Вселенной. Поэтому предположение, что где-то просто скрывается гораздо больше коричневых карликов, планет или других объектов из обычного вещества, проблему темной материи не решает. Так откуда же берется дополнительная гравитация, которую мы, судя по всему, наблюдаем в галактиках и скоплениях галактик? Самый простой и очевидный ответ: возможно, там просто больше материи, чем мы видим. Но если это не обычная материя, значит, это какая-то другая материя, которую мы и называем темной. Она должна состоять из частиц иного типа, не входящих в Стандартную модель. Однако есть и другая совершенно естественная возможность. Все основания считать, что темная материя существует, связаны не с ее непосредственным обнаружением. Мы не можем, условно говоря, ткнуть в нее пальцем или прикоснуться к ней. Мы судим о ее существовании по гравитационному воздействию. Поэтому, конечно, вполне возможно предположить, что мы наблюдаем не новую разновидность материи, а то, что на космологических масштабах гравитация работает иначе, чем, скажем, здесь, в Солнечной системе.

То есть можно построить теорию модифицированной гравитации. И это абсолютно разумная идея, которую вполне стоит рассматривать. Хочу подчеркнуть предельно ясно: научный истеблишмент совершенно не мешает людям заниматься модифицированной гравитацией. Практически все представители этого самого истеблишмента сами о ней размышляли. Я тоже этим занимался. Моя самая цитируемая научная статья посвящена именно идее модификации гравитации. Но тем не менее данные уже сказали свое слово. Вполне возможно, что гравитацию действительно нужно каким-то образом модифицировать, но темная материя при этом все равно существует. И я хочу очень четко объяснить, почему это так, потому что для нашего разговора это важно. Но прежде чем перейти к тому, что говорят данные, посмотрим, что говорит теория. Ранее мы обсуждали эффективные теории поля. Гравитация - это теория поля. Более того, гравитацию можно рассматривать как эффективную теорию поля. Низкоэнергетический предел общей теории относительности как раз и является подходящей теорией для описания галактик, скоплений галактик и подобных систем. А Кен Уилсон научил нас правильно мыслить об эффективных теориях поля. Один из основных принципов этого подхода заключается в том, что совершенно естественно ожидать изменений и модификаций знакомой нам теории поля на малых расстояниях и при высоких энергиях. А вот ожидать, что квантовая теория поля изменится на больших расстояниях и при низких энергиях, совершенно неестественно.

Очень трудно скрыть новые эффекты таким образом, чтобы они становились существенными на чрезвычайно больших масштабах, но никак не проявлялись на промежуточных. Поэтому крайне сложно придумать новые эффекты, которые были бы важны на масштабах галактик, но при этом оставались совершенно незаметными в Солнечной системе. Конечно, если это трудно, еще не значит, что это невозможно. Именно поэтому люди и пытаются строить такие теории. Именно поэтому такие люди, как я, разрабатывали соответствующие модели и прилагали немало усилий, чтобы объяснить: хорошо, почему же тогда мы не наблюдаем этих эффектов здесь, в Солнечной системе, и так далее. Я просто хочу прояснить один момент. Вы можете спросить: “Если общая теория относительности действительно хорошо проверена в Солнечной системе, на пульсарах и в других подобных условиях, почему она не может работать иначе на масштабах галактик и скоплений?” На этот вопрос есть ответ: потому что эффективная теория поля говорит нам, что такого ожидать не следует. Опять же, представить себе изменение гравитации на масштабах галактик и скоплений несложно. Гораздо труднее придумать такое изменение, которое при этом никак не проявлялось бы в других экспериментах. Чтобы построить подобную теорию, придется серьезно постараться. Это возможно, но требует немалых усилий.

Поэтому уже с теоретической точки зрения у идеи модифицированной гравитации есть несколько существенных минусов. А что говорят наблюдения? Здесь есть простой тест. Когда кто-нибудь заявляет: “Я хочу модифицировать гравитацию и думаю, что смогу вообще обойтись без темной материи”, спросите его: “А как тогда вы объясняете наблюдательные свидетельства существования темной материи?” Если в ответ человек начинает говорить о галактиках, спиральных галактиках и кривых вращения, можете дальше не слушать. Относиться к его аргументам всерьез уже не обязательно. Исторически первые свидетельства в пользу темной материи действительно появились при изучении галактик и их скоплений. Можно даже сказать, что первым источником были именно скопления галактик. Еще в 1930-е годы Фриц Цвикки указал, что материи там должно быть больше, чем мы наблюдаем. Однако качество наблюдений и теоретических моделей во времена Цвикки еще не позволяло исключить простое объяснение: возможно, недостающая масса состояла из обычной материи, которую мы пока просто не обнаружили. По-настоящему убедительными стали наблюдения спиральных галактик, проведенные Верой Рубин и Кентом Фордом в 1970-е годы и позже. Они показали: хорошо, вот здесь действует гравитационная сила, которую невозможно объяснить количеством обычной материи. Значит, нам требуется что-то новое. Но сегодня это уже далеко не лучшее доказательство существования темной материи.

Да, исторически именно такие наблюдения стали первыми убедительными свидетельствами, однако теперь у нас есть гораздо более весомые данные. Мы видим свидетельства в крупномасштабной структуре Вселенной и в том, как она формировалась и эволюционировала. У нас есть данные гравитационного линзирования. Но самое важное - у нас есть реликтовое излучение. Крошечные температурные флуктуации реликтового излучения эволюционируют вполне предсказуемым образом, причем эта эволюция зависит от того, сколько во Вселенной темной материи по сравнению с обычной. В количественном отношении картина получается поразительно красивой и точной. Эти данные дают гораздо более надежные количественные свидетельства существования темной материи и позволяют гораздо точнее определить ее свойства, чем любые наблюдения галактик и их скоплений. И, как я объясню через минуту, это действительно свидетельства именно в пользу темной материи, а не модифицированной гравитации. Поэтому, если кто-то утверждает, что от темной материи можно отказаться, заменив ее модифицированной гравитацией, начинать ему следует с объяснения реликтового излучения. Нужно прежде всего объяснить лучшие из имеющихся свидетельств, а не самые старые.

Почему именно реликтовое излучение дает нам самые убедительные свидетельства? Вернемся к ньютоновской гравитации. Я говорил, что она устроена довольно просто: сила гравитации пропорциональна массе, создающей гравитационное притяжение. Это верно, но есть еще один важный момент: направление гравитационной силы указывает туда, где находится масса. В более общей ситуации, когда вокруг вас множество звезд или других объектов, результирующее гравитационное ускорение в ньютоновском приближении представляет собой просто сумму отдельных ускорений, создаваемых каждой звездой, каждой массой, формирующей гравитационное поле. Таким образом, ньютоновская гравитация, которая является пределом общей теории относительности в слабом поле, говорит нам не только о силе гравитации, но и о направлении, в котором она действует. Так как же можно было бы изменить гравитацию? Как вообще можно модифицировать ее, если пока не опираться на какую-то глубокую теоретическую структуру, а просто задаться вопросом: каким образом гравитация в принципе могла бы работать иначе? Самое простое, что можно представить, и именно это прежде всего приходило в голову людям, которые пытались объяснить кривые вращения галактик без темной материи, - изменить закон обратных квадратов.

Закон обратных квадратов говорит, что сила гравитационного взаимодействия пропорциональна единице, деленной на квадрат расстояния между двумя притягивающимися телами. Поэтому достаточно представить, что мы каким-то образом изменили этот закон и теперь гравитация ослабевает с расстоянием медленнее, чем величина, пропорциональная . Тогда, возможно, удастся построить теорию, объясняющую кривые вращения спиральных галактик. Но обратите внимание, что именно мы при этом делаем. Направление гравитационной силы остается таким же, каким оно было у Ньютона. Мы меняем только ее величину: вместо зависимости вводим какую-то другую. И даже если у вас нет глубокого обоснования такого изменения с точки зрения квантовой теории поля, представить его довольно легко. Если исходить просто из наблюдаемых свойств гравитации, это вполне естественная идея. Никто не станет возражать против того, чтобы вы дали здесь волю воображению.

Но что, если вы захотите изменить направление действия гравитации? Вот это уже гораздо сложнее. Предположим, правила игры таковы: источником гравитации остается исключительно обычная материя. Темной материи нет, никаких дополнительных новых источников гравитации тоже нет. Вы собираетесь модифицировать саму гравитацию, но ее источником по-прежнему остается обычная материя. Легко представить, что сила гравитации каким-то образом изменится по величине. Но гораздо труднее представить, что изменится ее направление. Как именно оно должно измениться? Куда должна быть направлена сила? Есть одно естественное направление - к источнику гравитации. А направлений, которые не ведут к источнику, существует бесконечно много. Поэтому чрезвычайно трудно просто изменить теорию гравитации таким образом, чтобы гравитационная сила внезапно начала указывать куда-то в сторону, а не туда, где находится обычная материя. И если вы собираете наблюдательные данные и обнаруживаете не просто то, что гравитационная сила убывает с расстоянием иначе, чем по закону , но и то, что она направлена не туда, где находится обычная материя, то объяснить такой результат с помощью одной лишь модификации гравитации будет чрезвычайно сложно. И угадайте, что мы наблюдаем? Как вы думаете, почему я так долго подвожу вас именно к этому? Потому что именно такие данные у нас и есть. Возможно, самый наглядный и эстетически впечатляющий пример - так называемое скопление Пуля. Скопление Пуля представляет собой систему из двух скоплений галактик, которые прошли друг сквозь друга.

При этом горячий плотный межгалактический газ, составляющий большую часть обычной материи в этих скоплениях, столкнулся, породил ударную волну и затормозился. Сами галактики по сравнению с огромными облаками межгалактического газа представляют собой крошечные объекты, и они просто прошли друг сквозь друга. При этом на долю галактик приходится меньшая масса, чем на межгалактический газ. Поэтому в случае скопления Пуля можно задать простой вопрос: где должно находиться основное гравитационное поле? Если вы модифицируете гравитацию, но не верите в существование темной материи, то должны ответить: гравитация должна быть направлена к межгалактическому газу, потому что именно там сосредоточена большая часть обычной материи. Но затем мы проводим наблюдения, собираем данные, используем гравитационное линзирование и другие методы и обнаруживаем, что основное гравитационное воздействие сосредоточено там, где находятся галактики. Не там, где остались два облака горячего межгалактического газа, столкнувшиеся друг с другом, а там, куда ушли галактики, беспрепятственно прошедшие сквозь область столкновения. На первый взгляд это кажется загадочным.

Но затем вы понимаете: “А, теперь ясно. Там есть темная материя”. Темная материя одного скопления не столкнулась с темной материей другого. Причина в том, что темная материя практически бесстолкновительна. Она просто продолжает двигаться дальше. Это одно из свойств темной материи, которое нам удалось установить: она не образует ударных волн и практически не сталкивается сама с собой, а спокойно продолжает движение. Поэтому модель с темной материей предсказывает, что основное гравитационное поле должно находиться там же, где находятся галактики. А модели модифицированной гравитации без темной материи предсказывают, что оно должно быть сосредоточено там, где находится газ, оставшийся между разошедшимися компонентами скопления Пуля. И наблюдения показывают, что гравитационное поле находится там, где находятся галактики. Или, если выражаться точнее, там, где находится темная материя. Я называю этот пример самым эстетически впечатляющим, потому что здесь можно построить очень красивые и наглядные изображения.

Все становится почти осязаемым: смотришь на картинку и буквально чувствуешь: “Да, вот здесь находится темная материя. Теперь понятно”. Но скопления галактик сами по себе довольно сложные и беспорядочные системы. И это одна из причин, почему я говорю: не стоит слишком серьезно относиться к аргументам людей, которые, пытаясь заменить темную материю модифицированной гравитацией, делают основной упор на отдельные галактики или скопления. Галактики - сложные и беспорядочные системы. Скопления галактик - тоже. В них происходит огромное количество разнообразных астрофизических процессов, поэтому, несмотря на все сказанное, всегда можно предположить, что там действует какой-то странный, пока неизвестный нам механизм. Совсем другое дело - реликтовое излучение. В его случае мы очень хорошо понимаем, что происходит. И причина проста: там почти ничего не происходит. Разница температур между разными точками реликтового излучения составляет примерно одну стотысячную. То есть температура от точки к точке меняется совсем незначительно. Именно поэтому все это очень легко рассчитывать. Вам не приходится иметь дело с огромными нелинейными механизмами обратной связи. Вы просто рассчитываете крошечные отклонения на фоне практически однородной картины. И вот что происходит. Я уже рассказывал эту историю в других местах, поэтому прошу прощения у тех, кто ее слышал. Но для нашей нынешней цели повторить ее действительно стоит. А наша цель, напомню, состоит в том, чтобы объяснить, откуда мы знаем, что темная материя существует. В ранней Вселенной плотность вещества немного различалась от места к месту.

Возможно, эти неоднородности возникли в результате инфляции, возможно, у них было какое-то другое происхождение. Но на каком-то раннем этапе развития Вселенной они уже существовали. Откуда именно они взялись, мы пока не знаем. Это как раз относится к тем вещам, которых мы еще не понимаем. Я бы даже сказал, что здесь у нас пока вообще нет понимания. Но допустим, у нас есть некоторое начальное состояние. Тогда можно просто спросить: что происходит с ним дальше? А происходит следующее. Область ранней Вселенной, плотность которой немного выше средней, начинает сжиматься. Гравитация словно увеличивает контраст: области с повышенной плотностью становятся еще плотнее, а области с пониженной плотностью постепенно теряют вещество. Однако такой процесс не может происходить на масштабах, превышающих радиус Хаббла, то есть размер горизонта в соответствующую эпоху ранней Вселенной. По мере расширения Вселенной и замедления темпа ее расширения все более крупные области получают возможность сжиматься, сближаться и собираться воедино под действием собственного гравитационного притяжения. Поэтому возникает своего рода каскад масштабов, на которых разворачивается эта динамика. Сначала процесс начинается на самых малых масштабах: именно небольшие области раньше всего начинают собираться под действием гравитации. На более крупных масштабах тот же процесс становится возможен лишь позднее. Но ранняя Вселенная представляла собой горячую плазму.

И сейчас мы говорим уже не о первых долях секунды после Большого взрыва, а примерно о первых ста тысячах лет существования Вселенной. Вселенная в тот момент все еще была слишком горячей, чтобы в ней могли существовать атомы. Были электроны, протоны, фотоны и так далее. Поэтому, когда вещество начинало собираться в более плотные области, возрастала не только его плотность, но и температура. Вещество нагревалось, примерно как газ при сжатии поршнем. А повышение температуры означает появление давления. Возникает возвращающая сила, и область буквально начинает двигаться обратно. Область, которая изначально была немного плотнее окружающего пространства, сначала сжимается, но при этом нагревается, давление внутри нее растет и начинает выталкивать вещество наружу. В результате процесс разворачивается в обратную сторону, и эта область может даже стать менее плотной, чем окружающая среда. Если вам кажется, что это немного напоминает звуковую волну в воздухе, то вы совершенно правы. Это и есть акустическая волна в ранней Вселенной. Изначально более плотная область немного сжимается и становится еще плотнее, но затем быстро отскакивает обратно, становится менее плотной, после чего снова начинает сжиматься. Так она колеблется туда-сюда вплоть до эпохи рекомбинации, когда электроны и протоны соединяются и образуют атомы. После этого Вселенная становится прозрачной, и вещество уже может свободно коллапсировать под действием гравитации.

Но до этого момента области повышенной и пониженной плотности постоянно колебались. При этом разные масштабы ведут себя по-разному. Малые области успевают совершить несколько таких колебаний до рекомбинации. Более крупные области успевают совершить одно, два или три колебания. Но одновременно действует еще один важный эффект - затухание. Впервые его подробно исследовал Джо Силк, который, кстати, недавно был гостем нашего подкаста. Поэтому этот эффект и называется затуханием Силка. Существуют разные виды затухания, и один из самых важных - затухание Силка. Идея здесь следующая. Допустим, в некоторой области вещество начинает собираться и немного сжиматься. Эта область нагревается, затем расширяется, и процесс повторяется снова и снова, создавая колебания. Но все это время через такие области проходят фотоны, движущиеся со скоростью света. И фотоны в некотором смысле стремятся сгладить неоднородности. В более плотных и горячих областях фотонов больше и их энергия выше, поэтому они уходят наружу, в области с меньшей плотностью и более низкой температурой. В результате фотоны постепенно подавляют эти колебания. Это очень похоже на звон настоящего колокола. После удара колокол звенит, но постепенно звук затихает. Точно так же флуктуации, колебания и звуковые волны в ранней Вселенной на малых масштабах затухают сильнее, чем на больших.

Я так подробно рассказываю всю эту историю потому, что из нее следует конкретное предсказание. Она позволяет предсказать, какие температурные неоднородности мы должны увидеть в реликтовом излучении. На малых масштабах температурные различия должны быть сравнительно небольшими. На более крупных масштабах, вплоть примерно до одного градуса на небе, вариации температуры должны быть заметнее. Именно это можно увидеть на знаменитом графике, построенном по данным WMAP, Planck и других экспериментов. На нем показана величина температурных флуктуаций в зависимости от углового масштаба. График обычно строят так, что большие угловые масштабы находятся слева, а малые - справа. И что мы видим? Кривая поднимается к большому первому пику, затем опускается, снова поднимается ко второму, уже меньшему пику, снова опускается, затем появляется еще меньший пик, потом еще меньший и так далее. Если бы на этом история заканчивалась, если бы у нас была только обычная физика без темной материи и все определялось описанными выше колебаниями, возникающими из-за нагрева, давления и последующего расширения вещества, то мы получили бы очень четкое предсказание. Причем его можно понять даже без компьютерного моделирования.

Как мы только что выяснили, флуктуации на меньших масштабах затухают сильнее, чем на больших. Следовательно, среди всех этих колебаний, то есть пиков в так называемом спектре мощности реликтового излучения, самый высокий первый пик должен находиться на масштабе примерно одного градуса, а каждый следующий пик на меньшем масштабе должен быть ниже предыдущего. Но наблюдаем мы совсем не это. Данные говорят о другой картине. Да, первый пик действительно очень высокий, но второй и третий пики имеют примерно одинаковую высоту. Третий пик вовсе не подавлен по сравнению со вторым. Они примерно равны. А вот четвертый и пятый пики уже заметно ниже второго и третьего. Получается так, словно пики с нечетными номерами каким-то образом усиливаются или, наоборот, четные пики оказываются подавлены по сравнению с тем, чего мы могли бы ожидать при самом простом рассмотрении.

Что же происходит? А, ну конечно. Темная материя. [смех] Дело в том, что темная материя не участвует в этих колебаниях. Как я уже говорил, темная материя практически бесстолкновительна. Она темная, то есть не взаимодействует с фотонами, с окружающей плазмой и вообще не участвует в тех процессах, которые заставляют обычную материю сжиматься и отскакивать обратно. Но при этом мы считаем, и это следует как из теории, так и подтверждается наблюдениями, что первоначальные возмущения плотности обычной и темной материи были пространственно согласованы друг с другом. Такие возмущения называются адиабатическими. Иными словами, там, где плотность темной материи была немного выше средней, плотность обычной материи тоже была немного выше средней. Такая область начинает сжиматься под действием гравитации. Обычная материя при этом нагревается, давление возрастает, и она отскакивает обратно. А темная материя продолжает сжиматься.

Затем обычная материя расширяется настолько, что ее плотность становится ниже плотности окружающих областей. Но поскольку перед нами колебательная волна, после этого она снова начинает сжиматься. Таким образом, пики, которые мы наблюдаем в данных по реликтовому излучению, соответствуют крайним состояниям этого колебательного процесса. Сначала плотность достигает максимума, затем минимума. Максимальная плотность соответствует одному пику, минимальная - следующему, затем снова максимальная плотность - еще одному пику, потом снова минимальная и так далее. Поэтому пики с нечетными и четными номерами на самом деле соответствуют физически разным состояниям. Нечетные пики возникают в те моменты, когда область обычной материи максимально сжата и имеет повышенную плотность. В этом случае обычная и темная материя движутся, образно говоря, в ногу: обе эволюционируют в одном направлении. Поэтому их гравитационные эффекты усиливают друг друга. Но затем обычная материя отскакивает обратно. Второй пик соответствует моменту, когда ее плотность становится пониженной. И здесь темная материя уже не усиливает этот эффект, потому что ее плотность в той же области по-прежнему остается повышенной. Поэтому возникает частичная компенсация. Потом обычная материя снова сжимается, и они опять оказываются в одной фазе.

Обычная и темная материя снова усиливают действие друг друга. Таким образом, в нечетных пиках эффекты обычной и темной материи складываются, а в четных происходит их частичная компенсация. Поэтому, если вы верите в существование темной материи, а многие физики верили в нее еще до получения этих данных, то можете заранее сделать вполне конкретное предсказание. Вы не должны увидеть равномерного затухания всех последовательных пиков реликтового излучения. Вместо этого четные пики должны быть сильнее подавлены по сравнению с нечетными. И именно это мы наблюдаем, когда смотрим на реальные данные. Это предсказание было сделано заранее, и модель с темной материей попала точно в цель. А можно ли добиться того же с помощью модифицированной гравитации? Можно ли объяснить эти данные без темной материи, примерно так же, как пытаются объяснять кривые вращения спиральных галактик?

Здесь вопрос становится несколько сложнее, потому что сначала нужно уточнить, что именно вы подразумеваете под модифицированной гравитацией. Каким конкретно образом вы собираетесь ее изменить? В случае галактик можно, например, просто заменить закон , то есть закон обратных квадратов, на зависимость, при которой гравитационное взаимодействие ослабевает с расстоянием медленнее. Хорошо, в случае галактик можно представить себе такую модификацию, просто придумав соответствующее уравнение.

Но когда речь заходит о колебаниях в ранней Вселенной, где важны излучение, плазма и все остальные процессы, ситуация становится несколько сложнее. Поэтому на первых этапах исторического развития этого спора сторонники модифицированной гравитации говорили: “Ну, мы просто не знаем. Мы пока не вполне уверены, что именно должна предсказывать наша теория”. Проблема заключалась в том, что в 1980-е и 1990-е годы у сообщества сторонников модифицированной гравитации были в основном феноменологические правила. У них не существовало фундаментальной теории, которая была бы совместима с теорией относительности и обладала всеми остальными необходимыми свойствами.

