Сабина Хоссенфельдер - Уродливая Вселенная [Как поиски красоты заводят физиков в тупик]

В XVI веке Николай Коперник создал убедительную доказательную базу для гелиоцентрической системы на том основании, что она упрощала движение планет, однако вопрос параллаксов оставался. Проблема заключалась не только в том, что звезды должны были располагаться значительно дальше любого другого объекта Солнечной системы. Дело осложнялось еще и тем, что Коперник и его современники неверно оценили размеры звезд.

Свет от далекого источника, проходя через круговую диафрагму – глаза или телескопа, – размазывается и выглядит более широким пятном, но до XIX века этого еще не понимали. Из-за такого визуального дефекта астрономы времен Коперника ошибочно считали звезды куда большими, чем те есть на самом деле. Итак, в гелиоцентрической модели неподвижные звезды должны были находиться очень далеко – и все равно через телескоп казаться большими, а это означало, что они должны быть громадными, значительно крупнее нашего Солнца.

Тихо Браге считал, что столь разительно отличающиеся числа абсурдны, и поэтому отверг идею, согласно которой Земля будто бы обращается вокруг Солнца. А взамен предложил свою собственную модель, в которой Солнце вращалось вокруг Земли, а другие планеты бегали вокруг Солнца. В 1602 году он выступил против гелиоцентризма, ибо

следует соблюдать в этих вопросах некую приличествующую соразмерность, чтобы предметы не простирались в бесконечность, а истинная гармония творений и видимых объектов, связанная с размерами и удаленностью, не была отвергнута: следует сохранять эту гармонию, ибо Бог, создатель вселенной, любит надлежащий порядок, а не беспорядок и сумятицу 61.

Вот эти «приличествующая соразмерность» и «надлежащий порядок» – фактически сегодняшний критерий естественности.

Теперь мы знаем, что большинство звезд сравнимы по размеру с нашим Солнцем и нет ничего неестественного в огромных расстояниях между ними и нами. Типичные расстояния между нашей Солнечной системой и другими звездами Млечного Пути, как и расстояние от нас до других галактик, определяются тем, как вещество скучивается под действием собственного гравитационного притяжения по мере того, как Вселенная расширяется. Эти расстояния не остаются неизменными и не служат фундаментальными параметрами ни одной теории.

Но идея, что большие числа якобы требуют объяснения, укоренилась 62. В 1937 году Поль Дирак заметил, что возраст Вселенной, деленный на время преодоления светом радиуса атома водорода, приблизительно равен 6 × 10 39. Примерно таково же и отношение сил электрического и гравитационного взаимодействий между электроном и протоном, равное 2,3 × 10 39. Не точно такое же, да, но довольно близкое, поэтому Дирак допустил, что эти числа имеют одинаковое происхождение. И что не только эти числа должны быть связаны, а «любые два очень больших безразмерных числа, встречающиеся в Природе, связаны между собой простым математическим соотношением, в котором коэффициенты определяются порядком величины [49] Это такой причудливый способ сказать, что коэффициенты должны быть близки к 1. ».

Это утверждение стали называть гипотезой больших чисел Дирака.

Однако в своей игре с числами Дирак использовал константу, которая вообще-то константой не является, – возраст Вселенной. Это значит, что для сохранения постулированного равенства другие постоянные природы тоже должны изменяться с течением времени. В результате возник вал следствий, касающихся формирования структур во Вселенной, который привел гипотезу к несовместимости с наблюдениями 63.

В применении к конкретным величинам, которые он выбрал, гипотеза больших чисел Дирака сегодня не считается принципиально важной. Однако суть его идеи – что большие числа требуют объяснения или оно по крайней мере желательно, если несколько чисел имеют общее происхождение, – до сих пор активно используется. Так, физики заметили, что появление подозрительно больших или маленьких чисел может выдавать присутствие новых, доселе не учтенных эффектов. Это укрепило веру физиков в то, что тонкая настройка служит ярким маяком, сигнализирующим о необходимости пересмотра и переработки.

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

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

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

В физике элементарных частиц отсутствие численных случайностей обрело математическую формулировку и называется «технической естественностью» [51] Определение «технической естественности» восходит к Герарду Хоофту. Он постулировал, что, когда бы в квантовой теории поля ни возникло подозрительно маленькое число, должна отыскаться и симметрия, при которой число обнуляется, так что малость защищена симметрией. Правда, это первоначальное определение уже обобщено и означает, что должно быть какое-то объяснение маленьким числам – симметрия или что-то еще. См.: Hooft G. et al. 1980. Recent developments in gauge theories . New York: Plenum Press, p. 135. . Как ни странно, вся Стандартная модель технически естественна, если не считать неприятностей с массой бозона Хиггса. Даже для составных частиц, склеенных сильным ядерным взаимодействием, все массы технически естественны, за единственным исключением: массы трех мезонов (одного нейтрального пиона и двух заряженных) подозрительно близки друг к другу. Если взять разность квадратов масс заряженного и нейтрального пионов и разделить на квадрат самих масс, результат окажется неестественно мал. Герой снова в опасности: прижатый к стене, смотрит в направленное на него в упор дуло пистолета.