Космический ландшафт. Теория струн и иллюзия разумного замысла Вселенной - Леонард Сасскинд

Существует по крайней мере одна очень необычная особенность Законов Физики, которая выглядит как очень тонкая настройка и при этом не требует антропного объяснения. Она имеет отношение к протону, но сначала рассмотрим свойства его почти близнеца – нейтрона. Нейтрон является примером нестабильной частицы. Не связанные внутри ядра нейтроны живут около 12 минут, прежде чем распасться. Разумеется, нейтрон имеет массу, или, что эквивалентно, энергию, которая не может исчезнуть просто так. Энергия – это величина, которую физики считают сохраняющейся. Это означает, что общее количество энергии никогда не может измениться. Примером ещё одной строго сохраняющейся величины является электрический заряд. Когда нейтрон распадается, его должно заменить что-то с той же суммарной энергией и электрическим зарядом. В природе нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино. Начальные и конечные энергия и электрический заряд в этой реакции одни и те же.

Почему нейтрон распадается? А если бы этого не происходило, то логичным был бы вопрос, почему он не распадается? Как однажды заметил Мюррей Гелл-Манн, цитируя Теренса Уайта: «Все, что не запрещено, то обязательно». Этой фразой Гелл-Манн хотел выразить одну особенность квантовой механики, являющуюся следствием квантовых флуктуаций: всё, что не запрещено законами природы, рано или поздно происходит.

А что относительно протонов? Может быть, они тоже распадаются, и если да, то на что они распадаются? Самым простым вариантом может быть распад протона на фотон и позитрон. Фотон не имеет заряда, протон и позитрон имеют одинаковые заряды. Поэтому нет причин, которые могли бы помешать протонам распадаться на фотоны и позитроны. Не существует никакого физического принципа, который бы запрещал это. Большинство физиков считают, что если предоставить протону достаточно времени, он в конце концов распадётся.

Но если протон может распадаться, это означает, что могут распадаться и все атомные ядра. Мы знаем ядро атома водорода как самое стабильное из всех известных нам атомных ядер. Время жизни протона должно во много раз превышать возраст Вселенной.

Должна быть причина, по которой протон живёт так долго. Может быть, эта причина имеет антропный характер? Конечно, наше существование налагает определённые ограничения на время жизни протона. Оно, очевидно, не может быть слишком малым. Предположим, что протон жил бы один миллион лет. Тогда мне не пришлось бы беспокоиться о том, что за время моей жизни распадётся слишком много протонов, но поскольку возраст Вселенной составляет более 10 миллиардов лет, то если бы протон жил только один миллион лет, все протоны распались бы задолго до моего рождения. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона намного превышает продолжительность человеческой жизни. Протон должен жить по крайней мере 14 миллиардов лет.

На самом деле, с позиции антропного принципа, время жизни протона должно намного превышать возраст Вселенной. Предположим, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет. Распад нестабильных частиц – непредсказуемое событие, которое может произойти в любое время. Говоря, что время жизни протона составляет 20 миллиардов лет, мы имеем в виду среднюю статистическую продолжительность жизни, но при этом какие-то протоны распадутся в течение одного года, а какие-то доживут до триллиона.

Наше тело состоит из приблизительно 1028 протонов. При средней продолжительности жизни протона в 20 миллиардов лет примерно 1018 протонов человеческого тела распадутся в течение одного года.[67] Это очень незначительная часть ваших протонов, поэтому нет нужды беспокоиться, что вы распадётесь вслед за ними, но каждый протон, распадаясь, рождает высокоэнергетические частицы: фотоны, позитроны и пионы. Эти частицы, пролетая через человеческое тело, оказывают такое же воздействие, как радиация, – убивают живые клетки. Если в течение года в человеческом теле распадутся 1018 протонов, это, безусловно, убьёт человека. Таким образом, антропное ограничение на время жизни протона оказывается гораздо более сильным, чем кажется на первый взгляд. Насколько мы можем судить, время жизни протона должно не менее чем в миллион раз превышать время жизни Вселенной, то есть составлять не менее 1016 лет, – только так можно избежать угрозы для существования жизни. На антропных основаниях следует исключить из списка пригодных для жизни долин Ландшафта все, где время жизни протона составляет меньше 1016 лет.

