Шон Кэрролл - Частица на краю Вселенной. Как охота на бозон Хиггса ведет нас к границам нового мира
Плохая новость заключается в том, что это многообразие бран натолкнуло струнных теоретиков на мысль о том, что существует еще больше способов для компактифакции дополнительных измерений. Отчасти это было вызвано попытками найти компактификации, при которых энергия вакуума оказалась бы положительной. Большую роль тут сыграло и открытое в 1998 году ускоренное расширение Вселенной. Это один из тех редких случаев, когда продвижение в теории струн было спровоцировано экспериментальным результатом. Лиза Рэндалл и Раман Сундрум использовали теорию бран и создали совершенно новый вид компактификации, в которой пространство между двумя бранами «деформируется». Их работа привела к появлению большого разнообразия новых подходов в физике элементарных частиц, в том числе к новым способам решения проблемы иерархии.
Этот результат, к сожалению, вероятнее всего похоронил последние надежды на то, что, найдя «правильную» компактификацию, можно каким-то образом связать теорию струн со Стандартной моделью. Количество компактификаций, о которых мы говорим, трудно оценить, хотя предполагаемый ответ крутится вокруг цифры цифра 10500. Это большое число, особенно когда перед нами стоит задача найти среди них одну-единственную компактификацию, согласующуюся со Стандартной моделью.
Чтобы устранить это препятствие, некоторые сторонники теории струн использовали другой подход: вместо того, чтобы искать одну истинную компактификацию, они допускают, что разные части пространства-времени имеют различные компактификации, и каждая компактификация где-то реализуется. Поскольку компактификации определяют частицы и силы, существующие при низких энергиях, из этого следует, что в разных областях пространства должны работать различные законы физики. И тогда мы можем назвать каждую такую часть отдельной «вселенной», а все их множество – «множественной вселенной».
На первый взгляд, при таком подходе любые попытки сделать проверяемые предсказания в принципе невозможны. Однако сторонники концепции множественной вселенной утверждают, что надежда еще не потеряна. Во многих частях множественной вселенной, мультивселенной, – утверждают они – условия совершенно не подходят для разумной жизни, и она не может возникнуть либо потому, что нет соответствующие сил, либо потому, что энергия вакуума настолько велика, что из-за быстрого расширения этой вселенной отдельные атомы разорвутся на части. Проблема в том, что мы не очень хорошо понимаем условия, при которых может появиться жизнь. Однако оптимисты продолжают надеяться на то, что если мы преодолеем такие нашу земную зашоренность, то сможем представить, что в действительности типичные наблюдатели в множественной вселенной должны были бы наблюдать. Другими словами, даже если мы не видим другие «вселенные» непосредственно, мы могли бы использовать идею множественной вселенной, чтобы делать проверяемые предсказания. Один из основных принципов космологии – «антропный принцип»[15] – говорит о том, что на нас действует сильный эффект отбора, ограничивающий условия, которые мы можем наблюдать, только теми, которые соответствуют нашему существованию.
Это амбициозная гипотеза, и, возможно, проверить ее не удастся. Но ученые пытаются продвинуться в этом направлении, и, в частности, они применили антропный принцип к определению свойств бозона Хиггса. Это коварная область: еще в 1990 году Михаил Шапошников и Игорь Ткачев, пытаясь предсказать значение массы бозона Хиггса при некоторых антропных предположениях, пришли к выводу, что масса частицы должна быть равна 45 ГэВ. Как мы теперь понимаем, это значение явно не согласуется с экспериментальными данными, так что в тех предположениях что-то было неправильным. В 2006 году другая группа уже при других предположениях предсказала значение 106 ГэВ, что ближе к правильному значению, но все еще далеко. Теперь, когда нашли бозон Хиггса при 125 ГэВ, маловероятно, что многие другие прогнозы, в которых по той или иной причине не удавалось получить это значение, будут опубликованы.