В конце концов Якоб Бекенштейн создал такую теорию. Это была полноценная релятивистская модель, воспроизводившая предсказания так называемой MOND - модифицированной ньютоновской динамики. Изначально эту идею предложил Мордехай Милгром. MOND стала первой серьезной попыткой объяснить кривые вращения галактик за счет изменения закона гравитации. Бекенштейн, по сути, построил полноценную завершенную релятивистскую теорию, которая давала те же предсказания, что и MOND. Кстати, я слышал по этому поводу одну историю. Не знаю, правда это или нет, но она забавная, поэтому я предпочту считать, что правда.

Еще до того, как Бекенштейн сформулировал свою теорию, среди противников модифицированной гравитации и MOND ходила шутка: “Невозможно построить полноценную релятивистскую теорию, из которой следовала бы MOND”. Это утверждение называли “теоремой Бекенштейна”. Разумеется, никакой настоящей теоремы не существовало. Шутка основывалась на том, что Якоб Бекенштейн якобы уже пытался построить такую теорию, но у него ничего не получилось. А поскольку Бекенштейн был чрезвычайно умным человеком, логика была простой: если даже он не смог это сделать, значит, сделать это невозможно. Но Бекенштейн услышал об этой шутке и сказал: “Я вообще-то никогда не пытался этого сделать”.

[смеется] После этого он действительно попробовал и добился успеха, потому что был очень умным человеком. В первоначальном варианте теория Бекенштейна получила название TeVeS - тензорно-векторно-скалярная теория. Если посмотреть на нее… Боже мой, это, наверное, одна из самых уродливых теорий, которые вам доводилось видеть. И причина опять же в том, что Бекенштейн был очень умным человеком: существует огромное количество ограничений и условий, которые необходимо одновременно выполнить, чтобы согласовать теорию со всеми данными и при этом сохранить ее теоретическую состоятельность. Даже не вполне ясно, была ли она теоретически безупречной на сто процентов, но, по всей видимости, ей действительно удавалось воспроизводить феноменологию MOND.

И все это произошло еще до того, как были получены точные данные по реликтовому излучению. Поэтому теперь появилась полноценная теория, на основе которой можно было сделать конкретное предсказание. И физики это сделали. Это была поистине героическая работа, потому что провести такие расчеты было совсем непросто. Но предсказания были получены, и оказалось, что теория модифицированной гравитации и теория с темной материей дают разные результаты. В модифицированной гравитации не было никаких естественных причин, по которым четные и нечетные пики должны были вести себя по-разному. Поэтому такого различия теория и не предсказывала. Высоты пиков должны были плавно уменьшаться.

Более того, исследователи построили вполне конкретный график того, как, согласно их расчетам, должен был выглядеть спектр реликтового излучения после получения точных наблюдательных данных. Но реальный спектр оказался совсем не таким. Когда данные наконец появились, они совершенно ясно показали, что это конкретное предсказание было неверным. Однако физики - люди упрямые, умные и изобретательные. Они не сдаются так легко. Поэтому возникает следующий вопрос: можно ли все-таки придумать теорию, которая в каком-то смысле остается модифицированной гравитацией и при этом правильно воспроизводит данные реликтового излучения, если отбросить стеснение, изо всех сил подгонять параметры и всячески усложнять модель?

Да, это возможно. Но если это действительно возможно, если можно построить такую теорию и согласовать ее с реликтовым излучением, которое является нашим лучшим свидетельством существования темной материи, то почему я раньше сказал, что мы знаем о существовании темной материи? Потому что в процессе вы немного потеряли из виду свою первоначальную цель. Посмотрите на эти теории. Даже на теорию Бекенштейна, первоначальную модель TeVeS, которая должна была воспроизводить предсказания модифицированной гравитации. Почему она называется TeVeS? Это сокращение от “тензор-вектор-скаляр”. Тензор здесь - наше старое доброе гравитационное поле, метрический тензор Эйнштейна.

А вектор и скаляр обозначают новые степени свободы, новые поля, которые Бекенштейну пришлось добавить в свою теорию. И с тех пор все, кто создавал различные варианты модифицированной гравитации и утверждал, что они способны согласоваться как с данными реликтового излучения, так и с другими наблюдениями, тоже добавляли в свои теории целый набор новых полей. Ведь как вообще получить различие между четными и нечетными пиками реликтового излучения, если единственным источником гравитационного поля является обычная материя, а ее колебания равномерно затухают при переходе от больших масштабов к малым?

Откуда тогда возьмется различие между четными и нечетными пиками? Если разобраться, ответ заключается в том, что придуманные вами дополнительные поля, которые якобы нужны для модификации гравитации, сами обладают энергией. А значит, они создают собственное гравитационное поле. Причем это гравитационное поле напрямую не связано с обычной материей и существует независимо от нее. Другими словами, это темная материя. [смеется] Именно это она собой и представляет. Темная материя - это какая-то новая степень свободы, новое поле, частица или нечто подобное, что создает гравитационное поле в дополнение к той обычной материи, которую мы знаем и любим.

Если хотите, можете топнуть ногой и сказать: “А я все равно буду называть это модифицированной гравитацией, а не темной материей”. Пожалуйста, никто вам не запрещает. Но объяснить реликтовое излучение без новых источников гравитации, помимо знакомой нам обычной материи, у вас не получится. Потому что вклад обычной материи затухает равномерно, а наблюдаемые данные ведут себя иначе. В моделях с темной материей все это возникает очевидным, естественным и непосредственным образом, и картина получается очень привлекательной. В других моделях добиться того же тоже можно, но в сущности вы просто создаете чрезвычайно странную, громоздкую и трудную для понимания разновидность темной материи.

Но после всего сказанного давайте будем предельно справедливы. Есть причина, по которой люди продолжают исследовать идею модифицированной гравитации. Дело в том, что в том, как темная материя проявляет себя в галактиках и скоплениях, действительно есть нечто странное. Именно на это впервые обратил особое внимание Милгром в 1980-е годы, когда начал разрабатывать MOND. Существует определенная феноменология, то есть характерная закономерность, которую мы снова и снова наблюдаем во Вселенной, прежде всего в галактиках и, возможно, также в скоплениях, хотя насчет скоплений это уже несколько более спорный вопрос. Но в галактиках она определенно присутствует.

Между поведением обычной материи и поведением темной материи существует определенная взаимосвязь. И сама по себе гипотеза темной материи не дает ей немедленного и очевидного объяснения. А вот в теориях модифицированной гравитации такую взаимосвязь можно просто заложить непосредственно в сам закон модификации гравитации. Именно это и называют феноменологией MOND. По сути, MOND, то есть теория модифицированной гравитации Милгрома, предсказывает определенную особенность спиральных галактик, которая действительно наблюдается во Вселенной, но напрямую не следует из теории темной материи.

Именно это и побуждает людей продолжать исследовать идею модифицированной гравитации. Но обратите внимание на важное различие. Сформулируем так: привлекательность модифицированной гравитации заключается в том, что она способна объяснить особенность, которую господствующая теория пока непосредственно не объясняет. А проблема модифицированной гравитации заключается в том, что она не согласуется с данными и исключается наблюдениями. И это уже гораздо более серьезная проблема. Безусловно, важно понять, почему темная и обычная материя взаимодействуют и распределяются таким образом, что галактики приобретают именно ту структуру, которую мы наблюдаем. Это совершенно законная и важная научная задача, над которой стоит размышлять и которую нужно стремиться решить.

Но задача эта сложная, потому что, как мы уже говорили, галактики представляют собой очень сложные системы. Судя по наблюдениям, в центральных областях спиральных галактик темная материя практически не нужна для объяснения происходящего. Там преобладает обычная материя. И это вполне логично, потому что обычная материя способна рассеивать энергию. Благодаря этому она гораздо эффективнее темной материи опускается на дно гравитационной потенциальной ямы и концентрируется в центральных областях. Милгром в своей феноменологии обращает внимание на то, что в спиральных галактиках существует определенный радиус: внутри него для объяснения наблюдаемого движения темная материя практически не требуется, а за его пределами уже требуется.

Именно эту закономерность он и пытается объяснить посредством модификации гравитации. И конечно, в рамках парадигмы темной материи вполне разумно поставить перед собой цель объяснить, почему возникает такая закономерность. Но это будет трудно. Однако нельзя сказать: “Раз вы пока этого не объяснили, значит, темной материи не существует”. [смеется] Это типичный пример просто очень сложной научной проблемы. С таким же успехом можно сказать: “Я не понимаю природу сознания, следовательно, нужно изменить все фундаментальные законы физики”.

А почему мы вообще должны уже сейчас полностью понимать сознание? Это сложнейшая проблема. Возможно, со временем мы до нее доберемся. Но тот факт, что сегодня у нас еще нет полного объяснения сознания, вовсе не является веским свидетельством того, что фундаментальные законы физики необходимо менять. То же самое относится и к кривым вращения спиральных галактик. И снова все это, выражаясь юридическим языком, можно считать показаниями против собственных интересов.

Мне бы хотелось, чтобы гравитация действительно оказалась модифицированной. Я писал научные статьи о модификации гравитации. У меня было еще больше идей на эту тему, которые так и не превратились в статьи, потому что в итоге не сработали. Было бы здорово, если бы такая теория оказалась верной. Это было бы интересно и увлекательно. Но проблема в том, что модифицированная гравитация одновременно противоречит нашим представлениям, основанным на эффективной теории поля, и, судя по всему, не согласуется с наблюдательными данными. Сегодня по-прежнему хватает упорных исследователей, которые продолжают пытаться модифицировать гравитацию.

Но фактически они добавляют в свои теории новые сущности, которые выполняют всю ту работу, которую в обычных моделях выполняет темная материя. Поэтому такие модели следует сравнивать с другими теориями темной материи: насколько естественны их параметры, насколько успешно они делают предсказания и так далее. Так или иначе, темная материя существует. Но мы не знаем, что именно она собой представляет. Темная материя вовсе не обязана состоять из частиц в привычном смысле.

Она ведет себя подобно частицам, но, например, ею могут оказаться микроскопические черные дыры или что-нибудь в этом роде. Наблюдательные данные вполне допускают такую возможность. И вот это уже совершенно реальная загадка. У нас есть очень убедительные свидетельства существования темной материи, но при этом мы не знаем, что она такое. Однако наличие загадки, ответа на которую мы пока не знаем, вовсе не означает кризис. Наоборот, для науки это хорошо. Именно такие загадки и двигают ее вперед. Когда перед вами возникает проблема, она заставляет вас размышлять, искать новые идеи и, возможно, в конечном счете лучше понять устройство мира. И нельзя сказать, что у нас нет вариантов того, чем может оказаться темная материя. И снова подчеркну: о темной материи мы знаем довольно много.

Мы знаем, что она темная, то есть напрямую не взаимодействует с электромагнитным излучением, светом, фотонами. А ведь именно с помощью света мы получаем большую часть информации о далекой Вселенной. Поэтому это очень важное свойство темной материи. Мы также знаем, что темная материя холодная. Когда я только начинал заниматься физикой, этого еще не знали. Тогда большой популярностью пользовались модели как горячей, так и теплой темной материи. Что значит “холодная” в данном случае? Речь идет о том, насколько быстро частицы темной материи двигались в ранней Вселенной. Не столько о том, как быстро они движутся сегодня. В ранней Вселенной они могли двигаться очень быстро, а к настоящему времени значительно замедлиться. Но если бы до эпохи рекомбинации они двигались слишком быстро, то слишком сильно сгладили бы неоднородности плотности, из которых впоследствии выросли галактики и звезды.

Поэтому, опять же исходя из наблюдательных данных, у нас есть очень веские основания считать, что темная материя не только темная, но и холодная. Кроме того, мы знаем, что она практически бесстолкновительна, то есть почти не взаимодействует сама с собой. Иными словами, в отличие от обычной материи, темная материя не собирается в плотные сгустки таким же образом. Мы считаем, что обычная материя преобладает в центральных областях галактик именно потому, что обычные частицы, например атомы водорода, могут сталкиваться друг с другом. Даже несмотря на то, что атом водорода в целом электрически нейтрален, он состоит из электрически заряженных частиц. При столкновениях атомы водорода могут испускать фотоны и терять энергию. То есть обычная материя способна рассеивать энергию и благодаря этому опускаться к центру гравитационной потенциальной ямы.

А данные, позволяющие восстановить распределение темной материи, показывают, что с ней такого не происходит. Галактика, которую вы видите на снимке, например полученном космическим телескопом “Джеймс Уэбб”, выглядит как красивая компактная структура. Но темная материя вокруг нее образует огромное разреженное гало. В центре ее плотность несколько выше, однако в целом она остается довольно диффузной. Причина в том, что темной материи практически нечем охлаждаться. У нее нет эффективного механизма, позволяющего терять энергию и опускаться на дно гравитационной потенциальной ямы. Она в основном бесстолкновительна. Я говорю “в основном”, потому что многие исследователи, в том числе и я, изучали возможность того, что темная материя все-таки в той или иной степени взаимодействует сама с собой. Я занимаюсь всем этим уже очень давно и успел поработать с самыми разными идеями. При этом взаимодействовать можно по-разному.

В основном, когда речь идет о взаимодействиях частиц темной материи, которые могли бы иметь значение для астрофизики, рассматривают упругие столкновения. Иными словами, частицы темной материи сталкиваются редко, но когда это происходит, они ведут себя примерно как бильярдные шары, отскакивающие друг от друга. При этом энергия не рассеивается за счет испускания фотонов или чего-либо подобного, поскольку темная материя не участвует в электромагнитном взаимодействии. Но даже для таких столкновений, насколько я понимаю современное состояние исследований, допустимый диапазон параметров уже довольно узок. Тем не менее эта возможность, насколько мне известно, пока остается открытой. Вместе с несколькими коллегами, включая Марка Камионковски, Мэттью Бакли и Лотти Аккерман, я в свое время предложил идею существования совершенно отдельного аналога электромагнетизма - темного электромагнетизма.

В такой модели частицы темной материи могли бы взаимодействовать с безмассовым калибровочным полем , то есть с так называемым темным фотоном. И оказывается, что существует довольно широкий диапазон параметров, при которых такая модель вполне допустима. Если взаимодействие достаточно слабое, то есть если постоянная тонкой структуры в темном секторе достаточно мала, частицы темной материи будут испускать совсем немного излучения. А дальше уже можно начинать рассуждать о темных атомах, темной химии и тому подобных вещах. Но это скорее занятная возможность, чем то, на что всерьез указывают данные, потому что наблюдения говорят нам: темная материя распределена гораздо более равномерно, чем обычная. Если в темном секторе и существует какая-то интересная химия или физика, напоминающая электромагнетизм, то соответствующие взаимодействия должны быть намного слабее, чем в секторе обычной материи.

И наконец, последнее известное нам свойство темной материи - адиабатический характер ее начальных возмущений плотности, о котором мы уже упоминали. Когда в ранней Вселенной возникают возмущения плотности, возмущения плотности темной материи соответствуют возмущениям плотности обычной материи. Именно этого мы и ожидали бы, например, в рамках инфляционной космологии или какой-либо подобной теории происхождения первоначальных флуктуаций плотности. И примерно этого же требуют имеющиеся наблюдательные данные о распределении темной и обычной материи.

Таким образом, ограничений у нас уже довольно много. Темная материя должна быть темной, холодной, не способной эффективно рассеивать энергию, а ее первоначальные флуктуации плотности должны быть адиабатическими. Но даже с учетом всех этих требований остается огромное количество возможных кандидатов на роль темной материи. Мартин Рис, который раньше был гостем Mindscape, однажды сказал, что правдоподобных кандидатов на роль темной материи настолько много, что было бы удивительно, если бы во Вселенной вообще не оказалось темной материи. Не уверен, что полностью с этим согласен, но можно взглянуть на ситуацию следующим образом: нет никаких оснований считать, что при всех возможных законах физики каждая существующая во Вселенной частица обязательно должна легко обнаруживаться нами.

Вселенная просто не обязана быть устроена таким образом. Так что перед физиком элементарных частиц стоит вполне конкретная задача: придумать правдоподобные модели частиц, которые можно было бы назвать темной материей и которые, помимо прочего, давали бы правильную реликтовую плотность. И это чрезвычайно важный момент. Зная свойства частиц в своей модели и физику ранней Вселенной, вы можете предсказать, сколько таких частиц должно было остаться после того, как Вселенная расширилась и остыла. Это можно рассчитать. Более того, каждый аспирант, занимающийся космологией ранней Вселенной, учится делать такие расчеты практически с самого начала: вычислять реликтовую плотность своего любимого кандидата на роль темной материи. Итак, такой расчет можно провести. Самое простое предположение заключается в том, что когда-то частицы темной материи находились в тепловом равновесии с остальным веществом.

То есть, хотя они и не участвуют в электромагнитном взаимодействии, они могли взаимодействовать с обычной материей посредством какой-то другой силы, причем достаточно интенсивно, чтобы на определенном этапе ранней Вселенной такие взаимодействия происходили сравнительно часто. Частицы темной материи могли превращаться в частицы обычной материи и наоборот. Мы не знаем, действительно ли все происходило именно так. Я лишь говорю, что это первое естественное предположение, с которого можно начать. И тогда, по сути, появляется один основной параметр: сила этих взаимодействий. Зная ее, можно рассчитать, сколько частиц темной материи в итоге останется после расширения и охлаждения Вселенной, то есть определить их реликтовую плотность.

И оказывается, что для холодной реликтовой частицы темной материи взаимодействие должно иметь примерно такую же силу, как слабое взаимодействие в физике элементарных частиц, чтобы в современной Вселенной осталось как раз нужное количество темной материи. Это называют “WIMP-чудом”. WIMP - это слабо взаимодействующая массивная частица. Суть этого “чуда” очень проста: если рассуждать в обратную сторону и спросить, какой должна быть сила взаимодействия, чтобы получить наблюдаемую сегодня реликтовую плотность темной материи, ответ оказывается примерно равен уже известной нам величине - силе слабого взаимодействия в физике элементарных частиц. Поэтому слово “слабо” в выражении “слабо взаимодействующая массивная частица” означает не просто “не очень сильно”. Речь идет конкретно о слабом взаимодействии, уже известном нам из Стандартной модели физики элементарных частиц. Впрочем, это некоторое преувеличение. Идея WIMP-чуда при более внимательном рассмотрении оказывается не настолько точной.

В ней присутствует целый ряд свободных параметров, на которые поначалу можно не обратить особого внимания, но которые на самом деле влияют на итоговую реликтовую плотность. Поэтому пространство для вариаций здесь довольно велико. Допустимые значения могут различаться на несколько порядков величины. Но, грубо говоря, само совпадение все равно выглядит многообещающе. Если вспомнить, как физики представляли себе ситуацию 50 лет назад, когда складывалась Стандартная модель, все это выглядит довольно естественно. Со слабыми взаимодействиями связана еще одна загадка, к которой мы буквально через минуту вернемся. Она называется проблемой иерархии.

Почему масса бозона Хиггса или, если говорить шире, электрослабый масштаб, то есть характерный энергетический масштаб электрослабых взаимодействий, настолько отличается от массы Планка, масштаба Великого объединения или какого-либо другого более высокого энергетического масштаба? Поэтому физики предположили, что на электрослабом масштабе может вступать в действие какая-то новая физика, которая и объясняет проблему иерархии. А это, в свою очередь, означало бы существование новых частиц на масштабе слабого взаимодействия, то есть при энергиях примерно от 100 до 1000 миллиардов электронвольт. Иными словами, речь идет о частицах с массами примерно в 100-1000 раз больше массы протона. На этих энергиях вполне могут существовать новые частицы, которых мы пока не обнаружили.

Они должны были бы слабо взаимодействовать, быть связаны со слабым взаимодействием и при этом обладать большой массой. Другими словами, уже из самых общих соображений вполне естественно предположить существование слабо взаимодействующих массивных частиц. Но опять же здесь остается значительная свобода. Совсем не обязательно, чтобы частицы темной материи относились именно к категории WIMP. Тем более что у таких частиц должно быть еще одно важное свойство, о котором стоит упомянуть: они должны быть стабильными. Недостаточно, чтобы они были нейтральными, то есть не имели электрического заряда и не взаимодействовали с фотонами. Они еще и не должны быстро распадаться. А в физике элементарных частиц совсем несложно придумать новые тяжелые частицы, которые распадаются чрезвычайно быстро.

Если частица обладает очень большой массой, нужно немного постараться, чтобы сделать ее стабильной, то есть не распадающейся. Это вполне возможно и не представляет какой-то невероятной сложности. Но нет никаких оснований утверждать, что такие частицы обязательно должны существовать. Их существование выглядит естественным, но оно не является необходимым. Поэтому наличие слабо взаимодействующих массивных частиц - это не столько конкретное предсказание, сколько естественное ожидание. И такие частицы вполне могли бы оказаться темной материей. Именно поэтому WIMP на протяжении долгого времени считались главными кандидатами на роль темной материи.

Дело не просто в том, что их специально придумали, чтобы объяснить темную материю. Такие частицы естественным образом возникают и в других теориях, созданных совершенно по другим причинам. В физике элементарных частиц такой подход встречается очень часто. Допустим, перед вами есть несколько разных нерешенных проблем. Можно придумывать новую физику, новые частицы, явления или идеи отдельно для каждой из них. Но если одна идея позволяет одновременно решить две проблемы, это обычно считается более привлекательным вариантом - более элегантным, экономным или просто требующим меньшего числа дополнительных предположений. Поэтому новые частицы на электрослабом энергетическом масштабе потенциально могли бы помочь одновременно решить и проблему темной материи, и проблему иерархии.

А возможно, заодно и какие-то другие проблемы электрослабой физики. Кто знает? Поэтому мы запустили целые экспериментальные программы по поиску этих частиц. Нельзя сказать, что мы их не искали. Существует огромная программа экспериментов, и она уже идет полным ходом. Это не какие-то планы на будущее - поиски ведутся прямо сейчас. И пока что слабо взаимодействующие массивные частицы темной материи мы не обнаружили, хотя вполне могли бы уже обнаружить. Давайте будем предельно честны. Если бы 20 лет назад вы спросили физиков, многие из них, думаю, оценили бы шансы примерно как 50 на 50, что к сегодняшнему дню мы уже экспериментально обнаружим темную материю в виде WIMP. Но этого пока не произошло. Поэтому наша уверенность в гипотезе WIMP должна снизиться. Насколько именно она должна снизиться, зависит от ваших исходных предположений и ряда других факторов. Но я сам проделал следующее упражнение: вернулся к статьям, написанным 20-25 лет назад, и посмотрел, какие значения параметров темной материи тогда считались наиболее вероятными и какую часть этого пространства параметров, как предполагалось, смогут проверить различные эксперименты.

