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

15 декабря 2015 года. Как и тысячи моих коллег по всему миру, я смотрю прямую трансляцию из ЦЕРН. Сегодня коллабораторы, проводившие два самых масштабных эксперимента на Большом адронном коллайдере – CMS и ATLAS, – представят свои первые результаты со второго запуска, измерения на беспрецедентно коротких расстояниях.

Джим Олсен из команды CMS выходит на сцену. Он начинает разъяснять устройство детектора и применявшиеся методы анализа. Как бы мне хотелось перемотать эту часть… Не исключено, что настал день, когда Стандартная модель начнет разваливаться, – я хочу увидеть данные, а не фотографии магнитов!

При первом запуске проявились некоторые небольшие отклонения от предсказаний Стандартной модели. Подобные отклонения могут – и часто так и происходит – возникать случайно, в результате хаотических флуктуаций. Поэтому ученые любому отклонению от их действующих лучших теорий приписывают показатель достоверности, определяемый как вероятность того, что это отклонение – чистейшая случайность. Выпадающие значения в данных с первого запуска имели шансы оказаться случайными примерно 1 к 100. Такие флуктуации возникают все время и исчезают все время, так что не было никаких причин для волнения.

Олсен переходит к результатам эксперимента CMS. Действительно, надежность всех флуктуаций с первого запуска упала, то есть они почти наверняка были случайным шумом. Дальше ученые проанализировали данные со второго запуска, ища отголоски популярных в последнее время идей. И не нашли ничего: ни признаков дополнительных измерений, ни суперпартнеров, ни мини-версий черных дыр, ни четвертого поколения фермионов. Под пристальным вниманием со стороны прессы большинство заявлений звучат как череда нулевых результатов. Интересно, как Гордон Кейн это воспринял, думается мне.

Но затем, уже в самом конце, Олсен объявляет о новом отклонении от Стандартной модели: зарегистрировано слишком много распадов, в результате которых возникла пара фотонов. Прозванный «дифотонной аномалией», этот излишек не вписывается ни в одно из существующих предсказаний. Он не совместим со Стандартной моделью. Не совместим с любой из известных нам теорий. После этого Олсен передает слово Маруми Кадо из команды ATLAS.

Отчет Кадо почти идентичен олсеновскому. Прежние флуктуации исчезли, но ATLAS тоже зарегистрировал дифотонный излишек. Тот факт, что он был независимо зарегистрирован в обоих экспериментах, существенно снижает риск, что сигнал этот – чистая случайность. Вместе два эксперимента дают шансы 3 к 10 000, что излишек – хаотическая флуктуация и ничего больше. Это все еще очень далеко от стандарта надежности, которого специалисты по физике элементарных частиц придерживаются, когда объявляют о новом открытии, – примерно 1 к 3 500 000. Но вдруг это оно, думаю я, первый шаг на пути к более фундаментальному закону природы? Немедленно мы все начинаем обсуждать, что бы это могло быть.

Сутки спустя в бесплатном архиве статей и препринтов arXiv.org значится десять новых статей о дифотонной аномалии.

• У физиков-теоретиков вагон претензий к обнаруженным пока законам природы. Особенно не жалуют они неестественные числа.

• Естественность использовалась в качестве руководящего принципа при разработке теорий как минимум с XVI столетия. Иногда этот принцип срабатывал, иногда нет.

• Естественность – не математический критерий. Это математически сформулированное требование красоты. Отсутствие каких-либо успехов на счету естественности не оправдывает ее использования даже как основанной на опыте.

В которой я ищу пределы науки, но обнаруживаю, что воображение физиков-теоретиков поистине неисчерпаемо. Я лечу в Остин, позволяю Стивену Вайнбергу говорить сквозь меня и осознаю, сколько же мы делаем, просто чтобы убежать от скуки.

Возможно, вас удивит утверждение, что у Баха очень много общего с «Битлз».

В 1975 году Ричард Восс и Джон Кларк, два физика из Беркли, изучали шум электронных устройств 69. Шутки ради они применили потом тот же метод к разным типам музыки. Каково же было их удивление, когда выяснилось, что разные типы музыки – западная и восточная, классическая, блюз, джаз – все обладают общим свойством: хотя высота и громкость звуков сами по себе в разных стилях музыки различаются, количественно различия всегда сглаживаются с обращением частоты (это называют «1/ f -спектром»).

У 1/ f -спектра нет – теоретически – никакой типичной временно́й шкалы, вопреки ожиданию, согласно которому разные ритм и метр характеризуют различные типы музыки. Исследование, таким образом, выявило, что звуковые паттерны в музыке обладают самоподобием, или «корреляциями», и это справедливо для всех временны́х масштабов. Белый шум имел бы постоянный спектр и никакой корреляции между колебаниями. Случайный сдвиг мелодии между близкими звуками имел бы сильную корреляцию и 1/ f 2-спектр. Где-то посередине, как показали Восс и Кларк, располагаются Бах, «Битлз» и все остальное, что вы слышите по радио [55] Бах, разумеется, начал сочинять музыку не в момент Большого взрыва, и люди способны различать только небольшой диапазон частот. Поэтому фраза о том, что корреляции есть на «всех» временны́х масштабах, означает, конечно, в продолжение звучания композиции и в слышимом диапазоне частот. Реальная музыка, таким образом, на самом деле имеет не идеальный 1/ f -спектр, а лишь приближается к нему в некоторых пределах. Но все равно универсальность – интересное открытие. .

На интуитивном уровне это означает, что музыка балансирует на границе между предсказуемостью и непредсказуемостью. Когда мы включаем радио, то хотим, чтобы нас удивили, но не слишком сильно. Вполне очевидно, что поп-музыка строится по довольно простым рецептам, поэтому-то вы можете подпевать, когда повторяются припевы.

Думаю, это наблюдение насчет музыки распространяется и на другие области человеческой деятельности. В искусстве, литературе, науке мы тоже хотим, чтобы нас удивляли, но не чересчур. В научных статьях также нужно соблюдать золотую середину между старым и новым, хотя тут провести расчеты сложнее, чем со звуковыми узорами. Новизна – это прекрасно, но только если не требует слишком многого от воспринимающих ее. Настоящие поп-звезды, как и поп-звезды науки, – это те, кто существует на самом острие, кто заставляет нас хлопать себя по лбу, бормоча: «Как же я сам до этого не додумался?!»

Однако в науке, в отличие от искусства, на идеях ничего не заканчивается, они не замкнуты сами на себя, а призваны описывать окружающий мир. В науке новые данные могут вынуждать нас к внесению изменений. Но что, если новых данных нет? Тогда мы переизобретаем хиты прошлого, более или менее очевидными способами. И новые теории в физике, как новые эстрадные песни, остаются вариациями на уже знакомые темы.