Ради справедливости мы должны упомянуть самый впечатляющий успех антропного принципа – предсказание величины энергии вакуума. В 1987 году – более чем за десять лет до открытия ускорения Вселенной – Стивен Вайнберг заметил, что очень высокая (или большая и отрицательная) энергия вакуума будет мешать образованию галактик. Таким образом, большинство наблюдателей в мультивселенной должно увидеть небольшое, но отличное от нуля значение энергии вакуума. (Ноль допускается, но ненулевых чисел больше чем чисел, равных нулю.) Значение, которое мы видим (или думаем, что видим), вполне согласуется с предсказанием Вайнберга. Конечно, Вайнберг неявно представлял такую мультивселенную, в которой только значение энергии вакуума меняется от места к месту, а если мы позволим и другим параметрам изменяться, согласие становится гораздо менее впечатляющим.
Несмотря на пессимистичный и даже ворчливый тон, в котором написан этот раздел, я считаю сценарий мультивселенной на самом деле довольно правдоподобным. (В книге «Из вечности в сегодня», я предположил, что эта концепция может быть использована для объяснения малого значения энтропии в ранней Вселенной.) Если теория струн или какая-либо другая теория квантовой гравитации допускает различные проявления локальных законов физики в различных областях пространства-времени, множественная вселенная может быть реальной, независимо от того, способны ли мы наблюдать ее или нет. Я всегда серьезно отношусь к разным правдоподобным теориям, однако на данном уровне развития мы очень далеки от того, чтобы превратить концепцию мультивселенной в предсказательную теорию физики элементарных частиц. Мы не можем позволить нашим личным антипатиям повлиять на оценку космологических сценариев, но мы также не можем позволить своему излишнему энтузиазму помешать их критическому осмыслению.
Двигаемся дальше
В микромире еще многое предстоит изучить, и еще много проблем физики элементарных частиц остается за пределами Стандартной модели. Почему во Вселенной оказалось больше материи, чем антиматерии? В нескольких сценариях происхождения такой асимметрии используется гипотеза о космологической эволюции поля Хиггса, так что более глубокое понимание его свойств, возможно, приведет к новому пониманию проблемы материи и антиматерии. Есть также интересные модели типа «техницвета», в соответствии с которой бозон Хиггса является составной частицей, как и протон, а не чем-то фундаментальным.
Открытие бозона Хиггса – это не конец физики элементарных частиц. Бозон Хиггса оставался последним элементом Стандартной модели, но он открыл ворота в физику за рамками этой модели. В ближайшие годы мы будем использовать бозон Хиггса для поисков (и, надеюсь, изучения) темной материи, суперсимметрии, дополнительных измерений и всех других явлений, необходимых для объяснения поступающих в изобилии новых данных. Открытие бозона Хиггса – это конец одной эпохи и начало другой.
Глава 13
Ради чего стоит защищать родину
Почему стоит заниматься физикой элементарных частиц и что будет с ней дальше
В 1969 году Роберта Уилсона, руководившего строительством Фермилаба, вызвали на заседание Объединенного комитета по атомной энергии при Конгрессе США, чтобы помочь сенаторам и представителям нижней палаты понять, для решения каких задач предназначен этот многомиллионный проект. Тот день стал поворотным в истории физики элементарных частиц в США. Манхэттенский проект по разработке атомной бомбы создал у физиков ощущение своего могущества и легкости получения денег на свои проекты. Но сейчас политики задумались, даст ли поиск новых элементарных частиц стране к что-то столь же ценное, как, например, новый вид мощного вооружения. Сенатор Джон Пасторе от штата Род-Айленд прямо спросил Уилсона: «Сможет ли этот ускоритель каким-то образом усилить безопасность страны?», на что Уилсон искренне ответил: «Нет, сэр, не думаю».
Можно представить, как озадачили сенатора слова Уилсона – скорее всего, он ожидал услышать ритуальные заявления о том, что конечно же, лаборатория Ферми сыграет решающую роль в поддержании баланса сил с Советским Союзом. Этот аргумент в те годы срабатывал для обоснования любых капиталовложений, и сенатор переспросил, действительно ли нет вообще никаких надежд на это, и опять Уилсон просто ответил: «Вообще никаких». Но нельзя стать сенатором, не обладая определенным упрямством, и Пасторе предпринял третью попытку получить нужный ответ, и чтобы удостовериться точно, что он правильно понял ответ Уилсона, переспросил еще раз: «Действительно ли ускоритель не представляет никакой ценности в этом отношении?»