Затем я сравнил эти оценки с современными экспериментальными ограничениями. Это было пару лет назад, поэтому с тех пор границы могли немного измениться. Но если говорить очень приблизительно, современные эксперименты исключили около 50% того пространства параметров, которое считалось вероятным для темной материи в виде слабо взаимодействующих массивных частиц. Примерно 50%, еще раз подчеркну, это очень грубая оценка. Но речь идет не об 1% и не о 99%. Это интересная цифра, потому что она означает следующее: да, наша уверенность в том, что именно WIMP являются правильными частицами, правильной моделью и правильной гипотезой для объяснения темной материи, действительно должна была заметно снизиться.

Но полностью отказываться от этой идеи пока не стоит. Исключение 50% пространства параметров - это существенный результат, но не окончательный. Остается еще примерно половина пространства параметров, которую предстоит проверить. И что тут остается делать, кроме как строить более совершенные и более крупные эксперименты? Эксперимент XENON уже довольно давно остается одним из лучших в мире по исключению возможных областей пространства параметров темной материи, и работа будет продолжаться. Исследователи собираются строить все более крупные детекторы, чтобы повысить вероятность обнаружения сигнала. Суть таких экспериментов примерно следующая. Темная материя находится повсюду вокруг нас. Если она действительно состоит из WIMP, то прямо сейчас частицы темной материи пролетают вокруг вас и сквозь ваше тело, почти ни с чем не взаимодействуя.

Поэтому вы строите детектор и ждете тех крайне редких случаев, когда частица темной материи все-таки столкнется с атомом обычного вещества, передаст ему немного энергии, а прибор зарегистрирует этот энергетический импульс. Именно такой сигнал и пытаются обнаружить. Но пока ничего не нашли. И сделать это чрезвычайно трудно, потому что в окружающем мире существует множество других вещей, которые тоже могут столкнуться с атомом и передать ему энергию, совершенно не имея отношения к темной материи. Именно поэтому такие эксперименты настолько сложны.

Главная проблема здесь - фоновые события. Итак, гипотеза WIMP выглядит очень естественной и привлекательной. Мы уже исключили значительную часть пространства ее параметров, но до полного исключения еще очень далеко. При этом существуют и другие кандидаты на роль темной материи, причем некоторые из них рассматриваются уже десятилетиями. Традиционно вторым по популярности кандидатом считается аксион. Аксион - совершенно иная частица, чем WIMP. Он намного, намного легче. Типичная масса WIMP, опять же, может составлять сотни миллиардов электронвольт, то есть сотни ГэВ или около того. Разумеется, физики люди изобретательные, поэтому они рассматривают и самые разные варианты с более легкими частицами темной материи.

Это интересно и заодно обеспечивает астрофизикам элементарных частиц постоянный фронт работы. Аксион - гораздо, гораздо более легкая частица. Гипотетически, конечно, потому что мы пока не знаем, существует ли он вообще, его масса могла бы быть сопоставима с массой нейтрино. Речь идет о крошечной доле электронвольта, то есть аксион намного легче электрона и подобных частиц. Например, его масса может составлять порядка или электронвольта. Но что вообще такое аксион? Эта частица появилась в совершенно другом контексте. И снова ее изначально придумали вовсе не для объяснения темной материи. Идея возникла в те самые триумфальные 1970-е годы, когда физики собирали воедино Стандартную модель.

Тогда стало понятно, что остается одна загадка, точнее, конечно, загадок было несколько, но одна из них долгое время не привлекала особого внимания. Она получила название сильной CP-проблемы. Возможно, вы слышали, что в Стандартной модели существуют, или могли бы существовать, симметрии, обозначаемые буквами C, P и T. C - это симметрия между частицами и античастицами, так называемое зарядовое сопряжение, при котором положительные заряды меняются на отрицательные и наоборот. P - пространственная четность, а T - симметрия относительно обращения времени. По отдельности все эти симметрии в физике Стандартной модели нарушаются.

Однако их совместная комбинация, CPT, сохраняется. В частности, в слабых взаимодействиях нарушение этих отдельных симметрий непосредственно наблюдается в экспериментах. А вот сильное взаимодействие, судя по всему, сохраняет CP и T по отдельности. Само по себе это не проблема. Но если внимательно разобраться в теории, оказывается, что сильное взаимодействие вполне могло бы нарушать CP. В Стандартную модель физики элементарных частиц очень легко добавить член, относящийся к сильному взаимодействию и нарушающий комбинацию зарядового сопряжения, то есть симметрии между частицами и античастицами, и пространственной четности. Но такого нарушения мы не наблюдаем. И вот это уже странно. Почему его нет? Ведь допустить такой член чрезвычайно легко. В других частях Стандартной модели действует почти такое правило: если что-то не запрещено и может происходить, то оно происходит. А здесь соответствующий параметр почему-то оказывается практически равен нулю. Экспериментальные ограничения показывают, что его величина должна быть меньше примерно или .

И мы не знаем никакой очевидной причины, почему он должен быть настолько мал. Поэтому еще в 1970-е годы Роберто Печчеи и Хелен Куинн предложили модель, которая, что вполне логично, теперь называется моделью Печчеи-Куинн. В ней вводилась новая симметрия, способная объяснить, почему в сильных взаимодействиях не наблюдается нарушения CP-симметрии. Вскоре Фрэнк Вильчек, который раньше был гостем Mindscape, и независимо от него Стивен Вайнберг поняли, что предложенная новая симметрия должна сопровождаться появлением новой частицы. Фрэнк Вильчек назвал ее аксионом в честь стирального порошка Axion, который увидел в Европе.

Конечно, здесь есть определенная связь с аксиальными токами и другими понятиями физики, но в основном его просто позабавило, что название стирального порошка звучит как название элементарной частицы. Так это название и закрепилось - аксион. Таким образом, аксион возник как своего рода побочный продукт попытки решить так называемую сильную CP-проблему. У модели аксиона есть два параметра. Один из них более или менее фиксирован известной физикой - это масштаб сильного взаимодействия, который мы называем масштабом КХД, квантовой хромодинамики. Это энергетический масштаб, на котором сильное взаимодействие действительно становится сильным. А второй параметр - масштаб Печчеи-Куинн. Когда Печчеи и Куинн предложили свой новый механизм, вместе с ним появился и новый энергетический масштаб. И мы совершенно не знаем, чему он должен быть равен. Поэтому значение этого масштаба можно выбирать в достаточно широких пределах, ориентируясь на результаты экспериментов.

И оказывается, что, хотя аксион чрезвычайно легок, механизм его рождения в ранней Вселенной совершенно не похож на механизм образования WIMP. Аксион никогда не находился в тепловом равновесии. Он взаимодействует с обычной материей настолько слабо, что в ранней Вселенной не происходило постоянного взаимного превращения аксионов и частиц обычной материи. Поэтому аксионы никогда не были горячими, то есть не находились в состоянии с высокой температурой. По сути, в ранней Вселенной они рождаются практически при нулевой температуре. Поэтому аксион может быть чрезвычайно легкой частицей и при этом все равно играть роль холодной темной материи.

Дальше можно задать вопрос: существует ли такое значение масштаба Печчеи-Куинн, при котором реликтовая плотность аксионов окажется именно такой, какая необходима для объяснения всей темной материи? Ответ, как вы, вероятно, уже догадались, положительный. Да, такое значение вполне существует. А значит, у нас появляется конкретная экспериментальная цель, потому что теперь хотелось бы непосредственно обнаружить эти аксионы. При этом у аксионов, скажем так, несколько меньше сторонников, чем у WIMP. Причина в том, что WIMP, как я уже говорил, часто возникают как часть гораздо более широкой теоретической конструкции, предназначенной для расширения известной физики на электрослабом масштабе. Поэтому на экспериментальные поиски аксионов было потрачено меньше усилий, чем на поиски WIMP. Тем не менее эксперименты по поиску аксионов проводились и продолжают проводиться.

Пока аксионы обнаружить не удалось, но при этом мы исключили далеко не такую большую долю допустимого пространства параметров, как в случае WIMP. Возможно, исключено около 20% пространства параметров аксионов. Это очень приблизительная оценка. Буквально на уровне того, что я смотрю на соответствующие графики и говорю: “Ну да, похоже, примерно 20% пространства параметров уже исключено”. Возможно, специалисты по аксионам смогут назвать более точные цифры, но суть в том, что наши поиски пока не были столь успешными отчасти потому, что мы просто не прилагали столько же усилий к поиску аксионной темной материи. Поэтому теория аксионов по-прежнему остается совершенно жизнеспособной. Я буквально совсем недавно написал статью о том, как аксионы могут способствовать возникновению первичных магнитных полей.

Так что физика аксионов остается чрезвычайно интересной и активно развивающейся областью исследований. И конечно, эти две гипотезы, WIMP и аксионы, далеко не единственные возможные варианты. Как я уже говорил, обе они привлекательны тем, что предлагаемые кандидаты на роль темной материи одновременно решают еще какую-то независимую проблему. А физикам такое нравится. Но если отказаться от этого требования и просто сказать: “Я собираюсь придумать кандидата на роль темной материи”, то тут можно дать волю фантазии. Существуют десятки, вероятно, сотни моделей темной материи. Возможно, даже “сотни” - это слишком скромная нижняя оценка количества предложенных моделей. И снова, за некоторые из них отвечаю в том числе и я. Хотя не за очень многие, потому что темной материей я занимался не так уж много. Но это интересная работа: вы предлагаете модель.

И конечно, модель стоит предлагать не просто потому, что до вас никто именно такую еще не придумал, а потому, что у нее есть какие-то дополнительные интересные следствия. Например, ее можно экспериментально проверить или она способна решить какую-то другую проблему физики ранней Вселенной. К сожалению, существуют и такие модели, согласно которым мы, по сути, никогда не сможем непосредственно обнаружить темную материю. Есть варианты, в которых темная материя взаимодействует с обычной практически исключительно посредством гравитации. Это было бы печально, но Вселенная существует не для того, чтобы делать нас счастливыми. Поэтому мы делаем все возможное: пытаемся обнаружить темную материю и придумываем модели, которые можно проверить экспериментально.

Получится у нас или нет - неизвестно. Такова реальность. И если вернуться к идее “кризиса в физике”, можно ли назвать эту ситуацию кризисом? Нет, определенно нет. Можно расстраиваться из-за того, что мы до сих пор не нашли частицу темной материи. Можно раздражаться из-за того, что природа не облегчает нам задачу. Но в целом, на мой взгляд, физики используют именно те стратегии, которые и следует использовать. Если вы теоретик, вы напрягаете мозги и пытаетесь придумать, чем может быть темная материя. Если вы экспериментатор, вы пытаетесь ее обнаружить. А теоретики и экспериментаторы общаются друг с другом и вместе ищут наиболее эффективные способы это сделать. Существует множество вариантов того, чем может оказаться темная материя.

И, к сожалению, экспериментальные способы проверки этих вариантов совершенно различны. Эксперимент, предназначенный для поиска WIMP, не сможет обнаружить аксионы, и наоборот. А если говорить совсем откровенно, существуют и такие модели темной материи, которые, возможно, вообще невозможно будет обнаружить никаким экспериментом. И что нам делать в такой ситуации? На мой взгляд, именно то, что мы сейчас и делаем. Нужно продолжать поиски, оценивать различные модели с точки зрения их относительной правдоподобности и вкладывать деньги, время и усилия в экспериментальную проверку разных возможностей, соразмерно тому, насколько вероятной нам представляется каждая из них. Вполне логично, что до сих пор на поиски WIMP мы тратили больше денег, чем на поиски аксионов, потому что, по мнению большинства физиков, WIMP являются несколько более вероятным кандидатом на роль темной материи. Хотя разница здесь не настолько велика.

Поэтому мы ищем и аксионы, а также проверяем другие возможные варианты. Но я, если честно, не понимаю, чего еще от физиков можно было бы требовать. Природа есть природа. Она даст нам экспериментальные результаты тогда, когда даст, а не тогда, когда мы этого потребуем. Мы не можем просто топнуть ногой и сказать: “Чтобы завтра же нашли темную материю, иначе…” Это просто неработающая стратегия. Думаю, о темной материи я сказал все, что хотел. Есть еще темная энергия, но о ней сказать можно гораздо меньше. На темную энергию приходится около 70% всей плотности энергии Вселенной. При этом ее существование нельзя считать столь же однозначно установленным, как существование темной материи, потому что данные о темной энергии гораздо менее конкретны.

Мы знаем, сколько ее примерно во Вселенной, и знаем, что со временем она меняется очень медленно. Насколько мы можем судить, темная энергия равномерно распределена в пространстве, а ее плотность с течением времени остается приблизительно постоянной. Это уже неплохо. Такая информация действительно накладывает серьезные ограничения на возможные теории. Но она гораздо менее подробна и конкретна, чем наши знания о темной материи. В случае темной материи мы буквально можем построить карту ее распределения. Существуют великолепные карты, полученные благодаря исследованиям гравитационного линзирования, и они дают нам очень конкретную информацию. А в случае темной энергии у нас, по сути, есть одно число - сколько ее во Вселенной.

Все остальные величины, которые потенциально могли бы отличаться от нуля, например насколько плотность темной энергии меняется от одного места к другому или с течением времени, пока полностью согласуются с нулем. Поэтому в случае темной энергии идея попытаться заменить ее модифицированной гравитацией выглядит вполне правдоподобно. Опять же, я сам занимался такими моделями, а после этого появилось множество работ других исследователей, развивавших эти идеи. Это по-прежнему активно исследуемая область. Но должен признаться, что, на мой взгляд, темная энергия, скорее всего, просто постоянна. [смеется] И снова это совершенно не в моих интересах, потому что многие мои статьи, в том числе некоторые из наиболее цитируемых, посвящены либо попыткам избавиться от темной энергии, заменив ее модифицированной гравитацией, либо изучению последствий различных динамических теорий темной энергии.

Самый очевидный пример: можно представить частицу, похожую на аксион, но с массой не порядка электронвольта, а порядка электронвольта, то есть с невероятно малой массой. Тогда такое поле может играть роль не темной материи, а темной энергии. Это может быть поле типа квинтэссенции, которое чрезвычайно медленно изменяется со временем. И такая модель позволяет сделать экспериментально проверяемое предсказание, связанное с так называемым двойным лучепреломлением. Идея заключается в том, что фотоны, распространяющиеся через меняющееся со временем поле квинтэссенции, будут постепенно изменять направление своей поляризации за время от эпохи формирования реликтового излучения до наших дней.

Как я уже упоминал, некоторое время назад я записал сольный выпуск подкаста под названием “Screwy Universe”. Если вам интересны эти идеи, можете его найти. Существует утверждение, что в уже имеющихся данных по поляризации реликтового излучения, возможно, действительно просматривается это двойное лучепреломление. Но, на мой взгляд, статистическая значимость пока недостаточно велика, чтобы можно было уверенно сказать, что эффект действительно существует. Поэтому я отношусь к этому очень осторожно. Если бы мне пришлось делать ставку, буквально под угрозой, я бы сказал, что вероятность того, что наблюдаемый сигнал действительно связан с двойным лучепреломлением, а не является случайной флуктуацией или экспериментальной ошибкой, меньше 50%.

Но при этом она точно больше 5%. То есть продолжать исследования совершенно необходимо. Я очень надеюсь, что эффект окажется реальным - это было бы здорово. Но самое простое объяснение темной энергии по-прежнему заключается в том, что это просто космологическая постоянная. То есть та самая энергия вакуума, о которой мы уже говорили. Это самое простое объяснение, и пока оно идеально согласуется со всеми имеющимися данными. Поэтому будьте очень осторожны, когда кто-то говорит: “Мы вообще ничего не знаем о том, что такое темная энергия”.

Что значит “ничего не знаем”? Опять же, некоторые свойства темной энергии нам известны, и у нас есть очень хороший кандидат на роль ее объяснения. Это космологическая постоянная, то есть энергия вакуума. Сейчас мы находимся на той стадии, которую я называл слабым пониманием: существуют и другие возможные объяснения. Это может быть какое-нибудь медленно изменяющееся скалярное поле или определенная модификация гравитации. Все эти теории в некотором смысле хуже, потому что они порождают новые проблемы, которых раньше не было, и при этом не решают тех проблем, которые уже существуют у модели с космологической постоянной.

Но с точки зрения эксперимента они пока остаются допустимыми. Поэтому мы должны относиться к ним серьезно. Но нельзя сказать, что мы совершенно ничего не понимаем. У нас есть вполне хорошее представление о том, чем может быть темная энергия, и это объяснение прекрасно согласуется со всеми имеющимися данными. Теперь мы пытаемся выяснить, остаются ли жизнеспособными остальные теории. Чем больше данных мы получаем, тем меньше пространства для них остается. Но пока они окончательно не исключены, мы обязаны продолжать их рассматривать. И снова я не очень понимаю, чего еще можно было бы требовать от физиков.

Именно так и должна работать наука: мы предлагаем идеи, а затем проверяем их экспериментально. Кстати, и в случае темной материи, и в случае темной энергии у вас может возникнуть желание слегка закатить глаза из-за склонности теоретиков без конца предлагать все новые модели. Они снова и снова придумывают новые варианты того, чем может быть темная материя или темная энергия. Таких моделей существует очень, очень, очень, очень много. Разве это в какой-то момент не начинает немного утомлять? Но здесь крайне важно понимать одну вещь. Когда вы говорите: “Давайте проведем эксперимент или астрофизическое наблюдение, чтобы проверить эти идеи”, сам выбор эксперимента или наблюдения нельзя отделить от конкретной теоретической модели. Разные теории проверяются разными экспериментами.

Как я уже говорил, эксперименты, накладывающие ограничения на WIMP, совершенно не похожи на эксперименты, предназначенные для поиска аксионов. Поэтому, если вы не сядете и не сформулируете конкретную модель, экспериментально проверить идею будет невозможно. Вполне может оказаться, что существует какой-нибудь эксперимент стоимостью всего 100 тысяч долларов, который мы могли бы без особого труда провести и сразу обнаружить темную материю.

Но мы пока не знаем, что это за эксперимент, потому что теоретики еще не придумали модель, которая предсказывала бы именно такой способ обнаружения. Так что все эти теоретики, которые продолжают одну за другой создавать новые модели, действительно занимаются важной работой. Да, со стороны это может выглядеть немного утомительно. Если вы сами не работаете в этой области, от бесконечного потока новых моделей у вас может просто начать рябить в глазах. Но эта работа чрезвычайно важна, потому что одна из этих моделей вполне может оказаться правильной. А у правильной модели может существовать какой-нибудь очень хитрый, необычный и уникальный экспериментальный признак, о котором мы пока даже не подозреваем. Теория и эксперимент зависят друг от друга. И один из важнейших аспектов этой взаимосвязи заключается в том, что экспериментаторам нужны теоретики, которые подскажут им, что именно следует искать.

Поэтому вся эта работа по созданию новых теоретических моделей действительно имеет огромное значение. Поэтому я не думаю, что темная материя или темная энергия представляют собой кризис хоть в каком-то смысле. Это самая обычная физика: у нас есть загадки, на которые мы пока не знаем ответа, есть хорошие идеи о том, какими могут быть эти ответы, и мы пытаемся проверить их экспериментально. Одновременно мы придумываем новые идеи, которые могут подсказать нам новые способы экспериментальной проверки. Трудно представить более здоровое состояние научной области. Прогресс идет медленно - ну и что? В этом нет вины физиков или людей, которые занимаются этой работой. Все они хотели бы, чтобы прогресс шел быстрее.

Естественность, иерархия и отсутствие новых частиц

Но природа не всегда идет нам навстречу, и с этим нам просто нужно научиться мириться. Итак, темная материя и темная энергия - это одна из областей, состояние которой некоторых людей немного раздражает. Теперь перейдем к следующей. Всего я хочу рассмотреть три области, и сразу их перечислю. Первая - темная материя и темная энергия. Вторая - проблемы естественности внутри базовой теории. И третья - квантовая гравитация, о которой вы наверняка уже слышали. Итак, поговорим о проблемах естественности. Проблемы естественности в базовой теории возникают из-за одной идеи, которая, строго говоря, с философской точки зрения сформулирована не слишком убедительно. Думаю, в ее основе действительно скрывается философски обоснованная мысль, но мне кажется, что философы и физики пока так и не сели вместе и не разобрались как следует, в чем именно она должна заключаться. Но суть этой идеи в следующем: некоторые особенности теории, например базовой теории, кажутся нам естественными, а некоторые - нет.

Но что вообще значит, что какая-то особенность выглядит естественной? Герард 'т Хоофт, знаменитый физик и один из крупнейших специалистов по квантовой теории поля 1970-х, 1980-х годов и последующих десятилетий, предложил определенное понятие естественности применительно к квантовой теории поля. Согласно его определению, наличие малого параметра является естественным, если при точном обращении этого параметра в ноль восстанавливается некоторая симметрия. Но существуют и другие представления о естественности, которыми мы пользуемся на более неформальном уровне.

И можно отдельно обсудить, почему вообще у нас возникают ожидания, что нечто должно быть естественным. В самом грубом приближении, когда мы говорим, что какие-то величины в Стандартной модели естественны или неестественны, мы имеем в виду примерно следующее. Допустим, у вас есть безразмерное число. Не масса или какая-то другая размерная величина, а, например, отношение двух масс - это уже безразмерное число. И если такое безразмерное число оказывается чрезвычайно малым, намного меньше единицы, или, наоборот, обратная ему величина оказывается намного больше единицы, причем для этого нет никакой очевидной причины, например это результат сочетания множества величин, которые, как нам кажется, должны были бы в сумме давать число порядка единицы, но почему-то не дают, тогда перед нами возникает проблема естественности.