Но нам известно, что протон живёт значительно дольше 1016 лет. В цистерне с водой содержится примерно 1033 протонов, и если мы ожидаем увидеть один распад протона в течение года, время жизни протона должно составлять 1033 лет. В надежде зафиксировать распад протона физики построили огромные подземные цистерны с водой, оборудованные фотоэлектрическими датчиками. Сложные современные детекторы способны обнаружить вспышку света от единственной распавшейся частицы. Но пока всё тщетно. За всё время этих экспериментов не зафиксировано ни одного распада протона. Это свидетельствует о том, что время жизни протона существенно превышает 1033 лет, но причина такой долговечности протона неизвестна.

Проблему усугубляет тот факт, что мы не знаем ни одной причины, по которой ландшафт теории струн не мог бы содержать долин, в которых Законы Физики пригодны для жизни, но где протоны живут только 1016–1017 лет. Потенциально количество таких долин может значительно превышать количество долин, более благоприятных для жизни.

Всё это вызывает серьёзную озабоченность, но, скорее всего, не остановит работу над теорией. К сожалению, мы не обладаем достаточной информацией о Ландшафте, чтобы оценить, какой процент его обитаемых долин содержит столь долгоживущие протоны. Но основания для оптимизма есть. Стандартная модель без дополнительных модификаций не допускает распада протона. Этот запрет не имеет ничего общего с антропным принципом. Это просто математическое свойства стандартной модели, запрещающее распад протона. Если типичная обитаемая долина требует чего-то, похожего на Стандартную модель, стабильность протона может прилагаться к ней в качестве бонуса.

Но нам известно, что Стандартная модель неполна. Она не включает гравитацию. Несмотря на то что Стандартная модель очень хорошо описывает поведение элементарных частиц, она должна быть заменена другой, более полной. Есть много претендентов на замену Стандартной модели. Например, теория под названием Теория великого объединения, которая, несмотря на претенциозное название, видится весьма перспективной. Простейшее обобщение Стандартной модели на Теорию великого объединения даёт оценку времени жизни протона порядка 1033–1034 лет.

Существуют и другие расширения Стандартной модели, которые не так хорошо разработаны. Одно из них, основанное на суперсимметрии, приводит к значительно меньшему времени жизни протона и требует корректировки. Необходимо получить гораздо больше информации, прежде чем мы сможем делать далеко идущие выводы. К счастью, эксперименты в области физики элементарных частиц в ближайшем будущем, я надеюсь, смогут пролить свет как на справедливость Стандартной модели, так и на причины необычной стабильности протона. Оставайтесь с нами – продолжение через несколько лет.

Философские возражения

В аннотации к статье «Научные альтернативы антропного принципа» физик Ли Смолин[68] пишет:

«В работе подробно объясняется, почему антропный принцип не может дать каких-либо фальсифицируемых предсказаний и поэтому не может быть частью науки».

Во введении к статье он продолжает: «…я намеренно выбрал такое провокационное название, чтобы выразить то чувство разочарования, которое я испытывал на протяжении многих лет, наблюдая, как здравомыслящие люди, многие из которых являются уважаемыми и вызывающими восхищение учёными, поддерживают подход к космологической проблеме, ненаучность которого видна невооружённым глазом. Я имею в виду, конечно, антропный принцип. Называя его ненаучным, я имею в виду вполне конкретную вещь, которая является неотъемлемым атрибутом любой гипотезы или теории, претендующей на право считаться научной. Эта вещь называется фальсифицируемостью. Согласно [философу] Попперу, теория является фальсифицируемой, если на её основе можно получить однозначные предсказания для постановки экспериментов, возможные отрицательные результаты которых в принципе могли бы рассматриваться в качестве опровержения по крайней мере одного положения этой теории».

Ричард Фейнман однажды заметил: «Философы много говорят о том, что абсолютно необходимо для науки, и это всегда, насколько можно видеть, довольно наивно и, вероятно, неверно». Фейнман имел в виду среди прочих и Поппера. Большинство физиков типа Фейнмана обычно не жалуют философию своим вниманием, если только они не пытаются использовать её для доказательства ненаучности чужой теории.