Такой результат кажется нам признаком того, что здесь что-то не так. Я уже упоминал сильную CP-проблему - это одна из проблем естественности. Но в базовой теории есть еще две знаменитые проблемы такого рода. Одна из них - проблема иерархии. Она связана с отношением масштаба электрослабых взаимодействий, который составляет порядка нескольких сотен ГэВ, к планковскому масштабу. ГэВ - это миллиард электронвольт. Если же вы считаете, что где-то вблизи планковского масштаба существует масштаб объединения взаимодействий, то суть проблемы остается той же. Очень грубо говоря, в реальном мире отношение электрослабого масштаба к планковскому составляет примерно . Это чрезвычайно малое число.

И здесь проблема становится более содержательной, потому что, если рассматривать электрослабый масштаб в контексте квантовой теории поля, он выглядит как результат сочетания множества различных вкладов. Например, если начать с классической теории, к классическому результату добавляются квантовые поправки. Все эти вклады нужно сложить между собой, и у нас нет никаких очевидных причин ожидать, что они будут взаимно сокращаться. Более того, обычно эти поправки велики. Поэтому, если говорить очень приблизительно, можно было бы ожидать, что хорошо известные нам квантовые поправки в Стандартной модели физики элементарных частиц увеличат электрослабый масштаб по сравнению с его исходным классическим значением, причем увеличат его вплоть до планковского масштаба.

У нас нет очевидной причины, почему этого не должно происходить. Но этого не происходит. Электрослабый масштаб составляет примерно от планковского масштаба. Конечно, это очень грубая оценка. В этом и заключается проблема иерархии: почему между электрослабым и планковским масштабами существует такая огромная разница? Другая проблема - это, конечно же, проблема космологической постоянной. Здесь история почти в точности такая же. Энергию вакуума, то есть космологическую постоянную, вполне можно рассматривать как величину, складывающуюся из множества различных вкладов - классических, квантовых и так далее. И можно было бы ожидать, что она окажется где-то вблизи планковского масштаба. Но это не так.

В зависимости от того, в каких единицах ее измерять, если использовать единицы плотности энергии, плотность энергии вакуума составляет примерно от соответствующей величины на планковском масштабе. Это и есть знаменитое число, которое часто называют самым большим расхождением между теоретическими ожиданиями и реальностью во всей физике. Но, на мой взгляд, вполне обоснованно взять корень четвертой степени из этой величины, то есть вычислить . Почему? Потому что с точки зрения размерности рассматриваемая нами плотность энергии имеет единицы энергии в четвертой степени.

Если перейти к естественным единицам, где - именно такими единицами обычно пользуются физики элементарных частиц, - все величины выражаются через энергию в той или иной степени. А плотность энергии имеет размерность энергии в четвертой степени. Так что реальное расхождение в энергетических масштабах между энергией вакуума и планковским масштабом составляет не , а . Хорошо? Но - это все равно чрезвычайно малое число. Между тем, что мы наблюдаем, и тем, чего могли бы ожидать, существует колоссальное расхождение. Что касается проблемы иерархии, исторически электрослабый масштаб находился на несколько слишком высоких для нас энергиях, чтобы мы могли исследовать его напрямую. Именно это было одной из причин строительства Большого адронного коллайдера. Это же послужило бы мотивацией для строительства Сверхпроводящего суперколлайдера, который, напомню, смог бы достичь даже более высоких энергий, чем БАК.

Но этот проект отменили, потому что в конце 1990-х годов в США активно пытались сократить дефицит бюджета. Строительство Сверхпроводящего суперколлайдера уже началось, но так и не было завершено. А проложенный для него тоннель в итоге фактически засыпали. И к этому проекту мы уже никогда не вернемся. Поэтому Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, недалеко от Женевы, сегодня дает нам лучшую возможность исследовать физику вблизи электрослабого масштаба. Из-за проблемы иерархии существовало очень сильное ожидание, что, как только мы непосредственно исследуем физику электрослабого масштаба, мы обнаружим какую-то новую физику. Были и конкретные варианты того, что именно это может быть: суперсимметрия, дополнительные измерения, сильная динамика и другие идеи. Рассматривалось множество возможностей.

Но существовало довольно твердое убеждение, что из-за проблемы иерархии на электрослабом масштабе обязательно должно происходить что-то новое. И что бы это ни было, оно должно было привести к появлению целого набора новых частиц. Например, это могли быть суперсимметричные частицы. Если вы знакомы с суперсимметрией, то знаете, что это гипотетическая симметрия между бозонами и фермионами. С точки зрения математической структуры квантовой теории поля суперсимметрия выглядит чрезвычайно естественной идеей. Кроме того, у нее есть множество привлекательных свойств: она упрощает некоторые вычисления, дает вполне конкретные экспериментальные предсказания и, среди прочего, потенциально способна помочь решить проблему иерархии.

Кроме того, суперсимметрия могла бы дать нам кандидата на роль темной материи. Нейтралино - гипотетическая суперсимметричная частица - могло бы оказаться WIMP, то есть массивной слабовзаимодействующей частицей. Поэтому, если мысленно вернуться лет на двадцать назад, у вас были бы все основания ожидать, что к сегодняшнему дню мы уже обнаружим темную материю в экспериментах по ее прямому поиску, например в виде слабовзаимодействующего массивного нейтралино. И одновременно мы должны были бы обнаружить множество новых частиц на Большом адронном коллайдере, поскольку БАК исследует именно электрослабый масштаб. Он обнаружил бозон Хиггса и продолжает искать другие частицы. Но этого не произошло. Никаких новых частиц мы пока не нашли. Вполне могло оказаться, что мы включим БАК и из детектора буквально посыплются глюино, причем в таком количестве, что не заметить их будет невозможно.

Но мы не увидели ни одного. И речь не только о суперсимметричных частицах. Мы вообще не обнаружили никаких новых частиц за пределами тех, которые уже входят в базовую теорию. Но здесь нужно быть честными: поиски еще далеко не закончены. Очень далеко. БАК продолжает работать и искать новые явления, постепенно продвигаясь к более высоким энергиям и более высокой светимости. Просто не произошло того простого и приятного открытия, на которое мы надеялись и ради которого, конечно, держали кулаки. Пока не видно никаких новых частиц на электрослабом масштабе, кроме бозона Хиггса, который, как мы и так знали, должен был там находиться. Если бы большинство моделей низкоэнергетической суперсимметрии были верны, мы уже увидели бы целый набор новых частиц. Но мы их не увидели. Поэтому проблема иерархии никуда не делась. Она по-прежнему стоит перед нами во всей своей очевидности. Теперь, оглядываясь назад, можно было бы рассуждать следующим образом. Проблема иерархии связана с расхождением между электрослабым масштабом порядка 100 ГэВ и планковским масштабом порядка 10¹⁸ ГэВ или около того. А проблема космологической постоянной выглядит очень похоже, но энергетический масштаб вакуума составляет примерно 10⁻³ электронвольта, то есть около 10⁻¹² ГэВ.

Это очень далеко от 10¹⁸ ГэВ - разница составляет 30 порядков величины. И при этом мы не наблюдаем никаких новых частиц вблизи энергетического масштаба вакуума, которые могли бы объяснить, почему он остается настолько низким. Возможно, и в случае электрослабого масштаба мы изначально рассуждали не совсем правильно. Хорошо. Но тогда мы не знаем, как именно следует рассуждать. Поэтому мы просто стараемся максимально добросовестно разобраться в ситуации. У нас была загадка - проблема иерархии. Она остается загадкой и сегодня, никуда не исчезла. На протяжении многих лет она служила одной из главных мотиваций для исследований. У нас были хорошие, вполне правдоподобные кандидаты на ее решение. Но пока мы не получили никаких экспериментальных свидетельств в пользу ни одного из них.

И это реальность, с которой физикам элементарных частиц приходится считаться. Так что же делать? Есть несколько возможных подходов. Один из них - просто продолжать двигаться вперед. Продолжать придумывать теории, которые могли бы объяснить проблему иерархии, и рассматривать строительство ускорителей частиц с еще более высокими энергиями, чтобы проверять эти теории. Но нужно честно признать, что теперь это уже в большей степени поиск наугад. У Большого адронного коллайдера и у отмененного Сверхпроводящего суперколлайдера была конкретная цель - электрослабый масштаб. Мы ничего такого не увидели. По крайней мере, пока. Я очень надеюсь, что уже в следующем месяце обнаружится целая куча новых частиц и весь этот выпуск можно будет просто выбросить. Но на данный момент никаких новых частиц на БАК мы не нашли. Поэтому сегодня нет какого-то очень сильного теоретического предсказания в духе: “Поднимитесь еще на один порядок по энергии, и там обязательно появится множество новых частиц”.

Они вполне могут там быть, ведь проблема иерархии никуда не исчезла. Но любые новые частицы, которые мы обнаружим на более высоких энергиях, сами уже будут тяжелее и не будут находиться непосредственно на электрослабом масштабе. А значит, будет чуть менее очевидно, можно ли считать их настоящим решением проблемы иерархии. Но что тут поделаешь? Природа и в этом случае не слишком нам помогает. У нас есть загадка, и мы стараемся решить ее настолько хорошо, насколько можем. На мой взгляд, именно этим и следует заниматься. Однако есть и другая стратегия, помимо того, чтобы просто упрямо двигаться вперед. Можно пересмотреть собственные исходные предположения. Можно взглянуть на ситуацию шире и спросить: хорошо, у нас есть проблема космологической постоянной, сильная CP-проблема, проблема иерархии.

Все это загадки, связанные с числами в Стандартной модели, которые, казалось бы, вполне могли быть порядка единицы, но вместо этого оказываются намного, намного меньше. Что здесь вообще происходит? Да, это совершенно разумная стратегия. Более того, лично я считаю ее наиболее перспективным путем вперед. Я действительно пытался этим заниматься. Я садился и придумывал разные идеи. Но пока ни одна из них не оказалась особенно удачной в том, что касается по-настоящему глубокого пересмотра квантовой теории поля, эффективной теории поля, естественности или самой структуры пространства-времени, чтобы сделать более правдоподобным тот факт, что космологическая постоянная или электрослабый масштаб настолько меньше наших естественных ожиданий. Сказать это гораздо проще, чем сделать. Очень легко заявить: “Да, нужно пересмотреть фундаментальные предположения”.

Хорошо, но эти фундаментальные предположения до сегодняшнего дня были чрезвычайно плодотворными и прекрасно объясняли данные. Поэтому очень трудно изменить их так, чтобы при этом не разрушить все то, что уже удалось успешно объяснить. Так что, конечно, исходные предположения стоит пересматривать. Но это слишком расплывчатое указание. Оно не говорит, в каком именно направлении двигаться. Какое конкретно предположение мы должны пересмотреть? Я пытаюсь это понять, другие люди тоже пытаются, но совершенно не очевидно, что именно нужно делать. Поэтому отсутствие новых частиц на электрослабом масштабе, на мой взгляд, действительно создает серьезную проблему для будущего физики элементарных частиц. На мой взгляд, определенно стоит построить более мощный ускоритель частиц с более высокими энергиями, чтобы заглянуть за пределы того, что способен увидеть БАК.

Но я не могу с чистой совестью обещать, что мы там что-нибудь обнаружим. Что-нибудь новое, конечно. Стандартную модель мы там снова увидим. Я считаю, что такой ускоритель стоит построить, потому что, если мы действительно найдем что-то новое, это существенно расширит наше понимание природы. Но не я выписываю чеки на такие проекты. Поэтому я должен честно говорить о наших ожиданиях. На мой взгляд, перед нами действительно очень сложная проблема. Кризис ли это? Не знаю. Опять же, природа никогда не обещала нам, что будет легко. В этом и состоит часть удовольствия и одновременно сложности нашей работы: загадки действительно трудны.

Наши представления о природе всегда предварительны и могут быть пересмотрены. Природа устроена непросто, а мы исследуем такие области, где одной нашей интуиции совершенно недостаточно, чтобы уверенно двигаться вперед. Поэтому, опять же, мне кажется, что мы занимаемся именно тем, чем и должны заниматься. Никакого кризиса я здесь не вижу. Я вижу неприятную ситуацию, в которой мы пока не обнаружили столько новых частиц, сколько нам хотелось бы. Но это совсем не то же самое, что кризис. И дело вовсе не в том, что сами физики что-то делают неправильно.

Квантовая гравитация и теория струн

И наконец, последнее, о чем я хочу поговорить, - это квантовая гравитация. Это еще одна область, которую мы пока не понимаем в полной мере, о чем вы наверняка уже слышали. Что же нам делать? У нас действительно есть эффективная теория поля, описывающая квантовую гравитацию в режиме слабой гравитации, и там она работает прекрасно. Но нам хотелось бы понять происхождение Вселенной, квантовую природу черных дыр и другие подобные вещи. И здесь есть довольно интересная история, потому что, без сомнения, существует определенный разрыв между тем, как ситуацию воспринимает широкая публика, и тем, как на нее смотрят внутри физических факультетов и научного сообщества. Я не знаю, что именно вы слышали, если сами не занимаетесь физикой, но среди широкой публики представление о ситуации несколько отличается от того, что происходит в профессиональной среде.

В физических факультетах теория струн по-прежнему остается очень активно развивающейся областью и с большим отрывом является самым популярным подходом к квантовой гравитации. Возможно, вы слышали, что теория струн мертва и что ею больше никто не занимается. Это совершенно не соответствует действительности. Конечно, сама теория струн вполне может оказаться неправильной. Она действительно может не быть верной теорией природы. Но в профессиональном физическом сообществе она по-прежнему с большим отрывом остается самым популярным способом размышлять о квантовой гравитации. Почему так произошло?

Здесь можно привести разные объяснения и подробно разобрать историю вопроса. Но главное заключается в том, что теория струн возникла в конце 1960-х годов как попытка описать сильные взаимодействия. Это было еще до того, как мы узнали о квантовой хромодинамике, кварках и всем остальном. Тогда физики поняли, что экспериментальные данные о различных сильно взаимодействующих частицах, возможно, удастся объяснить, если вместо точечных частиц рассматривать струны. На самом деле сегодня мы понимаем, что здесь происходит. Сильные взаимодействия действительно являются сильными из-за конфайнмента. Если взять два кварка, ситуация будет совсем не такой, как с электроном и протоном в атоме водорода, вокруг которых электромагнитные поля распространяются во всех направлениях.

Если у вас есть два кварка, глюонное поле, связывающее их друг с другом, в основном оказывается заключено в узкой трубке, протянутой от одного кварка к другому. Поэтому эта структура действительно немного напоминает струну. Можно представить, что такая тонкая трубка из глюонного поля, соединяющая два кварка, способна растягиваться и колебаться, вращаться, обладать угловым моментом. У нее могут существовать различные моды колебаний, очень похожие на колебательные моды струны. Поэтому теперь мы понимаем, почему в случае сильно взаимодействующих частиц - не самих кварков, а составных частиц, таких как мезоны и барионы, - физикам могло показаться, что правильнее описывать их с помощью струн, а не кварков и глюонов. Но когда исследователи начали всерьез рассматривать гипотезу о том, что мир состоит из струн, а не из точечных частиц, они постоянно сталкивались с одной загадкой, которую тогда воспринимали как проблему: теория снова и снова предсказывала существование гравитации.

В частности, в ней неизбежно появлялась частица со спином 2, обладающая всеми свойствами гравитона. В конце концов физики поняли: “Но ведь гравитация действительно существует. Почему бы тогда не отнестись к этому серьезно и не рассматривать теорию струн как теорию гравитации?” Так в 1970-х годах возникло новое направление исследований. Это направление тогда совсем не было популярным. Над ним работало буквально человек пять. Может быть, чуть больше пяти, точно не знаю, но в любом случае это была совсем небольшая группа людей, которые очень упорно занимались этой темой. И непопулярность этого направления объяснялась несколькими причинами. Во-первых, в 1970-х годах почти никто не занимался квантовой гравитацией.

Физики все еще с огромным интересом работали над Стандартной моделью и собирали ее воедино. А гравитация казалась чем-то довольно далеким и труднодоступным. Во-вторых, исследования квантовой теории поля в XX веке, особенно тех калибровочных теорий, о которых я рассказывал раньше, показали нам, что подобные теории в определенном смысле чрезвычайно хрупки. Если просто записать новую теорию и сказать: “Вот у меня калибровочная теория, вот материя, а вот калибровочные взаимодействия”, очень легко получить математически некорректную теорию, которая по тем или иным причинам просто не сможет работать. Например, в ней могут появиться частицы с отрицательной энергией. Но еще чаще возникает так называемая аномалия при квантовании калибровочной теории. Суть калибровочной теории строится вокруг определенной симметрии.

Можно записать классическую теорию, обладающую этой симметрией, но после квантования может оказаться, что соответствующая квантовая теория этой симметрией уже не обладает. Иными словами, сам процесс квантования нарушает исходную симметрию. Это и называется аномалией. Для калибровочной теории такая ситуация губительна. В физике элементарных частиц калибровочные симметрии имеют чрезвычайно важное значение. Поэтому необходимое условие существования корректно определенной калибровочной теории состоит в том, чтобы в ней не было аномалий, то есть чтобы квантование не нарушало соответствующую симметрию. И все считали, что теория струн настолько сложна, что в ней присутствует столько всевозможных симметрий, что рано или поздно в ней обязательно обнаружатся какие-нибудь аномалии и выяснится, что теория просто не работает.

Но в 1984 году произошли сразу два важных события. Во-первых, к тому времени экспериментально обнаружили W- и Z-бозоны. Поэтому стало совершенно ясно, что то, что сегодня мы называем Стандартной моделью физики элементарных частиц, движется в правильном направлении. Можно сказать, что примерно в 1984 году физики элементарных частиц пришли к выводу: “Да, похоже, мы с этим разобрались. Похоже, все имеющиеся данные удалось объяснить”. Конечно, оставались предсказания, которые еще не были проверены. В 1984 году мы еще не обнаружили топ-кварк, бозон Хиггса и так далее. Но уже было понятно, что основная картина верна. И тогда возник естественный вопрос: куда двигаться дальше? Чем заниматься теперь?

А второе важное событие 1984 года состояло в том, что Майкл Грин и Джон Шварц показали: в теории струн все аномалии взаимно сокращаются. В теории суперструн аномалий нет. Почему именно суперструн? Потому что, как я уже говорил, суперсимметрия - симметрия между бозонами и фермионами - во многих отношениях упрощает жизнь. Какую бы теорию вы ни взяли, если построить ее суперсимметричную версию, она во многих отношениях становится более привлекательной. Бесконечности исчезают, расчеты становятся проще. Поэтому для теории суперструн суперсимметрия, я не хочу говорить, что она абсолютно необходима, но она чрезвычайно полезна для того, чтобы теория струн была математически корректно определена. Итак, в 1984 году Грин и Шварц поняли, что теория суперструн представляет собой вполне жизнеспособную теорию квантовой гравитации.

Она конечна, в ней не возникают бесконечности и связанные с ними проблемы перенормировки, она свободна от аномалий и предсказывает не только существование гравитации, но и других калибровочных взаимодействий, которые вполне могут в конечном итоге оказаться известными нам в реальном мире электромагнитным, слабым и сильным взаимодействиями. Правда, была одна небольшая проблема: теория работает только в десятимерном пространстве-времени. Но для физиков это не проблема. Физики - люди смелые и знают, что делать. Берем шесть измерений, сворачиваем их в крошечную компактную структуру и получаем эффективную четырехмерную теорию поля. Вскоре после прорыва Грина и Шварца стало понятно, что на уровне десятимерных теорий существует лишь небольшое число возможных вариантов.

Оказалось, что есть всего пять математически корректно определенных теорий струн. Я рассказываю эту небольшую историческую предысторию потому, что сообщество физиков-теоретиков ни в какой момент не собиралось вместе со словами: “Давайте теперь приложим все силы и займемся квантовой гравитацией”. Такого момента просто не было. Как я уже говорил, большинство физиков тогда были чрезвычайно увлечены квантовой теорией поля и Стандартной моделью, а специалисты по теории струн составляли крошечное меньшинство, которое пыталось двигаться совершенно другим путем. То есть дело было не в том, что научное сообщество решило: “Давайте займемся квантовой гравитацией”. Скорее сами специалисты по теории струн сказали: “Вот же она. У вас прямо перед глазами теория квантовой гравитации, которая прекрасно согласуется со всем остальным, что нам известно, и, возможно, даже является теорией всего, способной заодно объяснить Стандартную модель и многое другое”.

Иными словами, люди не сидели и не рассуждали: “Как лучше всего квантовать гравитацию?” Эта теория квантовой гравитации буквально сама свалилась им в руки. Такие люди, как Эдвард Виттен, говорили: “Это теория XXI века, которая каким-то образом оказалась в 1980-х, и нам понадобятся десятилетия, чтобы разобраться, что именно она нам говорит”. Но, если быть совершенно справедливым, в 1980-х вокруг теории струн действительно было огромное количество чрезмерного ажиотажа, потому что она потенциально могла стать теорией всего. Людей чрезвычайно увлекла эта идея. Можно ли предсказать не только существование гравитации, что уже само по себе замечательно, но и вывести всю Стандартную модель? Может быть, получить ее суперсимметричную версию, объяснить темную материю, вычислить значения всех параметров и так далее?

В 1980-х у специалистов по теории струн действительно были такие амбиции. Но ничего не получилось. Как вы понимаете, если бы получилось, мы бы вам об этом уже рассказали. Со временем ситуация стала даже сложнее. При этом я сам тогда был в этой среде и могу сказать, что, несмотря на весь ажиотаж вокруг теории струн и возникшую в 1980-х настоящую волну интереса, многие физики по-прежнему относились к ней скептически или по крайней мере осторожно. Многие из лучших физических факультетов мира в то время вообще не нанимали специалистов по теории струн, потому что не были уверены, что эта идея не исчезнет через несколько лет и не окажется просто очередным кратковременным увлечением. Настоящий перелом произошел в 1990-х, когда случилось то, что называют второй суперструнной революцией. Первая революция произошла в 1984 году благодаря работе Грина и Шварца и открытию сокращения аномалий. В 1990-х Джо Полчински показал, что теория струн на самом деле описывает не только струны.

В ней существуют также объекты, называемые D-бранами, или бранами Дирихле. Это не обязательно одномерные струны. Среди них есть одномерные объекты, но существуют также двумерные, трехмерные, четырехмерные браны и так далее. Слово “брана”, по-английски brane, образовано от слова membrane, “мембрана”. Полчински показал фундаментальную роль этих D-бран в устройстве теории струн, и это вызвало огромный интерес. Вскоре Виттен указал, что пять различных теорий струн, которые в 1980-х считались отдельными теориями, на самом деле представляют собой пять различных предельных случаев одной общей теории. Более того, существует и шестой предельный случай - одиннадцатимерная супергравитация. Это уже даже не теория струн, но и она оказывается предельным случаем более фундаментальной общей теории, получившей название M-теории.

Затем Малдасена показал, что идея голографии, которую ранее обсуждали применительно к черным дырам 'т Хоофт, Сасскинд и другие, обладает удивительным свойством: ее можно конкретно реализовать в так называемом соответствии AdS/CFT. В этом случае рассматривается пятимерное пространство анти-де Ситтера - особое пространство-время, имеющее границу на бесконечности. Эту границу можно рассматривать как плоское пространство-время на одно измерение меньшей размерности. На этой границе можно определить обычную квантовую теорию поля без гравитации, которая оказывается голографически эквивалентной квантовой теории гравитации во внутреннем объеме пространства анти-де Ситтера. Все это было невероятно захватывающе: M-теория, соответствие AdS/CFT, D-браны. Именно это и стало второй суперструнной революцией. И вот тогда люди действительно поверили в теорию струн. Многие физические факультеты, где до этого вообще не было специалистов по теории струн, внезапно начали активно их нанимать. Это хорошая новость.

А плохая заключалась в том, что D-браны заметно усложнили всю картину. Еще в 1980-х было известно, что теория струн естественным образом формулируется в десяти измерениях. Поэтому говорили: “Хорошо, давайте компактифицируем лишние измерения”. Уже тогда было понятно, что сделать это можно множеством разных способов. Именно этим занимается теория так называемых многообразий Калаби-Яу. Такие исследователи, как Брайан Грин, который был гостем нашего подкаста, и Энди Строминджер, который тоже у нас был, были среди специалистов, изучавших, на каких именно многообразиях Калаби-Яу можно проводить такую компактификацию. Но после появления D-бран выяснилось, что способов компактифицировать дополнительные измерения существует просто невообразимо больше. И стало совершенно ясно, что нельзя просто взять M-теорию в десяти или одиннадцати измерениях и однозначно вывести из нее, почему в четырех измерениях мы наблюдаем именно Стандартную модель физики элементарных частиц. Вместо этого возникает так называемый ландшафт - огромное множество различных возможных вариантов.

Обычно в связи с этим называют число 10⁵⁰⁰, но, строго говоря, это число просто взято с потолка. Некоторые считают, что это число меньше, другие полагают, что возможных вариантов вообще бесконечно много. Но в любом случае совершенно не видно никакого очевидного способа однозначно перейти от теории струн к тому миру, который мы наблюдаем. И словно природа решила немного над нами подшутить, примерно в то же самое время произошло еще одно важное событие. Мы говорим о периоде после середины 1980-х. Работа Малдасены появилась, если я правильно помню, в 1997 или 1998 году. А затем, в 1998 году, мы обнаружили ускоренное расширение Вселенной. Помните, эти неугомонные астрономы сообщили нам, что во Вселенной, похоже, есть космологическая постоянная. И это, совершенно справедливо, потрясло мир теоретической физики. До этого проблема космологической постоянной представлялась нам примерно так: ее значение намного, намного, намного, намного меньше, чем должно быть.

Естественно было бы ожидать величину порядка планковского масштаба, а вместо этого мы получаем значение примерно в 10⁻¹²⁰ от него или даже меньше. По крайней мере, лично я представлял тогда ситуацию именно так, и, как мне кажется, примерно так же рассуждали многие физики-теоретики. Я не знаю, почему космологическая постоянная настолько меньше того значения, которого я ожидал бы. Но если представить все возможные теории, которых мы пока не знаем, но которые в принципе могли бы придумать, мне гораздо проще вообразить некий механизм, который берет это огромное значение и полностью подавляет его до нуля, чем механизм, который уменьшает его не до нуля, а до величины порядка 10⁻¹²⁰ от естественно ожидаемого значения. Особенно странным это казалось потому, что тогда возникало бы совершенно непонятное совпадение между величиной энергии вакуума и другими плотностями энергии во Вселенной.

Как мы уже говорили, теперь, когда все это обнаружено, картина выглядит так: около 70% приходится на энергию вакуума, 25% - на темную материю и 5% - на обычную материю. Итого 30% материи и 70% энергии вакуума. Но по мере расширения Вселенной соотношение между этими двумя величинами очень сильно меняется. Плотность темной энергии при расширении Вселенной остается постоянной, а плотность материи уменьшается обратно пропорционально кубу размера Вселенной, потому что объем увеличивается, а число частиц остается прежним. Это и называют проблемой совпадения.

Почему именно сейчас отношение плотности энергии вакуума к плотности энергии материи имеет порядок единицы, хотя в принципе могло бы принимать практически любое другое значение? До 1998 года большинство физиков считали, что в конечном итоге мы покажем, что космологическая постоянная равна нулю, и найдем какое-нибудь теоретическое объяснение того, почему это так. Но, судя по всему, она все-таки не равна нулю, если ускоренное расширение Вселенной действительно вызвано энергией вакуума. И тут на сцену возвращается старая идея, которую физики обсуждали уже довольно давно, - антропный принцип и мультивселенная. Суть ее заключается в следующем. Если во Вселенной существуют разные области, в которых локальные законы физики различаются, то возникает эффект отбора: мы, сложные разумные существа, неизбежно обнаружим себя лишь в той части всего множества возможных областей, где условия допускают существование сложных организованных форм жизни.

Это эффект отбора, своего рода отбор по условиям среды. По той же причине нас не удивляет, что мы, люди, живем на Земле, а не на Луне или на Солнце, хотя Солнце гораздо больше. Просто условия там для нас совершенно непригодны. В Солнечной системе есть области с условиями, подходящими для жизни, и области, где жизнь существовать не может. Разумеется, мы обнаруживаем себя именно там, где условия для нас благоприятны. Так что, возможно, эта идея, возникшая еще в 1980-х или даже в 1970-х годах, действительно применима к нашей Вселенной.

Возможно, Вселенная представляет собой множество областей с разными локальными условиями, одни из которых подходят для возникновения жизни, а другие нет. Тогда некоторые свойства окружающего нас мира можно было бы объяснить отбором по условиям среды. Мы просто можем оказаться только в тех областях, где наше существование вообще возможно. Еще в 1980-х Стивен Вайнберг отмечал, что космологическая постоянная особенно хорошо подходит для подобных рассуждений. Вайнберг говорил: “Мы не знаем, почему космологическая постоянная настолько мала. Но если бы она была значительно больше, нас бы здесь не было и мы не могли бы об этом рассуждать. Такая Вселенная не позволила бы сформироваться галактикам, возникнуть жизни и просуществовать достаточно долго для всего этого”.

И Вайнберг указал, что если именно в этом заключается правильное объяснение, если действительно существует некая космологическая мультивселенная, в разных областях которой космологическая постоянная принимает разные значения, то вполне естественно ожидать, что наблюдаемая нами энергия вакуума окажется как раз достаточно большой, чтобы ее было трудно обнаружить, но все же возможно. И в 1998 году оказалось, что именно такое значение мы и наблюдаем. После этого возник вопрос: готовы ли мы всерьез относиться к антропному объяснению? А если да, то нам необходим механизм, благодаря которому космологическая постоянная могла бы принимать разные значения в разных областях Вселенной. И что вы думаете? Идея ландшафта теории струн идеально соответствовала этой задаче, потому что, объединив инфляционную космологию с ландшафтом теории струн, можно довольно легко получить мультивселенную, в которой космологическая постоянная принимает совершенно разные значения в разных областях.

Поэтому специалисты по теории струн, пусть и довольно неохотно, начали говорить: “Возможно, нам не удастся найти окончательное решение проблемы космологической постоянной. Может быть, мы просто живем в одном из 10⁵⁰⁰ вариантов компактификации дополнительных измерений, который дает наблюдаемое нами значение”. Не думаю, что кто-то был от этого в восторге. Ну, может быть, Андрей Линде, но вряд ли многие другие. Многим такой подход не нравился. И многим он не нравится до сих пор.

Хочу уточнить один момент, не углубляясь слишком сильно в детали. Мы не знаем, верна теория струн или нет. Но независимо от этого она породила множество чрезвычайно интересных идей, которые, на мой взгляд, с очень высокой вероятностью окажутся верными. Даже если сама теория струн в конечном итоге окажется неверной, некоторые идеи, разработанные благодаря ей, как мне кажется, почти наверняка войдут в будущую теорию квантовой гравитации. Среди них - голография, принцип дополнительности черных дыр, представления о том, каким образом информация может сохраняться и выходить из черных дыр по мере их испарения, а также связь между квантовой информацией и возникающим пространством-временем. Многие из этих идей были разработаны в рамках того широкого направления, которое мы называем теорией струн. И я не думаю, что они просто исчезнут. Но остается один серьезный вопрос: не заняла ли теория струн слишком много места?

Не получилось ли так, что из-за ее господства другие подходы к квантовой гравитации не получили того внимания, которого заслуживали? И снова я просто выскажу свое личное мнение: нет, на самом деле теория струн не вытеснила другие подходы. Потому что никогда не было такого момента, когда сообщество физиков сказало бы: “Да, теперь самое время заняться квантовой гравитацией”. Именно поэтому я так подробно рассказывал всю эту историю. Гравитация - чрезвычайно слабое взаимодействие. Мы не можем производить гравитоны в ускорителе частиц, а затем регистрировать их. При этом я практически на 99,999% уверен, что гравитоны существуют, исходя из базовых свойств квантовой теории поля и общей теории относительности.

Но взаимодействуют они чрезвычайно слабо - гораздо, гораздо, гораздо слабее, чем даже частицы, участвующие в слабом взаимодействии в физике элементарных частиц. Причина в том, что планковский масштаб соответствует чрезвычайно высокой энергии, а значит, при доступных нам энергиях гравитационное взаимодействие оказывается соответственно очень слабым. Поэтому проводить эксперименты с классической гравитацией сравнительно легко. Но мы не знаем, как проводить эксперименты в таком режиме, где одновременно существенны и квантовая механика, и гравитация. И именно поэтому добиться прогресса в квантовой гравитации настолько трудно. Все согласны с тем, что квантование гравитации - важнейшая задача.

Но когда физики выбирают, над чем работать, они спрашивают не только: “Что важно?” Они спрашивают: “Что важно и в чем мы реально можем добиться прогресса?” Именно по этой причине фундаментальные вопросы квантовой механики долгое время оставались без должного внимания - люди просто не понимали, как добиться в них прогресса. А теория струн выглядела как редкий случай, когда нам просто невероятно повезло. К нам словно сама собой попала в руки конечная теория квантовой гравитации. Возможно, это и не правильная теория. Есть и другие подходы. Одним из самых первых гостей моего подкаста был Карло Ровелли, а позже я беседовал с Ли Смолиным. Оба они являются сторонниками петлевой квантовой гравитации как подхода к квантованию гравитации. Но лично меня петлевая квантовая гравитация не особенно вдохновляет. На мой взгляд, в ней нет того потенциала и той плодотворности, которыми обладает теория струн. Это скорее подход из серии “ешьте овощи, потому что полезно”: вот у нас есть теория гравитации, давайте попробуем ее квантовать и надеяться на лучшее. Конечно, другие со мной не согласятся, и вы тоже вполне можете не соглашаться.

Но я не видел, чтобы идеи, возникшие в ходе исследований теории струн, появлялись из петлевой квантовой гравитации, причинно-динамических триангуляций, евклидовой квантовой гравитации или других подходов к квантовой гравитации, над которыми работают исследователи. На мой взгляд, теория струн оказалась чрезвычайно плодотворным источником новых идей. Возможно, в конечном счете эти идеи вовсе не обязательно будут неразрывно связаны с самой теорией струн, но они все равно могут оказаться чрезвычайно полезными. Поэтому я считаю, что в целом теория струн принесла физике много пользы независимо от того, окажется ли она в итоге правильной теорией природы. И здесь я хочу сделать еще одно небольшое отступление, связанное с идеей объединения взаимодействий. В 1980-х модным выражением была “теория всего”. Предполагалось, что мы объединим гравитацию со всеми остальными фундаментальными взаимодействиями. Но откуда вообще появилась эта идея?

Еще в 1960-х Вайнберг, Салам и их коллеги в определенном смысле поняли, как объединить электромагнетизм и слабое взаимодействие. Это объединение можно назвать несколько неуклюжим, потому что в теории по-прежнему присутствуют разные калибровочные симметрии. Но с точки зрения соответствия реальности оно оказалось чрезвычайно успешным. Теория сделала целый ряд предсказаний, эти предсказания подтвердились, последовали Нобелевские премии, и в целом успех был поразительным. Но при этом за рамками объединения оставалось сильное взаимодействие. Электрослабая теория объединяет электромагнитное и слабое взаимодействия. К ней можно просто добавить сильное взаимодействие, то есть SU(3) квантовой хромодинамики, но по-настоящему единым с остальными оно от этого не становится.

Поэтому в 1970-х совершенно естественным следующим шагом была попытка объединить электрослабое и сильное взаимодействия. Физики сразу же взялись за эту задачу. Первым знаменитым примером стала модель Джорджи-Глэшоу. Говард Джорджи и Шелдон Глэшоу предложили модель великого объединения на основе группы SU(5). Она вызвала огромный интерес, потому что казалось, будто именно в этом направлении и развивается физика - ко все большему объединению фундаментальных взаимодействий. К тому же эта модель давала конкретные экспериментальные предсказания. Одно из них оказалось довольно неудачным. Теория предсказывала существование магнитных монополей, причем их плотность во Вселенной должна была быть намного выше наблюдаемой. Это предсказание не подтвердилось, и именно проблема магнитных монополей стала одной из важнейших причин, побудивших Алана Гута в 1980 году предложить сценарий инфляционной Вселенной. Он показал, что в результате космологической инфляции плотность магнитных монополей, предсказываемых теориями великого объединения, может стать пренебрежимо малой. Но было и другое экспериментальное предсказание: протон не является абсолютно стабильным. В теории великого объединения кварки объединяются с лептонами, то есть сильно взаимодействующие частицы оказываются частью единой структуры с частицами, не участвующими в сильном взаимодействии.

В результате теория дает количественное предсказание о том, что протон в конечном итоге должен распадаться. Иногда об этом говорят так, словно это какой-то экзистенциальный повод для тревоги: “О нет, даже сама материя нестабильна!” Меня это никогда особенно не беспокоило. Мы говорим о времени жизни порядка 10³⁵ лет или около того. Так что прямо сейчас это явно не тот риск, который нужно учитывать при составлении инвестиционного портфеля. Конечно, один распад за 10³⁵ лет происходит не слишком часто. Но физики умеют собирать в одном месте огромное количество частиц. Поэтому можно взять очень много протонов, долго наблюдать за ними и надеяться увидеть хотя бы один распад. Именно это физики и сделали.

Они ждали и искали распад протона. Но ни одного распада так и не увидели. Для идеи великого объединения это стало серьезным ударом. Великим объединением называют идею объединения сильного взаимодействия с электрослабой теорией. Гравитация сюда не входит. Теории великого объединения, или GUT, как их называют по английской аббревиатуре, вообще не были связаны с гравитацией. В 1970-х это было чрезвычайно популярное направление исследований. Эти теории предсказывали распад протона, но экспериментально его обнаружить не удалось. Как и во многих других подобных случаях, физики проявили изобретательность. Они не стали сразу отказываться от всей идеи, а сказали: "Хорошо, великое объединение все еще может быть верным.

Просто давайте изменим некоторые параметры и детали модели так, чтобы увеличить время жизни протона настолько, что мы пока не способны наблюдать его распад". И это совершенно разумный подход. Именно так и поступили. Но интерес к великому объединению все же снизился, потому что оно сделало конкретное предсказание, которое не подтвердилось. И это совершенно нормально. Именно так наука и должна работать. Никакого кризиса здесь нет. Вы продолжаете работать над этой идеей, потому что она все еще может оказаться верной, но энтузиазма уже меньше, чем раньше. Затем, в 1980-х, появилась теория струн - первая достаточно четко сформулированная теория, которая в принципе могла объединить гравитацию со всеми остальными фундаментальными взаимодействиями. Это было чрезвычайно захватывающе. Люди активно занялись этим направлением, и именно отсюда возникла идея “теории всего”. И даже сегодня, в 2023 году, можно увидеть множество физиков-любителей, которые очень много размышляют о том, как все объединить, предлагая те или иные варианты единой теории.

Но они упускают одну важную вещь: сейчас уже не 1980-е. Конечно, было бы замечательно объединить гравитацию с остальными силами природы. Это вполне достойная задача. Но одного этого уже недостаточно. Сегодня мы знаем гораздо больше о трудностях квантовой гравитации и понимаем, что настоящая проблема и самое интересное здесь заключаются вовсе не в том, чтобы просто объединить гравитацию с другими взаимодействиями. Можно играть с математическими конструкциями и пытаться это сделать.

Настоящая трудность состоит в том, что гравитация, судя по всему, представляет собой теорию принципиально иного рода. Она не является обычной квантовой теорией поля. Есть немало оснований полагать, что на фундаментальном уровне гравитация в определенном смысле нелокальна. В режиме слабого гравитационного поля она выглядит локальной, в частности в пределе теории поля. Под локальностью здесь имеется в виду следующее: если вы воздействуете на Вселенную в одной точке, вызванные этим возмущения распространяются от нее со скоростью света или медленнее. Но в квантовой гравитации можно представить кротовые норы, виртуальные кротовые норы и всевозможные необычные геометрии пространства-времени. А в случае черных дыр возникает идея, что вся информация каким-то образом закодирована на горизонте событий. И когда черная дыра испаряется, информация каким-то образом должна переходить изнутри наружу. Все это примеры нелокальных явлений.

Соответствие AdS/CFT, например, представляет собой явно нелокальную связь между двумя совершенно разными типами теорий. Поэтому главная трудность, главный интерес и самое увлекательное в квантовой гравитации сегодня заключается не в том, чтобы объединить ее с остальными силами природы. Конечно, можно и нужно пытаться это сделать. В 1980-х это была бы одна из самых актуальных тем, да и сегодня она остается интересной.

Но теперь перед нами стоят гораздо более тонкие и сложные вопросы, связанные с самой природой квантовой гравитации, и именно их мы хотим понять. И люди действительно пытаются это сделать, хотя таких исследователей не так уж много. Я брал интервью у множества специалистов, работающих с теорией струн. В Mindscape было немало людей, которых можно отнести к этому направлению. Не хочу никого забыть, но я уже упоминал Энди Строминджера. Еще были Клиффорд Джонсон, Рафаэль Буссо, Нета Энгельхардт. Майкл Дайн, например, много работал над феноменологическими аспектами теории струн. При этом многие из них вовсе не хотят называть себя “струнными теоретиками”.

И не потому, что они стесняются теории струн. Просто иногда они занимаются теорией струн, а иногда нет. Какая разница? Они занимаются теоретической физикой. Они пытаются понять, как устроен мир. И вполне возможно, что окончательное объяснение устройства мира будет во многом вдохновлено теорией струн, но при этом само не окажется теорией струн. И это совершенно нормально. На мой взгляд, все это направление исследований по-прежнему невероятно интересно. Как можно послушать мои выпуски с Нетой, Рафаэлем или Энди и не загореться тем, что сейчас происходит в этой области? Так что и здесь я никакого кризиса не вижу. Квантовая гравитация - чрезвычайно необычная область, и исследовать ее экспериментально невероятно трудно. Но, если честно, мы добились в ней даже большего прогресса, чем вообще имели право ожидать.

Возможно, так будет и дальше. Возможно, нам продолжит везти. Но тот факт, что мы еще не закончили эту работу, что у нас пока нет полной теории и что мы не выяснили точный путь от M-теории к Стандартной модели физики элементарных частиц, лично мне кажется самой неудивительной вещью на свете. Это, кстати, одна из причин, почему я сам не занимаюсь теорией струн. Я считаю ее лучшим и наиболее перспективным из имеющихся у нас подходов к квантованию гравитации по сравнению со всеми альтернативами. Но это очень трудная задача. Добиваться прогресса в этой области чрезвычайно сложно. И мне кажется, что существуют и другие направления, над которыми стоит размышлять.

Не кризис, а трудный выбор направлений

Вот, собственно, моя позиция. Я ведь с самого начала предупреждал, что разговор получится долгим. Но вас никто не заставляет слушать все до конца, и экзамена в конце не будет. Можете слушать, если вам интересно. Я хотел поговорить о трех областях, трех аспектах современной физики, которые иногда представляют как признаки кризиса. Во-первых, мы до сих пор не определили, какие именно модели темной материи и темной энергии являются правильными. Во-вторых, у нас остаются проблемы естественности. Мы снова и снова придумываем теории, которые должны были бы их объяснить, но пока ни одна из них, похоже, не сработала. И наконец, есть вся сложность квантовой гравитации и наши попытки найти правильную теорию, которая сможет ее описать. Итак, учитывая все сказанное, в чем же тогда заключается кризис? Что это за якобы катастрофическая ситуация, в которой оказалась физика? Не хочу быть несправедливым, но мне кажется, что если внимательно разобрать конкретные аргументы людей, утверждающих, что физика переживает кризис, то очень часто в конечном счете все сводится примерно к следующему: другие люди не занимаются моими любимыми идеями.

И это вполне понятно. Все мы в той или иной степени так думаем. Жизнь ограничена. Если вы исследователь, то у вас есть лишь ограниченное количество идей, которыми вы успеете заняться, ограниченное количество статей, которые сможете написать, и так далее. Естественно, вы будете работать над теми идеями, которые лично вам кажутся наиболее интересными и перспективными. А если эти идеи оказываются непопулярными и ими занимается лишь небольшая часть научного сообщества, легко начать думать, что все остальные просто ошибаются. Почему они не работают так, как работаю я? Почему они не занимаются моей любимой новой теорией? Я прекрасно понимаю такое чувство. И если из всего этого длинного выпуска подкаста стоит вынести один главный урок, то он заключается вот в чем. Когда мы оказываемся в ситуации, где не знаем правильного ответа, когда считаем, что должна существовать теория лучше тех физических теорий, которые у нас есть сейчас, но не знаем, какая именно, совершенно естественно посвящать свое время тому направлению, которое лично вам кажется наиболее перспективным. Но если честно оценивать состояние всей области науки, то нужно надеяться, что научное сообщество в целом будет заниматься множеством разных направлений. Потому что мы просто не знаем, где находится правильный ответ. Поэтому, если кто-то утверждает, что физика находится в кризисе, а вы внимательно разбираете его аргументы и в конечном счете выясняется, что претензия сводится к тому, что другие исследователи занимаются не теми идеями, которые нравятся лично ему, я бы не относился к этому слишком серьезно. Люди и должны работать над разными идеями.

И вся эта ситуация чрезвычайно сложна, потому что, как мы уже обсуждали, у нас есть очень хорошая эффективная теория поля. У нас есть теория, которая чрезвычайно точно соответствует экспериментальным данным. Есть отдельные вопросы, с которыми мы пока не разобрались окончательно, например природа темной материи. И здесь существует несколько разных теорий, каждая из которых вполне правдоподобно может оказаться правильной. Что делать в такой ситуации? Как должен выглядеть здоровый подход к научным исследованиям? На меня в свое время произвела сильное впечатление одна дискуссия между Ричардом Фейнманом и Фредом Хойлом, которую можно найти в интернете. Я имею в виду не то, что она показалась мне невероятно впечатляющей, а то, что она просто хорошо мне запомнилась. О Фейнмане вы наверняка слышали. А Фред Хойл, для тех, кто с ним не знаком, был очень успешным астрофизиком и одним из главных сторонников стационарной модели Вселенной, противопоставлявшейся модели Большого взрыва.

Он был блестящим ученым, но так до конца и не смог отказаться от своей стационарной модели. В науке такое встречается постоянно. Отказаться от любимой теории очень трудно, даже когда появляются данные, прямо указывающие, что это не тот путь. Именно поэтому научный прогресс происходит благодаря тому, что люди стареют и уходят из профессии, едва ли не в той же степени, что и благодаря тому, что они меняют свое мнение. Но вернемся к той дискуссии. Фейнман был чрезвычайно успешным физиком. Хойл тоже добился огромных успехов, хотя у него были и довольно эксцентричные идеи.

Можно было бы предположить, что их разговор будет выглядеть примерно так: Хойл станет упрекать Фейнмана в чрезмерной приверженности научному истеблишменту или чем-нибудь в этом роде. Но произошло совершенно обратное. Фейнман выражал огромное восхищение Фредом Хойлом. Причем восхищался он не какой-то конкретной теорией Хойла, а стилем работы, который был характерен для них обоих как успешных физиков-теоретиков. Фейнман отмечал, что Хойл совершенно бесстрашно выдвигал смелые, спекулятивные идеи и новые сценарии. Сам же Фейнман, по собственному признанию, предпочитал держаться гораздо ближе к тому, что уже было известно и доказало свою работоспособность. Это его собственное описание себя, я не приписываю ему этих слов. Он считал, что в основном берет уже работающие идеи, переформулирует их и делает более эффективными и понятными. И если вспомнить диаграммы Фейнмана, интеграл по траекториям и другие его работы, то во многом именно этим он и занимался. Он не стремился опровергнуть уже существующие и хорошо работающие теории. Та же перенормировка - это способ лучше понять теории, которые у нас уже есть. У него было несколько спекулятивных теорий, но такой стиль работы определенно не был для него обычным. И это очень интересное различие, потому что оно сохраняется и по сей день. Например, современник Фейнмана Мюррей Гелл-Ман гораздо больше тяготел к подходу: “Я предложу новую модель”. Но оба подхода к физике совершенно полноценны. Можно брать то, что нам уже известно, и работать внутри существующих парадигм. Я сам писал такие статьи. Например, занимался расчетами, связанными с реликтовым излучением, крупномасштабной структурой Вселенной или байесовской формулировкой второго начала термодинамики.

Но я занимался и другим - предлагал новые модели, выдвигал спекулятивные идеи. Я предлагал модели, связанные с нарушением лоренц-инвариантности, квинтэссенцией, модифицированной гравитацией, стрелой времени и так далее. И науке нужны оба подхода. Отдельный исследователь вполне может предпочитать один из них и вообще не заниматься другим, но для всей области необходимы оба. Нужно продолжать работать. В разные периоды истории один подход может оказаться более продуктивным, а в другие периоды - другой. И заранее вы можете просто не знать, какой именно сработает лучше. Сейчас мы находимся в ситуации, когда физики уже очень долго работают в рамках известной нам Стандартной модели и базовой теории. Поэтому вполне естественно, что дальнейший прогресс внутри этих рамок постепенно становится все медленнее. Представьте, что вы настраиваете автомобиль и пытаетесь добиться от него все лучших характеристик. Можно потратить огромное количество времени на регулировку, доработку и исправление отдельных деталей, но рано или поздно вы приблизитесь к пределу его возможностей. И мы постепенно приближаемся к такому пределу. Мы еще не достигли его. Работы остается очень много, особенно в том, что касается сильных взаимодействий, квантовой хромодинамики и связанных с ними вопросов. Даже в старой доброй Стандартной модели остается множество вещей, которые нам еще предстоит понять.

Но значительная часть современной фундаментальной физики неизбежно становится более спекулятивной, потому что у нас уже есть теория, которая работает, а теперь мы пытаемся выйти за ее пределы. Люди предлагают новые идеи, а затем пытаются их проверить. Большинство этих идей окажутся неверными. Ничего не поделаешь - правильными могут быть лишь немногие. Но из этого вовсе не следует, что не нужно выдвигать новые идеи. Наоборот, это необходимо делать. Нужно предлагать множество разных идей, заранее понимая, что большинство из них в конечном итоге не сработает. Есть и другой повод для беспокойства. Дело может быть не в том, что физики предлагают слишком много спекулятивных идей, а в том, что кому-то не нравятся сами идеи, которые предлагаются, особенно наиболее популярные из них. И это совершенно нормальная и интеллектуально обоснованная позиция. На мой взгляд, не слишком разумно возражать против самого факта, что физики элементарных частиц и специалисты по фундаментальной физике выдвигают множество спекулятивных идей, которые трудно проверить. Просто в нашей нынешней ситуации иначе двигаться вперед невозможно. Но считать, что конкретные предлагаемые идеи ведут нас не туда, вполне допустимо. Поэтому давайте быстро пройдемся по нескольким главным мишеням такой критики.

Начнем с суперсимметрии. Как я уже говорил, суперсимметрия появилась, возможно, еще в конце 1960-х, но уж точно стала популярной в 1970-х. У нее есть одно очень привлекательное свойство. Суперсимметрия - это симметрия между бозонами и фермионами, и она накладывает на теорию чрезвычайно жесткие ограничения. Создать теорию физики элементарных частиц, которая действительно обладает суперсимметрией, гораздо сложнее, чем построить несуперсимметричную теорию. И это вполне естественное свойство любой симметрии: наличие симметрии ограничивает множество допустимых вариантов устройства теории. Есть у суперсимметрии и другое преимущество. Она упрощает жизнь не столько на уровне вычислений, хотя иногда и там тоже, сколько на более глубоком математическом уровне, особенно когда речь идет о всевозможных бесконечностях, возникающих в физике элементарных частиц. Кен Уилсон показал, что в эффективной теории поля нам не нужно особенно беспокоиться об этих бесконечностях. Но если ваша цель - построить не просто эффективную теорию поля, а теорию, описывающую вообще все, тогда вам уже приходится задумываться о поведении теории в ультрафиолетовой области, то есть при очень высоких энергиях.

Поэтому физики часто спрашивают, существует ли для той или иной инфракрасной теории, то есть теории, описывающей наблюдаемую Вселенную при низких энергиях, так называемое ультрафиолетовое завершение. У вас может быть эффективная теория поля, которая прекрасно работает при низких энергиях, но при этом может оказаться, что не существует никакой полной фундаментальной теории, низкоэнергетическим пределом которой она являлась бы. И это очень интересная возможность, которую стоит учитывать. И суперсимметрия совершенно бесспорно помогает построить теорию, которая хорошо ведет себя в ультрафиолетовой области. Это не означает, что суперсимметрия обязательно существует в природе, но с этой точки зрения она очень полезна. Причем чем больше суперсимметрии вы пытаетесь включить в теорию, тем более жесткими становятся ограничения. Существует даже максимальное количество суперсимметрии, которое вообще можно встроить в теорию. Джо Полчински однажды в полушутку заметил, что если бы сторонники петлевой квантовой гравитации были до конца последовательны, то могли бы прийти примерно к следующей цепочке рассуждений. Они бы сказали: “Хорошо, у нас есть теория гравитации, но при высоких энергиях она ведет себя не очень хорошо. Давайте построим ее суперсимметричную версию”. Прекрасно. Это по-прежнему была бы петлевая квантовая гравитация, только суперсимметричная.

Затем они изучили бы возможные варианты суперсимметрии и обнаружили: “А знаете, максимальное количество суперсимметрии можно получить в одиннадцатимерном пространстве-времени”. После этого они взяли бы эту одиннадцатимерную теорию, компактифицировали одно измерение на окружность и получили десятимерную теорию. А затем обнаружили бы, что в этой десятимерной теории появляются струны. И в итоге заново изобрели бы теорию струн. Конечно, это не особенно правдоподобная альтернативная история развития физики. В частности потому, что у петлевой квантовой гравитации есть одна важная особенность: естественнее всего она работает в пространстве-времени размерности 3+1. Я бы не хотел говорить, что она работает только там, потому что в физике всегда может найтись какой-нибудь умный человек, который придумает способ обойти подобное ограничение. Но естественная среда для петлевой квантовой гравитации - это именно пространство-время с тремя пространственными и одним временным измерением.

Я слышал подобное от сторонников теории струн. И поскольку я уже довольно долго оправдываю и защищаю существующее положение дел, позвольте теперь немного над ним подшутить. Действительно существует ощущение, что, погружаясь в мир теории струн, можно слегка потерять связь с реальным миром - с миром трех пространственных и одного временного измерения, с известными нам кварками и лептонами. Струнные теоретики так много изучают десятимерные и одиннадцатимерные теории, D-браны и компактификации, что иногда начинают воспринимать все это как нечто само собой разумеющееся. Может быть, в минуты слабости они проговариваются и дают понять, что считают именно такую картину очевидно правильной. Я даже слышал, как сторонники теории струн критиковали петлевую квантовую гравитацию за то, что она работает только в пространстве-времени размерности 3+1.

И им приходилось напоминать: “Вообще-то именно в таком пространстве-времени мы и живем. Это реальная Вселенная, которую мы наблюдаем”. У нас нет никаких очевидных эмпирических оснований утверждать, что фундаментальная теория обязательно должна быть десятимерной. Такая возможность существует. Но мы этого не знаем. Впрочем, я просто немного подшучиваю над струнными теоретиками. Среди них тоже много моих друзей. Возвращаясь к суперсимметрии: я вовсе не думаю, что она неизбежно приводит к теории струн. Но попробовать этот путь совершенно естественно. В истории физики есть давняя традиция: добавляешь в теорию больше симметрий - и зачастую она начинает вести себя лучше. Кроме того, суперсимметрия интересна с феноменологической точки зрения. В суперсимметричной теории количество частиц буквально удваивается по сравнению с несуперсимметричной версией.

В Стандартной модели у нас есть множество частиц: одни являются бозонами, другие - фермионами, и они не образуют между собой соответствующих пар. Но суперсимметрия утверждает, что у каждой такой частицы должен существовать партнер с другим типом спина. Поэтому в суперсимметричной версии Стандартной модели число частиц должно как минимум удвоиться. При этом существует несколько различных суперсимметричных вариантов Стандартной модели. А поскольку суперсимметрия накладывает жесткие ограничения, ее феноменологические предсказания оказываются еще более конкретными. Например, в суперсимметричной версии Стандартной модели нельзя просто взять бозон Хиггса и добавить к нему суперсимметричного партнера. Сначала приходится ввести несколько хиггсовских полей, то есть добавить дополнительные бозоны Хиггса к обычной несуперсимметричной теории, и только после этого делать ее суперсимметричной. Это интересная особенность модели, потому что ее можно проверять на ускорителях. Можно искать такие дополнительные частицы и смотреть, существуют ли они в природе. Мы искали. Пока ничего не нашли. Возможно, суперсимметрия действительно существует, но пока обнаружить ее не удалось. И здесь важно честно оценивать ситуацию. Суперсимметрия чрезвычайно полезна.

С феноменологической точки зрения она очень интересна благодаря своим конкретным предсказаниям. Но при этом ее вполне могли бы уже обнаружить, а мы этого не сделали. В то же время вовсе не обязательно, что к настоящему моменту мы уже должны были ее найти. Оба этих утверждения одновременно верны. Не хочу излишне придираться к формулировкам, но иногда люди ведут себя так, словно верно только одно из них. Суперсимметрию уже могли обнаружить, но не обнаружили. И при этом она все еще может оказаться правильной. Дело в том, что мы точно знаем: в наблюдаемом мире суперсимметрия не проявляется непосредственно. Если посмотреть на Стандартную модель, сама по себе она не является суперсимметричной. Мы не видим в ней этой симметрии. Поэтому суперсимметрия должна каким-то образом быть нарушена, подобно тому как Браут, Энглерт, Хиггс и их коллеги описали спонтанное нарушение симметрии, которую мы теперь называем электрослабой. Значит, должна существовать определенная энергетическая шкала, на которой нарушается суперсимметрия. И в типичном случае, если не придумывать каких-то специальных механизмов, можно ожидать, что массы суперпартнеров, которых мы непосредственно не наблюдаем, будут примерно соответствовать этой шкале нарушения суперсимметрии. Как я уже долго объяснял раньше, в 1970-х, 1980-х и 1990-х было множество причин полагать, что на электрослабой шкале происходит нечто необычное.

Речь идет о той энергетической шкале, на которой поле Хиггса приобретает ненулевое вакуумное среднее значение, благодаря чему W- и Z-бозоны, а также все фермионы получают массу. Эта шкала составляет порядка нескольких сотен ГэВ. Поэтому у сторонников суперсимметрии были все основания полагать, что масштаб ее нарушения должен находиться примерно в районе электрослабой шкалы, возможно, несколько выше. И тогда последствия этого механизма передаются на более низкие энергии и в итоге приводят к тому, что бозон Хиггса имеет именно ту массу, которую мы наблюдаем, то есть речь идет об электрослабой шкале. Поэтому суперсимметрия была чрезвычайно популярной феноменологической гипотезой. Именно гипотезой, а не предсказанием. И, опять же, к настоящему моменту мы вполне могли бы уже очень легко ее обнаружить. Но не обнаружили. Что это означает? Возможностей здесь много, но сразу напрашиваются две. Первая состоит в том, что масштаб нарушения суперсимметрии просто несколько выше, чем мы предполагали. Разумеется, здесь мы исходим из того, что сама суперсимметрия все-таки существует. Может ли суперсимметрия быть верной, несмотря на то что мы ее пока не обнаружили?

Да. Возможно, по какой-то причине масштаб нарушения суперсимметрии находится немного выше. Может быть, существует своего рода небольшая дополнительная иерархия между масштабом нарушения суперсимметрии и электрослабой шкалой. И тогда Большому адронному коллайдеру, который, напомню, не способен достигать таких высоких энергий, какие были бы доступны отмененному Сверхпроводящему суперколлайдеру, просто пока не хватает мощности, чтобы добраться до нужного энергетического диапазона. Это вполне правдоподобно. Конечно, в какой-то момент начинает возникать ощущение, что мы уже немного цепляемся за соломинку, но такая возможность определенно остается на столе. Вторая возможность заключается в том, что масштаб нарушения суперсимметрии находится гораздо выше, возможно, вплоть до планковской шкалы. Тогда все наши надежды обнаружить на электрослабой шкале новые частицы, кандидатов на роль темной материи и так далее просто были ошибочными. Если это так, суперсимметрия уже не сможет служить объяснением проблемы иерархии.

Но сама по себе она все равно может быть верной. Если реализуется так называемое высокоэнергетическое нарушение суперсимметрии, мы теряем суперсимметрию как объяснение проблемы иерархии на электрослабой шкале, но это вовсе не означает, что суперсимметрии не существует. А задача физика - исследовать все варианты, которые могут оказаться верными. Поэтому я бы сказал так: учитывая, что Большой адронный коллайдер до сих пор не обнаружил суперсимметрию, совершенно правильно снизить степень нашей уверенности в том, что суперсимметрия действительно существует, по сравнению, скажем, с тем уровнем уверенности, который был у нас в 2005 году. Какой бы ни была ваша степень уверенности раньше, сам факт того, что суперсимметрию до сих пор не обнаружили, по закону Байеса должен эту уверенность снизить. Ведь теория давала определенную вероятность того, что мы уже могли бы ее увидеть. Мы не увидели. Значит, степень уверенности должна уменьшиться. Но она не должна падать до нуля, если только изначально не была равна нулю.

Здесь просто нужно быть осторожными и тщательно продумывать свои выводы. Поэтому я совершенно нормально отношусь к тому, что люди утратили прежний энтузиазм по поводу суперсимметрии. Но нельзя утверждать, что с ней покончено или что она экспериментально исключена. Это не так. И позвольте сказать еще несколько слов о проблеме иерархии. Я уже упоминал ее раньше, но, возможно, стоит немного подробнее объяснить мою позицию. Тот факт, что после запуска Большого адронного коллайдера мы не получили какого-то очевидного решения проблемы иерархии буквально у себя перед глазами, возможно, указывает на нечто гораздо более фундаментальное. В каком-то смысле я осторожно оптимистичен и надеюсь, что за этим скрывается что-то действительно большое. Вот что я имею в виду. У нас уже есть проблема космологической постоянной, и для нее тоже нет простого решения. Мы уже очень давно бьемся над этой проблемой и никак не можем сдвинуться с места. Есть антропный принцип и мультивселенная, но для проблемы иерархии такой подход толком не работает.

Можно без труда представить законы физики, совместимые с существованием разумной жизни, в которых масса бозона Хиггса вовсе не обязана быть намного меньше планковской шкалы. Так что здесь ситуация несколько иная. В определенном смысле для проблемы иерархии у нас нет хорошего антропного решения, подобного тому, которое можно предложить для проблемы космологической постоянной. Именно поэтому многие действительно ожидали, что Большой адронный коллайдер обнаружит множество новых частиц, которые помогут объяснить проблему иерархии. Это могли быть суперсимметричные частицы, частицы, связанные с дополнительными измерениями, сильной динамикой или чем-то еще.

Казалось, что какой-нибудь из этих вариантов обязательно сработает. Но пока ничего такого не обнаружено. Может быть, обнаружат завтра. Такая возможность всегда остается. Но давайте представим, что этого не произойдет. Допустим, БАК еще несколько лет проработает при более высоких энергиях и большей интенсивности, а мы так ничего нового и не увидим. Тогда остаются две возможности. Первая - у проблемы иерархии вообще нет никакого решения. Нам просто повезло. Масса бозона Хиггса или, если вам удобнее так формулировать, вакуумное среднее значение поля Хиггса просто намного меньше планковской шкалы.

Это фундаментальный факт, который можно принять как данность и который вовсе не обязательно требует какого-то более глубокого объяснения. Мы уже несколько раз обсуждали в подкасте с философами, что вообще значит “объяснить” что-либо. Мы говорили об этом с Тони Ломброзо, Саймоном ДеДео, а совсем недавно немного затрагивали эту тему с Кэти Эллиотт. Возможно, никакого объяснения здесь просто нет. Это фундаментальная данность. Такой вариант вполне возможен. Но есть и другая возможность - происходит нечто гораздо более радикальное и глубокое. Ведь мы говорим, что эффективная теория поля формирует определенные ожидания относительно величины массы бозона Хиггса и космологической постоянной, а реальные значения оказываются совершенно не такими. Тогда очень легко сказать: “Хорошо, возможно, что-то не так с нашей интуицией, основанной на эффективной теории поля”. Сказать это легко. Но что именно в ней не так? И причина может скрываться в чем-то глубоком, связанном с самой природой пространства, времени, квантовой теории поля или чем-то еще в этом духе. Как я уже говорил, я сам пытался размышлять в этом направлении, но пока не придумал ничего особенно правдоподобного. Даже до так называемой минимальной публикуемой единицы, о которой любят шутить ученые, дело не дошло. У меня не появилось ни одной теории, которая хотя бы приблизилась к работоспособной. Но сама эта возможность чрезвычайно интересна. Квантовая теория поля настолько надежна, универсальна и, в некотором смысле, настолько устойчива, что ее очень трудно “сломать”.

Поэтому любой намек на условия, при которых наша привычная интуиция, основанная на квантовой теории поля, перестает работать, потенциально может оказаться чрезвычайно важным. С другой стороны, пока это скорее отрицательный результат. Если вы просто говорите: “Вот расчет, который не работает”, хорошо, но это никак не объясняет, что же работает вместо него. И почти не подсказывает, куда двигаться дальше. Поэтому, на мой взгляд, за этим направлением определенно стоит следить - возможно, именно здесь нас ждет будущий прогресс. Но пока совершенно непонятно, в каком именно направлении этот прогресс произойдет. Так что я не вижу причин слишком сурово критиковать суперсимметрию и подобные идеи. Попробовать суперсимметрию было совершенно естественно.

Другое дело, что можно немного критичнее отнестись к тому, сколько именно усилий было потрачено на исследования суперсимметрии. Но к этому я еще вернусь чуть позже. А пока просто оставим этот вопрос открытым. Теория струн, конечно, тесно связана с суперсимметрией. Как я уже говорил, теория струн лучше всего работает, когда суперсимметрия является ее частью, и тогда мы получаем теорию суперструн. При этом вполне возможно, что теория струн верна, а суперсимметрия нарушается на очень высокой энергетической шкале, например на планковской. В таком случае последствия нарушения суперсимметрии были бы совершенно недоступны для наших ускорителей частиц. Поэтому тот факт, что на Большом адронном коллайдере мы пока не обнаружили суперсимметричные частицы, должен снизить нашу уверенность в суперсимметрии. Но он не должен отдельно, еще раз, снижать нашу уверенность в теории струн. Уверенность в теории струн уменьшается постольку, поскольку уменьшается уверенность в суперсимметрии. Нельзя учитывать один и тот же аргумент дважды. Самой теории струн, по большому счету, безразлично, обнаружим ли мы новые частицы на БАК. Как я уже рассказывал, исторически теория струн в каком-то смысле просто свалилась нам в руки.

При этом она действительно до сих пор не установила прямой связи с наблюдениями. Поэтому, на мой взгляд, одновременно верны две вещи. Во-первых, совершенно разумно, что физики вложили в теорию струн огромное количество усилий.

Если вам в руки неожиданно попадает настолько многообещающая теория, конечно, нужно постараться извлечь из нее максимум возможного. Во-вторых, совершенно справедливо сказать: “Прогресс оказался не таким, на какой мы надеялись. Возможно, стоит расширить круг рассматриваемых идей и подумать о других подходах”. Но я все же должен отметить, что существующие альтернативы по вполне объективным причинам выглядят менее привлекательными. Дело не в социологии научного сообщества. Не в личных конфликтах. Не в том, что кто-то пытается заставить замолчать отважных бунтарей, бросающих вызов истеблишменту. Есть вполне конкретные физические причины, по которым, когда речь заходит о квантовой гравитации, многие исследователи предпочитают теорию струн.

Чтобы хотя бы в общих чертах объяснить, что имеют в виду работающие в этой области струнные теоретики, напомню: как я уже говорил, теория струн представляет собой конечную теорию квантовой гравитации. В ней можно, например, рассчитывать процессы рассеяния и получать конечные ответы. Для квантовой гравитации это почти чудо. Другой подход - хотя, конечно, существует множество разных подходов и не стоит сваливать их все в одну кучу - заключается в том, что наиболее популярные альтернативы теории струн обычно начинают с попытки квантовать только гравитацию. Они буквально рассматривают гравитацию как нечто особое и пытаются квантовать именно ее. И, опять же, это совершенно естественный подход. Но столь же естественно предположить, что он может не сработать. Подумайте, что вообще означает квантовать гравитацию. Вы берете некоторую классическую теорию, применяете к ней правила квантовой механики и пытаетесь превратить ее в квантовую теорию. Какой бы конкретный подход вы ни использовали, все равно сохраняется введенное Уилсоном различие между инфракрасной областью, то есть большими расстояниями и низкими энергиями, и ультрафиолетовой областью, то есть малыми расстояниями и высокими энергиями. А структура известной нам физики такова, что практически невозможно выделить режим, в котором поведение гравитации в ультрафиолетовой области было бы независимо от поведения всех остальных составляющих природы. Возможно, это прозвучало несколько громоздко, но смысл простой: в мире существует не только гравитация. Есть множество других полей и взаимодействий.

И мы знаем, что они являются источниками гравитации. Обычная материя, энергия и излучение создают гравитационные поля. Поэтому, если у вас есть теория, содержащая и гравитацию, и все остальное, то в ультрафиолетовом, высокоэнергетическом режиме, где и возникают все трудности и где вы пытаетесь придумать новую фундаментальную теорию, нельзя просто выделить какую-то часть этой системы, включить одну гравитацию, отключить все остальное и ожидать получить осмысленный результат. В ультрафиолетовой области важно все. Все обладает огромной энергией, все взаимодействует со всем, и учитывать приходится всю систему целиком. Отчасти именно поэтому теория струн выглядит почти чудесным образом удачной. Она претендует на роль теории всего. Она включает не только гравитацию, но и все остальные составляющие Вселенной, и каким-то почти невероятным образом в ультрафиолетовой области все эти компоненты согласуются между собой так, что в итоге получаются конечные ответы. Поэтому, когда струнные теоретики смотрят на попытки квантовать одну только гравитацию, у них возникает вопрос: "Зачем вы вообще пытаетесь это делать?

У нас нет никаких особых оснований ожидать, что такой подход сработает". Разумеется, из этого вовсе не следует, что теория струн верна. Я лишь пытаюсь немного объяснить, почему физическое сообщество считает теорию струн гораздо более перспективной по сравнению с другими подходами. Это, конечно, не стопроцентное доказательство в ее пользу, но определенные основания для такого отношения есть. Стоит ли тогда критиковать физиков за то, что за последние несколько десятилетий в теорию струн было вложено столько усилий, хотя она до сих пор не установила прямой связи с наблюдениями? Здесь у меня смешанные чувства. Мне кажется, теория струн действительно позволила добиться прогресса. Мы очень многое узнали о структуре самой теории струн, а кроме того, извлекли немало уроков, которые, по всей видимости, применимы к квантовой гравитации в целом, даже если в конечном счете окажется, что сама теория струн ведет нас не совсем в правильном направлении. Я имею в виду такие идеи, как голография, принцип дополнительности, проблема информации в черных дырах и тому подобное.

Насколько я могу судить, все эти важные идеи возникли благодаря людям, которые либо непосредственно занимались теорией струн, либо работали в тесно связанных с ней областях. Я не могу вспомнить каких-либо идей, появившихся в альтернативных подходах к квантовой гравитации и оказавших сопоставимое влияние. Впрочем, здесь есть одно возможное исключение - сама голография. Голографический принцип заключается в идее, что информацию, содержащуюся в черной дыре, а возможно, и в более общем случае, можно рассматривать как распределенную по горизонту черной дыры, а не по всему ее внутреннему объему. То есть речь идет о чем-то нелокальном и имеющем меньшую размерность. И, пожалуй, первым эту идею выдвинул Герард 'т Хоофт. Он сделал это раньше Сасскинда. Однако Сасскинд пришел к этой идее независимо и изложил ее гораздо яснее и эффектнее для остального научного сообщества. Поэтому заслугу обычно приписывают им обоим. При этом 'т Хоофт в тот момент не работал непосредственно в рамках теории струн. Он занимался ею в другие периоды, но если разобраться глубже, то в данном случае его интересовали прежде всего основания квантовой механики.

Он давно интересовался фундаментальными вопросами квантовой механики и разрабатывал определенные дискретные модели, которые в итоге и привели его к голографической идее. Но дальнейшее развитие этих идей происходило уже в основном в контексте теории струн. Итак, это одна сторона вопроса. На мой взгляд, столь пристальное изучение теории струн действительно принесло нам определенную пользу. Но есть и другая сторона. Как я уже намекал раньше, рассказывая историю о жокеях, мне кажется, что теория струн определенным образом повлияла на физическое сообщество, и это влияние было не во всем положительным. Первое поколение струнных теоретиков - если говорить о таких людях, как Дэвид Гросс, Эд Виттен и другие, - выросло в научной среде, где главной задачей было объяснение экспериментальных данных. Можно найти, например, статьи Эда Виттена о кандидатах на роль темной материи и о предсказаниях для астрономии. Или работы Дэвида Гросса по квантовой хромодинамике, где сопоставление теории с экспериментальными данными, разумеется, играло огромную роль. Поэтому, даже занимаясь теорией струн, эти ученые прекрасно понимали, что конечная цель физики - согласовать теорию с данными и объяснить реальный мир.

Но с тех пор появилось уже целое поколение, а возможно, к настоящему времени и два поколения молодых струнных теоретиков, которые всю свою научную жизнь занимались исключительно теорией струн. Причем сейчас я использую выражение “теория струн” в максимально широком смысле. Я включаю сюда и молодых исследователей, занимающихся AdS/CFT, голографией и всеми связанными с ними направлениями, даже если они не узнают диаграмму рассеяния струн, даже если она укусит их за нос. Проблема в том, что они работают в своем небольшом мире игрушечных моделей, где есть точно решаемые или хотя бы достаточно удобные для анализа системы вроде AdS/CFT. Они могут брать D-браны, накладывать их друг на друга и так далее, и так далее. При этом им вообще не приходится беспокоиться об ограничениях, которые следуют, например, из прецизионных электрослабых измерений, первичного нуклеосинтеза или чего-нибудь еще в этом роде.

Потому что они даже не работают в той области, где такие ограничения имеют значение. Они не пытаются объяснить реальный мир. Они говорят примерно следующее: “Да, когда-нибудь мы доберемся и до реального мира, но сейчас наша задача - разобраться в свойствах суперсимметричных квантовых теорий поля, D-бран, AdS/CFT и тому подобных вещей”. И у меня по этому поводу очень смешанные чувства. Лично мне было бы гораздо спокойнее, если бы наряду с изучением таких моделей люди постоянно держали в центре внимания конечную цель - объяснить мир нашего опыта, тот мир, который мы действительно наблюдаем.

Но сегодня определенная часть сообщества струнных теоретиков, безусловно, относится к этой идее несколько пренебрежительно. Мол, мы изучаем фундаментальную природу теории струн и квантовой теории поля, а не какие-то там неопрятные частные подробности именно нашей Вселенной. Вот это, на мой взгляд, уже действительно может быть поводом для беспокойства. Нельзя терять из виду конечную цель. В 1980-х и 1990-х существовало очень активное направление струнной феноменологии, пытавшееся связать теорию струн с наблюдаемой физикой. Конечно, люди продолжают заниматься этим и сегодня, но, возможно, это направление уже не настолько активно, как раньше. Потому что выяснилось, что задача эта чрезвычайно сложная.

Но произошла почти своего рода обратная реакция: многие струнные теоретики теперь считают, что объяснять все эти сложные и неопрятные особенности реального мира - просто не их работа. И, опять же, на мой взгляд, это вполне обоснованный повод для беспокойства. Конечной целью все-таки должен оставаться реальный мир. Если вы помните выпуск подкаста с Брайаном Грином, Брайан - очень вдумчивый человек, и он совершенно откровенно признал, что вполне может представить будущее, в котором теорией струн будут заниматься исключительно на математических факультетах. Если исследователи перестанут стремиться объяснять реальные наблюдательные данные, теория струн может постепенно превратиться прежде всего в область математики. И действительно, теория струн позволяет узнать очень многое о математике. Эд Виттен, например, получил Филдсовскую премию - одну из самых престижных наград в математике. И, возможно, в этом нет ничего плохого. Может быть, именно так все и сложится. Но одновременно по-прежнему существует надежда, что теория струн все-таки сможет объяснить что-то в реальном мире.

И мне кажется, что внутри физических факультетов вести такой разговор довольно трудно. Людям не нравится, когда им говорят, что они игнорируют реальный мир. Так что это довольно деликатная тема, и чуть позже я еще к ней вернусь. Я уже упомянул суперсимметрию и теорию струн. Последняя тема, о которой я хочу совсем кратко поговорить, - мультивселенная. Я и так много говорю о мультивселенной, поэтому подробно останавливаться на ней не буду. Но хочу еще раз подчеркнуть то, что всегда подчеркиваю. Современный интерес к идее мультивселенной, насколько он вообще существует, возник вовсе не потому, что физики однажды сказали: “Ого, а разве не было бы здорово, если бы существовала мультивселенная с кучей разных вселенных?” Это никогда не было исходной мотивацией. У нас уже были существующие независимо друг от друга теории, прежде всего инфляционная космология и теория струн. И обе эти теории изначально появились из попыток объяснить свойства наблюдаемого мира. В случае инфляции речь идет о том, что наблюдаемая Вселенная пространственно плоская и чрезвычайно однородная на больших масштабах. В случае теории струн - о том, что в нашей Вселенной существуют гравитация, калибровочные взаимодействия и фермионы. И все это должно каким-то образом складываться в единую непротиворечивую картину.

Именно в этом и заключалась первоначальная мотивация теории струн. А дальше вы просто следуете за логикой самой теории, стараетесь как можно лучше понять ее предсказания и в итоге приходите к космологической мультивселенной, по крайней мере в значительной части пространства параметров. Скажем так. Возможно, мультивселенной каким-то образом можно избежать, я даже не уверен. А может быть, она, наоборот, необходима. Возможно, это лишь один из вариантов. Но совершенно точно получить космологическую мультивселенную из сочетания инфляции и теории струн не так уж трудно. В принципе, космологическую мультивселенную можно получить и без инфляции или теории струн. Но именно сочетание инфляционной космологии и теории струн буквально ставит эту возможность перед вами, и с ней приходится что-то делать. Просто игнорировать ее нельзя. При этом есть люди, которые утверждают, что даже само рассмотрение идеи мультивселенной антинаучно. Их аргумент звучит примерно так: наука должна заниматься тем, что мы можем наблюдать.

Если ваша теория опирается на существование объектов, которые мы никогда не сможем наблюдать или увидеть даже в принципе, потому что они находятся за пределами нашего наблюдаемого космологического горизонта, то, возможно, вы занимаетесь философией, но уже не наукой. Вот в чем заключается этот аргумент. Я совершенно с ним не согласен и уже много раз объяснял почему. Но давайте очень кратко повторю основные соображения, поскольку они непосредственно относятся к нашей теме. Когда речь идет о мультивселенной, важно понимать следующее: утверждение “существование других вселенных нельзя наблюдать напрямую, следовательно, идея мультивселенной ненаучна” мне кажется совершенно очевидно ошибочным. Это классический пример плохой философии. А ученые далеко не всегда достаточно хорошо подготовлены к тому, чтобы грамотно заниматься философией. Суть в том, что существование или отсутствие мультивселенной имеет значение для того, как мы занимаемся наукой. Мультивселенная действительно может существовать. Она не относится к тому типу теорий, которые имел в виду Карл Поппер, когда сформулировал критерий фальсифицируемости для разграничения науки и ненауки. Поппер выступал против теорий, которые фактически ничего конкретного не утверждают и которые можно подогнать под абсолютно любой возможный результат наблюдений. Мультивселенная - совсем не такая теория. Мультивселенная совершенно определенно что-то утверждает.

Она говорит, что в далеких областях за пределами нашей наблюдаемой Вселенной физические условия отличаются от наших. Это вполне конкретное и однозначное утверждение. Да, напрямую наблюдать такие области мы не можем. Это проблема, с которой приходится иметь дело, но сама по себе она не делает гипотезу ненаучной. Научная практика, как мы уже обсуждали, заключается в том, что мы выдвигаем различные модели и пытаемся понять, какая из них лучше всего объясняет наблюдаемые данные. Возьмем, например, одну из наших загадок: почему космологическая постоянная настолько меньше планковской шкалы? Возможно, причина в существовании мультивселенной. Тогда космологическая постоянная не является фундаментальным параметром с единственным возможным значением. В разных областях мультивселенной она принимает разные значения, а эффект отбора приводит к тому, что мы оказываемся именно в той области, где космологическая постоянная мала. Но возможен и другой вариант. Может быть, никакой мультивселенной нет, а существует единственная фундаментальная теория, которая однозначно предсказывает конкретное значение космологической постоянной.

На сегодняшний день обе возможности остаются открытыми. И что в такой ситуации должен делать физик-теоретик, которого интересует эта проблема? На что ему тратить свое время? Ведь вы не знаете, какой из этих вариантов верен. Представьте, что существует некий оракул или Бог, который совершенно достоверно сообщает вам, что мультивселенная действительно существует. Более того, вам достоверно известно, что существуют области пространства-времени, в которых такие параметры, как космологическая постоянная, принимают другие численные значения. В таком случае было бы довольно глупо продолжать упорно говорить: “А я все равно буду работать над теорией, которая предсказывает единственное возможное значение космологической постоянной”. Вам только что сообщили, что такой подход неверен. Разумеется, никакого оракула у нас нет. Никто не знает правильного ответа. Но суть в другом: то, чем вы занимаетесь как физик-теоретик, будет зависеть от того, существуют ли где-то далеко области, в которых космологическая постоянная принимает другие значения. Это действительно имеет значение. Нельзя просто сказать: “Я не вижу эти другие вселенные, значит, буду их игнорировать”.

Они могут играть объяснительную роль в отношении того, что мы действительно наблюдаем. И здесь нет ничего особенно хитрого или тонкого. Поэтому людей вроде меня немного раздражает, когда этот момент упускают. Понять его не так уж трудно. Вы не можете непосредственно увидеть другие области Вселенной, но они все равно могут участвовать в объяснении того, что мы наблюдаем. Следовательно, они являются частью научного рассуждения. В этом смысле они похожи на кварки и глюоны. Их вы тоже непосредственно не видите. Или на виртуальные частицы, или на любой другой подобный пример, который вам нравится. В науке полно сущностей, которые мы не наблюдаем напрямую, но которые тем не менее играют важную роль в объяснении наблюдаемых явлений. С мультивселенной ситуация такая же. Поэтому я совершенно не принимаю аргумент о том, что мультивселенная по своей природе якобы антинаучна. На мой взгляд, это просто ошибочная позиция и плохая философия, как я уже говорил. Но есть более тонкая версия этого аргумента, которой я готов отдать должное.

Если у вас действительно есть мультивселенная, где происходит огромное количество разных событий, причем, допустим, существует бесконечное число отдельных областей, каждая из которых представляет собой свою вселенную, и в них реализуются самые разные варианты, тогда действительно становится трудно делать предсказания, даже вероятностные. И здесь аргумент уже не сводится к простому: “Мне не нравится, что там есть что-то ненаблюдаемое”. Теперь проблема в том, что вы теряете предсказательную силу, потому что бесконечность, деленная на бесконечность, математически не определена. Вы говорите: “У меня есть бесконечное число областей Вселенной. В бесконечном числе из них космологическая постоянная принимает одно значение, а в другом бесконечном числе областей - другое”. Как в такой ситуации вообще предсказать, какое значение мы должны ожидать увидеть у себя?

К слову, обычно такие предсказания делают, предполагая, что мы являемся типичными представителями множества всех возможных наблюдателей. Лично я считаю это предположение очень плохим и даже довольно нелепым, но это уже тема для отдельного подкаста. Как бы то ни было, основная математическая проблема здесь заключается в том, что, возможно, вы в принципе ничего не можете вычислить, потому что получаете бесконечность, деленную на бесконечность. Именно такой аргумент выдвигают, например, Пол Стейнхардт и другие, утверждая, что современную версию вечной инфляции не следует воспринимать всерьез как научную гипотезу. Но здесь все не так просто. Когда мы говорим о бесконечности, деленной на бесконечность, иногда такое выражение действительно совершенно не определено. Если просто произнести эти слова, никакого однозначного ответа получить невозможно. Однако в конкретных случаях с бесконечными величинами иногда существует вполне однозначная и строго определенная процедура, позволяющая получить конечный, четко определенный результат. А в случае космологической мультивселенной мы просто не знаем, существует ли такая процедура. В исследованиях мультивселенной это называют проблемой космологической меры.

И вот люди вроде Стейнхардта говорят: “Проблему меры невозможно решить”. А люди вроде меня отвечают: “Откуда вы это знаете?” Может быть, ее действительно невозможно решить. А может быть, нужно просто приложить больше усилий. Это чрезвычайно сложная задача, потому что у нас нет прямых экспериментальных данных, которые могли бы подсказать направление. Но мне не кажется правильным просто прятать голову в песок и говорить: “Ну, решить это невозможно. Давайте лучше заниматься другими теориями”. Если бы у меня был убедительный аргумент в пользу того, что эту проблему с “бесконечностью, деленной на бесконечность” действительно невозможно решить в принципе, я бы счел это очень веским основанием не воспринимать идею мультивселенной всерьез.

Но я не видел ни одного подобного аргумента. Более того, я даже не очень представляю, как такой аргумент мог бы выглядеть. Возможно, действительно трудно понять, как правильно регуляризовать конкретный предел типа “бесконечность, деленная на бесконечность”. И я не могу сказать, что меня особенно убеждают какие-либо из предложенных на сегодняшний день решений. Но факт остается фактом: такие решения предлагались. Это вопрос, который нужно пытаться решить и смотреть, удастся ли найти ответ. Нельзя просто заранее объявить его принципиально неразрешимым. Так что, на мой взгляд, вполне можно спорить о том, сколько усилий было потрачено на суперсимметрию, теорию струн или мультивселенную. Это совершенно нормальная тема для обсуждения и дискуссий. Но всеми этими направлениями занимаются вовсе не из каких-то недобросовестных побуждений. Здесь нет никакого заговора, нет какого-то влиятельного человека, который решает, что разрешено исследовать, а что запрещено. Люди занимаются этими идеями потому, что считают их хорошими. И я надеюсь, что мне удалось хотя бы немного показать вам, почему исследователи, работающие над этими теориями, считают их перспективными. Конечно, они могут ошибаться. Такая возможность существует всегда. Но они стараются как могут. Каждый ученый хочет оказаться прав.

Не знаю, считается ли в наши дни такое утверждение каким-то особенно смелым или спорным, но люди работают над этими теориями именно потому, что считают их правдоподобными. По-настоящему новые и хорошие идеи были бы чрезвычайно желательны. Если бы кто-то предложил альтернативу существующим подходам, обладающую всеми их многообещающими свойствами, ее встретили бы с огромным интересом. Просто придумать действительно хорошую новую идею очень трудно. Мы пытаемся. Некоторые люди активно над этим работают. Но это сложно, прогресс идет медленно, а природа в данный момент не особенно нам помогает. Вот в такой ситуации мы и находимся. Ладно, пора заканчивать. Я и так слишком затянул, хотя, надо признать, заранее это предсказывал. Но по крайней мере можно сказать, что одно мое предсказание оказалось опровергнуто: я говорил, что… Правда, обещаю: вступление к этому выпуску я записал еще до того, как начал записывать сам подкаст. Но я знал, что мне есть о чем поговорить, и знал, что позволю себе довольно долго рассуждать об уже известных вещах, о Стандартной модели и тому подобном. И все же это не просто потакание собственному желанию поговорить. Мне действительно хотелось подчеркнуть одну важную мысль: у современных физиков есть причины думать именно так, как они думают.

Они не просто ленятся, не становятся жертвами группового мышления и не занимаются чем-то подобным. Есть конкретные физические причины, по которым наиболее популярные сегодня модели стали наиболее популярными. Но при этом существуют и вполне обоснованные опасения по поводу того, как нам действовать в той необычной ситуации, в которой мы оказались. И именно этим я хотел бы завершить разговор. Что я имею в виду под этой необычной ситуацией? Как я говорил в самом начале, у нас есть теории, которые прекрасно согласуются со всеми имеющимися данными. Природа не дает нам четких и однозначных экспериментальных указаний на то, куда двигаться дальше. А для интеллектуальной деятельности это чрезвычайно сложная ситуация. По сути, вам остается полагаться прежде всего на собственные размышления. Конечно, данные продолжают поступать, эксперименты продолжаются.

И не надо винить экспериментаторов. Они не виноваты в том, что пока не обнаружили результатов, которые радикально противоречили бы нашим ожиданиям. Если уж кого-то и винить, то природу. Экспериментаторы делают потрясающую работу. И, как я постоянно повторяю, возможно, уже завтра мы обнаружим какое-нибудь серьезное расхождение между теорией и экспериментом. Но прямо сейчас такого расхождения у нас нет. Поэтому, когда речь идет о попытках выйти за пределы существующих теорий, нам во многом приходится рассчитывать на собственные идеи. Когда же постоянно появляются новые данные, причем все они оказываются неожиданными, когда непонятно, как связать их между собой, когда вокруг сплошные загадки, тогда работать гораздо веселее. Люди могут развивать самые разные подходы, а затем появляется новый экспериментальный результат, и представления ученых о том, какой из этих подходов наиболее перспективен, могут измениться буквально в одночасье.

Например, кто-то говорит: “А что, если четность не сохраняется?” Затем проводят эксперимент и обнаруживают, что она действительно не сохраняется. И все говорят: “Ага, понятно”, после чего многие сразу меняют направление своей работы. Когда же новые данные не поступают или не дают неожиданных результатов, таких резких поворотов, вызванных экспериментальными открытиями, не происходит. Тогда приходится полагаться на людей и их субъективные оценки того, что интересно и что кажется перспективным. Может быть, правильный путь к квантованию гравитации - теория струн. Может быть, петлевая квантовая гравитация. Может быть, причинная динамическая триангуляция или вообще что-то совершенно иное. И от этих оценок зависит множество решений: какое направление развивать, кого нанимать на кафедру и так далее. Причем уровней принятия решений здесь очень много. Дело не только в том, кого вы принимаете на работу. Важно и то, чему вы учите аспирантов, какие направления включаете в программу, на что выделяете финансирование, кто получает гранты, кто может организовать конференцию и получить возможность собраться вместе с коллегами.

И вполне справедливо сказать: “Прогресс в моей области мог бы идти быстрее, если бы на ее исследования выделяли больше денег”. Да, такое вполне возможно. Но проблема в том, что вам нужно убедить остальное научное сообщество в том, что именно ваш подход действительно перспективен. Когда экспериментальные данные не указывают направление и приходится полагаться на человеческие суждения о том, что перспективно, а что нет, неизбежно начинают проявляться различные предубеждения. Предубеждения есть у всех. И одно из них предельно простое, понятное и очевидное: заниматься тем, чем занимаются все остальные. Потому что, когда вы молоды, конечно, всегда найдется какой-нибудь бунтарь, который будет делать то, что ему хочется, несмотря ни на что. И прекрасно. Но большинство людей не гении. Большинство тех, кто стремится сделать академическую карьеру, просто стараются работать как можно лучше. Они учатся в аспирантуре, работают постдоками и прекрасно понимают, что лишь небольшая часть людей, находящихся на их месте, в конечном счете получит постоянную должность в университете. На пути от студента к аспиранту, затем к постдоку и, наконец, к постоянной академической позиции происходит очень жесткий отбор.

Вы можете спокойно заниматься какими-то собственными небольшими задачами, выкладывать статьи на arXiv и даже публиковать их в научных журналах. Но если никому нет дела до того, что вы сделали, вам будет трудно получить работу, финансирование или грант. Поэтому, если вы хотите и дальше профессионально заниматься физикой, вам приходится выбирать определенную стратегию. С одной стороны, нужно работать над чем-то новым и интересным. С другой - ваша работа должна быть понятна и интересна тем людям, которые уже работают в этой области. Это совершенно естественная особенность системы.

Опять же, здесь нет ничего злонамеренного или порочного. Просто так устроена академическая среда. Что вы вообще можете сказать людям, которые принимают решения о найме? “Нанимайте тех, кто пока не сделал ничего интересного”? Вряд ли это можно назвать разумной стратегией. Нельзя просто сказать: “Давайте возьмем на работу всех”. Количество академических должностей ограничено. Поэтому совершенно естественным образом возникает определенная склонность отдавать предпочтение тем теориям и направлениям, которые в данный момент находятся в центре внимания научного сообщества. Но есть и другой, более тонкий аспект той же самой проблемы. Допустим, вы абсолютно объективны и рациональны. Вы входите в комиссию по найму в каком-нибудь университете и собираетесь принять на работу нового физика-теоретика. Вы прекрасно понимаете, что одна конкретная теория может оказаться верной, но может оказаться верным и другой подход. При этом исследователи обычно занимаются либо одним направлением, либо другим. И вам нужно решить, кого нанять. Предположим, вы считаете, что у подхода А вероятность оказаться на верном пути составляет 90%, а у подхода Б - всего 10%.

Тогда можно было бы рассуждать так: в 90% случаев следует нанимать человека, работающего в рамках подхода А, поскольку именно у него 90-процентная вероятность оказаться верным, а в 10% случаев - человека, работающего над подходом Б. Но здесь возникает проблема. Вы ведь не нанимаете десять человек.

И уж тем более не сто. На самом деле вы даже десять человек не нанимаете. В лучшем случае у вас появляется возможность принять одного нового сотрудника раз в пять лет. А может быть, раз в десять лет или еще реже, в зависимости от размера вашего факультета. То есть возможностей сделать ставку у вас совсем немного. А нанять кого-то все равно нужно. При этом в большинстве университетов ситуация примерно следующая: существует огромное бутылочное горлышко при переходе от позиции постдока к должности молодого преподавателя или исследователя, но большинство тех, кому все-таки удалось получить такую должность, со временем получают постоянный контракт. Так что вы нанимаете человека, которому около тридцати лет, и, скорее всего, вам предстоит работать с ним следующие сорок лет. Вот к чему я веду: в систему постепенно проникает консерватизм. Вы можете нанять совсем немного людей, а если уж кого-то нанимаете, вполне возможно, что этот человек останется вашим коллегой на следующие сорок лет.

Конечно, было бы здорово иногда рисковать, давать шанс необычным направлениям, время от времени бросать кости. Но совершенно естественным образом возникает склонность к консервативному выбору. Возможностей нанять физика-теоретика у вас немного, а вы хотите, чтобы ваш факультет и в будущем оставался значимым и влиятельным. Можно, конечно, сказать: “Хороший ученый может начать с парадигмы Б, а потом понять, что она не работает, и перейти к парадигме А”. Да, такое возможно. Но довольно часто этого не происходит. Не хочу говорить, что такое вообще случается редко. Скажем лучше так: очень часто люди этого не делают.

Они продолжают придерживаться базовой теории, общей концепции и направления, над которыми работали много лет. Сторонники теории стационарной Вселенной, например, продолжали заниматься ею еще десятилетиями после открытия космического микроволнового фонового излучения. Так вот, поскольку решения о найме принимают отдельные факультеты, а нанимать много людей они не могут, возникает интересный эффект. Если в научном сообществе считается, что у подхода А вероятность оказаться верным составляет 90%, а у подхода Б - 10%, то в итоге, грубо говоря, почти 100% нанятых исследователей могут оказаться представителями подхода А. Конечно, так происходит не всегда. Люди принимают решения по-разному, бывают исключения и так далее. Но совершенно точно возникает дополнительное усиление предвзятости против тех, кто работает в рамках подхода Б. Это очень похоже на хорошо известную проблему из теории голосования в демократических системах. Представьте, что вы говорите: “Мы хотим, чтобы все группы избирателей были представлены справедливо”. Но у вас есть множество штатов, округов или других избирательных единиц, и в каждой из них 90% населения голосуют за партию А, а 10% - за партию Б.

В результате каждый штат или каждый округ избирает представителя партии А. И партия Б вовсе не получает 10% мест в парламенте. Примерно то же самое происходит и при найме физиков-теоретиков. Поэтому, на мой взгляд, для физики в целом было бы полезно предоставить больше возможностей альтернативным идеям. С такой критикой современного положения дел я совершенно согласен. И когда я говорю об альтернативных идеях, я не имею в виду случайных людей, которые приходят с улицы со своей собственной “теорией всего”. Я говорю об исследователях, которые прошли серьезную подготовку, прекрасно понимают современную физику, проделали необходимую работу и осознанно решили, что какое-то менее популярное направление представляет собой наиболее перспективный путь вперед. И теперь они изо всех сил стараются развивать именно этот подход. Мне действительно кажется, что нам не удалось создать хороший механизм для поддержки и развития подобных альтернативных идей. И это очень жаль. Кстати, некоторые люди вообще не считают, что альтернативные направления нужно как-то поддерживать.

Они уверены, что более или менее знают, какой путь правильный. Я начал этот мысленный эксперимент с предположения, что вы абсолютно рациональны и распределяете степень своей уверенности между разными вариантами. Но многие люди распределяют ее примерно так: 99,9% в пользу одного подхода и 0,01% в пользу всех остальных. Это тоже усложняет ситуацию. Но главная мысль, которую я пытаюсь донести, состоит в том, что существует целый ряд структурных причин, по которым физические факультеты склонны к консерватизму. И под консерватизмом я здесь имею в виду то, что они предпочитают нанимать людей, работающих в относительно надежных и общепринятых направлениях, а не тех, кто делает ставку на более рискованные идеи. То же самое относится к организациям, распределяющим финансирование, к комитетам, присуждающим премии, и так далее.

В академической среде вообще, а не только на физических факультетах, существует множество структурных причин, подталкивающих систему к консерватизму. И я действительно считаю это проблемой. Это можно увидеть даже на примере таких учреждений, как Институт Периметра, который сегодня является одним из ведущих физических институтов мира. Когда он только появился, там было гораздо больше необычных и нестандартных направлений. Там работал Ли Смолин, Фотини Маркопулу и многие другие исследователи. Они занимались петлевой квантовой гравитацией, необычными подходами к основаниям квантовой механики и другими нетрадиционными идеями. По мере того как Институт Периметра рос и приобретал все более солидную репутацию, он превратился, как я уже сказал, в один из ведущих физических институтов мира. Но одновременно он стал гораздо более традиционным и приблизился к научному мейнстриму. В каком-то смысле это естественная часть жизненного цикла физического факультета или исследовательского института. Сначала появляется небольшая группа дерзких бунтарей, а затем постепенно все приходит в равновесие, и организация становится более обычной и традиционной. И винить их в этом нельзя. Нельзя винить конкретно этот институт, потому что они просто стараются быть хорошим физическим институтом. Но тот небольшой вклад, который каждый такой институт вносит в общую систему, в конечном счете приводит к тому, что небольшим и нестандартным исследовательским программам становится все труднее развиваться.

Конечно, есть ученые с постоянными должностями или просто старшие исследователи, которые могут заниматься собственными необычными идеями. В этом, собственно, и заключается одна из целей системы постоянных академических контрактов: ученый должен быть защищен от давления, заставляющего его соответствовать представлениям и стандартам всех остальных. Но что происходит на практике? Если говорить о физике, с которой я знаком лучше всего, возникают две проблемы. Во-первых, вам все равно желательно иметь финансирование. Вам нужен грант, чтобы оплачивать работу в летние месяцы, поездки, новый компьютер, работу аспирантов и постдоков. А получить такой грант для нестандартных исследований сложнее. И я знаю это не столько по собственному опыту подачи заявок, сколько по работе в комиссиях, которые распределяют гранты.

Если бы вы сами присутствовали на заседаниях таких комиссий, думаю, вас бы действительно впечатлило, насколько серьезно люди стараются принимать правильные решения. Это немного напоминает рассказы о работе суда присяжных. Конечно, всегда можно найти ужасные примеры обратного, но в целом люди относятся к своим обязанностям очень серьезно. Они действительно хотят поддерживать молодых ученых. Хотят финансировать смелые идеи и необычные исследования. Но все равно гораздо проще выделить деньги на то, что выглядит относительно надежным и проверенным или хотя бы, по мнению большинства научного сообщества, имеет наибольшие шансы принести результат. Это одна сторона проблемы. Но есть и другая, и с ней я сам сталкиваюсь напрямую. Допустим, вы уже опытный ученый и у вас есть какие-то необычные идеи, которые кажутся вам интересными и увлекательными, но научный мейнстрим в целом вашего энтузиазма не разделяет. При этом у вас есть студенты. Нужны они вам или нет, они приходят к вам как аспиранты и хотят работать над исследовательскими проектами. А этим студентам потом нужно искать работу. Вы сами уже состоявшийся ученый, у вас стабильная должность, с вами все в порядке. Но они находятся только в самом начале своей карьеры. И вы можете сказать им, как говорю я: “Если вы будете заниматься такими вещами, это может быть интересно и увлекательно, но потом вам будет сложнее найти работу в этой области”.

После этого они уже могут принять осознанное решение. Но очень часто они вполне разумно отвечают примерно так: “Пожалуйста, дайте мне заниматься тем, что позволит мне и дальше зарабатывать на жизнь физикой”. Когда вы аспирант, это не самое подходящее время для огромных профессиональных рисков. Конечно, если вы выдающийся гений, тогда прекрасно, дерзайте. Но большинству из нас приходится работать так, чтобы другие люди могли увидеть и признать ценность нашего вклада. И, опять же, здесь нет ничего злонамеренного. Никто не пытается подавлять инакомыслие или заставлять несогласных замолчать. Просто если я нанимаю постдока, то, естественно, хочу взять человека, с которым смогу совместно работать. В этом нет ничего иррационального или несправедливого. Поэтому, если у кого-то есть совершенно новый и необычный взгляд на проблему, который лично мне совсем неинтересен, то вероятность того, что я найму именно этого человека, довольно мала.

Тем более что возможность нанять постдока у меня и так появляется крайне редко. И вряд ли я потрачу эту редкую вакансию на человека, с которым, скорее всего, даже не смогу нормально сотрудничать. Именно система, сама ее структура подталкивает вас в этом направлении. Дело не в злонамеренности, не в чьей-то порочности и не в каком-то заговоре. Поэтому даже если вы уже опытный ученый и хотите работать со студентами, помогая им построить успешную карьеру, система все равно понемногу толкает вас в сторону мейнстрима, каким бы этот мейнстрим в данный момент ни был. В результате в существующей системе чрезвычайно трудно сказать: "Вот непопулярное направление. Шансы у него невелики, почти никто не считает его перспективным. Но мне кажется, что какая-то вероятность успеха все-таки есть.

Давайте вложим в него часть наших ограниченных и очень ценных ресурсов". Я бы не назвал это кризисом, но считаю это недостатком современной системы. В каком-то смысле это ее слабое место. Нам совершенно точно нужен механизм, который позволял бы поддерживать разнообразие научных подходов. И опять же, сделать это очень трудно. Например, мне самому было бы непросто сказать: “Давайте наймем человека, который работает над MOND” или “Давайте наймем исследователя, занимающегося петлевой квантовой гравитацией”. Лично я не считаю эти направления особенно перспективными. Но я считаю их серьезными научными подходами. Когда у нас в подкасте был Тим Модлин, он сказал примерно следующее. Сам он решительно выступает против эвереттовской интерпретации квантовой механики, но при этом признает, что это серьезный подход, которым кто-то должен заниматься, даже если лично он заниматься им не хочет. Мне кажется, нам нужно научиться лучше проводить подобные различия. Нужно уметь отделять друг от друга три категории. Вот подход, который мы действительно считаем перспективным.

Вот набор совершенно безумных псевдонаучных теорий. А между ними существует еще одна категория: подходы, которые лично мне не кажутся особенно перспективными, но при этом являются серьезными научными идеями. Я вполне могу ошибаться в их оценке, а значит, мы должны выделять хотя бы часть ресурсов на их поддержку. Как именно организовать такую систему на практике, я понятия не имею. Я не руковожу всей физикой, но все же хочу быть хотя бы немного справедливым. Я уже очень долго рассуждаю обо всем этом, пытаясь объяснить, почему современная физика устроена именно так и почему я не считаю происходящее настоящим кризисом. Но при этом я хочу признать, что нынешняя система далеко не идеальна. Ее совершенно точно можно улучшить. И, скорее всего, это проблема не только физики, а гораздо более общая особенность академического мира. Будь то экономика, философия, история или любая другая область, везде возникают свои модные направления.

Есть господствующие взгляды, а людям с дерзкими идеями, которых придерживается меньшинство, гораздо труднее пробиться. Все мы знаем истории о том, как такая смелая идея меньшинства в конце концов побеждала. Но нужно понимать, что такие истории крайне редки. Большинство взглядов, которых придерживается меньшинство, так и остаются взглядами меньшинства. Со временем их сторонники теряют прежний задор, а потом эти идеи постепенно исчезают, и их истории мы уже просто не слышим. Поэтому поддерживать живую, устойчивую и разнообразную интеллектуальную экосистему очень трудно. Хотелось бы, чтобы мы справлялись с этим лучше. Но можно ли назвать это кризисом? Нет, мне так не кажется. Возможно, если через 50 лет мы по-прежнему будем топтаться на месте с нашей базовой теорией, тогда уже можно будет говорить о кризисе в гораздо более конкретном смысле - как о действительно серьезной проблеме. Но, возможно, это уже стало понятно из всего сказанного, а возможно, стоит сформулировать еще яснее: да, базовая теория работает чрезвычайно хорошо, и это в каком-то смысле даже раздражает.

Однако у нас совершенно нет недостатка в открытых вопросах, на которые, судя по всему, вполне можно найти ответы. Что представляет собой темная материя? Меняется ли темная энергия со временем? Что происходит с информацией в черных дырах? Мы даже не упомянули вопрос о том, почему во Вселенной больше барионов, чем антибарионов. Каково происхождение космических магнитных полей? Существует ли единая теория известных нам взаимодействий? И так далее. Все это совершенно нормальные и важные научные вопросы. Есть и проблема иерархии. Тот факт, что БАК не дал нам ее решения, как я уже говорил, не указывает какого-то конкретного направления движения. Но, возможно, это все-таки подсказка. Может быть, природа понемногу подталкивает нас в определенную сторону. Кроме того, новые идеи иногда возникают совершенно неожиданно. Лично моя реакция на то, насколько трудно сегодня придумывать правдоподобные модели фундаментальной физики, согласующиеся со всеми данными, состояла в том, чтобы немного отступить назад и обратиться к самым основам. Попытаться заново осмыслить то, как мы понимаем квантовую механику, квантовую теорию поля и возникновение пространства-времени. И я совершенно точно хочу, чтобы все это согласовывалось с данными. Я хочу, чтобы все наши рассуждения о квантовой механике, гравитации и возникающем пространстве-времени в конечном счете приводили к экспериментально проверяемым предсказаниям.

Но я также прекрасно понимаю, что это может произойти, а может и не произойти. Я не могу просто потребовать от природы, чтобы все получилось именно так. Но пытаться нужно. Нужно постоянно помнить, что это наша конечная цель, и продолжать задавать соответствующие вопросы. Поэтому я вполне допускаю, что даже при том объеме информации, которым мы располагаем сегодня, один серьезный теоретический прорыв способен радикально изменить ситуацию. Представьте, что нам действительно удастся построить теорию, которая начинается с минималистичного эвереттовского квантового состояния в гильбертовом пространстве, затем объясняет возникновение пространства-времени и в итоге приводит к какому-нибудь конкретному предсказанию о флуктуациях ранней Вселенной, которые мы наблюдаем в космическом микроволновом фоне, или о нарушении лоренц-инвариантности, или о чем-то еще. Тогда все может измениться. Никогда не знаешь заранее. Но именно на такую работу мы и подписались. Мы стараемся изо всех сил. Природа никогда не обещала облегчать нам задачу. И дело не в том, что мы стали глупее. Люди, которые занимаются теоретической физикой сегодня, ничуть не менее умны, чем те, кто занимался ею 50, 100 или 500 лет назад. Нам приходится работать с тем, что дает нам природа, и мы стараемся делать это как можно лучше. При этом мне действительно кажется, что мы могли бы лучше поддерживать смелые идеи, которые пока остаются в меньшинстве.

Надеюсь, другие люди тоже будут об этом думать и смогут придумать какие-то умные способы такой поддержки. Лично я не из тех, кто умеет создавать новые институты и организационные структуры. Это не моя сильная сторона. Но мне хотелось бы, чтобы у людей было больше возможностей развивать нестандартные направления, особенно в ситуации, когда прогресс идет медленно. Да, фундаментальная физика продолжает развиваться. У нас появилось несколько замечательных новых идей. Но темпы прогресса и близко не сравнятся с тем, что происходило сто лет назад. Это просто факт, и его нужно признать. А когда прогресс замедляется, возможно, именно тогда и стоит чаще рисковать, пробовать необычные направления и время от времени бросать кости. Практически у каждого опытного физика-теоретика есть похожая история. В молодости ему приходит в голову интересная идея. Он идет к своему научному руководителю или более опытным коллегам и говорит: “Вот какая классная идея у меня появилась”. А ему подробно объясняют, почему она не сработает. И он отвечает: “А, понятно. Я этого не знал. Вы правы, вы гораздо опытнее и умнее меня”. А через пять лет кто-то другой публикует работу с той самой идеей и находит способ заставить ее работать. Такая история есть практически у каждого. У меня тоже. В физике невероятно легко объяснить, почему какая-нибудь идея не сработает. Гораздо труднее сказать: "Да, мне кажется, что эта идея не сработает. Но давайте все равно попробуем ее развить.

Посмотрим, что из этого получится". Когда Алан Гут написал свою первую статью об инфляционной космологии, предложенная им модель совершенно очевидно не работала. И тем не менее он опубликовал статью и прямо написал: “Послушайте, я знаю, что эта модель не работает, но, возможно, кто-нибудь сможет ее исправить”. И, конечно же, кто-то действительно смог. После этого идея продолжила развиваться. Но решиться на такое трудно. Надеюсь, со временем мы научимся лучше поддерживать подобные попытки. Я с большим оптимизмом смотрю на будущее физики. Но при этом считаю, что мы способны работать еще лучше, чем сейчас. Сейчас совершенно не время замыкаться в привычных представлениях и занимать глухую оборону. Наоборот, нужно расширять горизонты, искать хорошие идеи и относиться к ним серьезно. Кто знает, возможно, нас ждет такой прорыв, благодаря которому вторая половина XXI века окажется столь же захватывающей для физики, какой была первая половина XX века.