Один из самых странных фактов о нашей Вселенной в то же время и один из самых известных: гравитация, как взаимодействие, невероятно слаба. Слаба не в том смысле, что она не формирует галактики и не удерживает планеты на орбите — она это очевидно делает — но слаба по сравнению с другими фундаментальными силами природы. Это огромное несоответствие лежит в основе того, что физики называют «проблемой иерархии», одной из самых глубоких и стойких загадок современной теоретической физики.

На первый взгляд проблема иерархии звучит абстрактно и технически. Но за жаргоном скрывается простой, почти философский вопрос: «почему природа оперирует в таких разных масштабах энергии?» Почему гравитация так слаба по сравнению с силами, которые управляют атомами и частицами? И что это говорит нам о структуре реальности на самом фундаментальном уровне?

Не такая, как все

Современная физика описывает природу с помощью четырёх фундаментальных взаимодействий: электромагнетизма, сильного ядерного взаимодействия, слабого ядерного взаимодействия и гравитации. В повседневной жизни гравитация кажется доминирующей — когда вы роняете чашку, вы замечаете в первую очередь гравитацию, а не слабое взаимодействие. Но в микроскопическом мире гравитация практически не имеет значения.

Рассмотрим протон и электрон внутри атома водорода. Электромагнитная сила между ними примерно в 10³⁹ раз сильнее, чем их гравитационное притяжение. Нет, это не опечатка. Это означает, что если бы гравитация была хотя бы немного сильнее на уровне частиц, атомы — и, следовательно, химия, биология и жизнь — выглядели бы совершенно иначе.

Это огромное несоответствие является первым намёком на проблему иерархии. Но настоящая проблема возникает, когда мы пытаемся объединить гравитацию с квантовой физикой, особенно с теорией, которая успешно описывает три другие силы: квантовой теорией поля.

Энергетические шкалы и смысл «иерархии»

В физике частиц «взаимодействие» или «силу» часто обозначают при помощи энергетических шкал. Слабое взаимодействие, ответственное за радиоактивный распад и взаимодействие нейтрино, действует в рамках энергетической шкалы около 100 гигаэлектронвольт (ГэВ). Эта шкала тесно связана с массой частиц, таких как W- и Z-бозоны, а также с полем Хиггса, которое придаёт массу многим частицам.

Гравитация, с другой стороны, связана со шкалой Планка, примерно 10¹⁹ ГэВ — числом настолько большим, что оно затмевает всё, что мы можем исследовать экспериментально. Отношение между этими двумя шкалами составляет около 10¹⁷.

Это отношение и есть «иерархия» в проблеме иерархии.

Конечно, нельзя сказать, что физики боятся больших чисел или хотя бы беспокоятся о них просто из-за их «номинала». Их беспокоит то, что, согласно нашим лучшим теориям, это огромное различие кажется крайне неестественным. Чтобы понять почему, нам нужно рассмотреть бозон Хиггса и квантовую природу пустого пространства.

Бозон Хиггса и квантовые поправки

Поле Хиггса пронизывает всё пространство, и его ненулевое значение определяет масштаб слабого взаимодействия. Масса самого бозона Хиггса составляет около 125 ГэВ — что вполне близко к слабому масштабу. Пока всё хорошо.

Проблема возникает, когда в картину вступает квантовая механика. В квантовой теории поля частицы никогда не бывают по-настоящему изолированными. Они постоянно взаимодействуют с виртуальными частицами, появляющимися и исчезающими, даже в пустом пространстве. Эти взаимодействия вносят квантовые поправки в массы частиц.

Для большинства частиц эти поправки вполне управляемы. Но для скалярных частиц, таких как бозон Хиггса, поправки получаются особенно серьёзными. Когда физики их рассчитывают, они обнаруживают, что масса бозона Хиггса должна естественным образом стремиться к самой высокой доступной энергетической шкале — в данном случае к шкале Планка, связанной с гравитацией.

Другими словами, если честно следовать математике, масса бозона Хиггса «стремится» к значениям порядка 10¹⁹ ГэВ, а не 125 ГэВ, как на самом деле.

Единственный способ сохранить её небольшим — это волшебная компенсация: огромные квантовые вклады должны компенсировать друг друга с точностью до более чем 30 знаков после запятой. Такой деликатный баланс известен как «тонкая настройка», и многие физики считают такое объяснение работы природы глубоко неудовлетворительным.

Почему природа должна быть настроена так тонко? Почему слабая шкала должна быть такой крошечной по сравнению с гравитационной шкалой, если только не существует какой-то более глубокий механизм, обеспечивающий это?

Это и есть проблема иерархии в её наиболее острой форме.

Почему это больше, чем эстетический дискомфорт физиков

Можно спросить: почему бы не принять точную настройку как данность? В конце концов, во Вселенной есть много параметров, которые мы просто измеряем и двигаемся дальше.

Ответ отчасти исторический. В прошлом появление подобной точной настройки параметров часто оказывалась сигналом к тому, что где-то за углом нас ждёт новая физика. Стабильность массы электрона, почти полное равенство электрических зарядов и упорно не желающий распадаться протон привели к более глубоким теориям, которые объяснили то, что когда-то казалось неестественным.

Проблема иерархии выглядит чем-то похожим. Она предполагает, что наша текущая теория — Стандартная модель физики частиц плюс гравитация — неполна. Чего-то не хватает, чтобы стабилизировать массу Хиггса и объяснить огромный разрыв между слабыми и гравитационными масштабами.

Это ожидание десятилетиями направляло теоретическую физику и формировало дизайн экспериментов, в частности, таких знаменитых, как Большой адронный коллайдер.

Предлагаемые решения: симметрия, геометрия и выбор

На протяжении многих лет физики предлагали несколько общих классов решений проблемы иерархии. Ни одно из них пока не подтверждено экспериментально, но каждое предлагает своё видение того, что лежит за пределами известной физики.

1. Суперсимметрия

Суперсимметрия постулирует новую симметрию между частицами материи и частицами, переносящими взаимодействия. Для каждой известной частицы предлагается существование более тяжёлого «суперпартнера». Эти партнёры изменяют квантовые поправки к массе Хиггса таким образом, что вклады естественным образом компенсируются без необходимости «тонкой настройки».

Долгое время суперсимметрия была ведущим кандидатом в качестве решения. Она математически элегантна и естественным образом вписывается в теории, которые пытаются объединить все силы, включая гравитацию. Однако, несмотря на обширные поиски, суперпартнеров никто пока не обнаружил, что заставляет физиков пересматривать вопрос простоты и естественности этой самой суперсимметрии.

2. Дополнительные измерения

Другая идея заключается в том, что гравитация только кажется слабой, потому что она распространяется, как бы утекает в дополнительные пространственные измерения за пределами знакомых нам трёх. Другие силы ограничены низкоразмерной «браной», в то время как гравитация проникает в дополнительные измерения, разбавляя свою кажущуюся силу.

В таких моделях истинная фундаментальная шкала гравитации может быть гораздо ближе к слабой шкале, что полностью устраняет проблему иерархии. Хотя эта идея звучит экзотично, она математически последовательна и приводит к конкретным экспериментальным предсказаниям. Однако пока нет никаких доказательств существования дополнительных измерений в доступных масштабах.

3. Композитный Хиггс и новая динамика

Некоторые теории предполагают, что бозон Хиггса вовсе не является фундаментальной частицей, а представляет собой композитный объект, состоящий из более простых составляющих, связанных между собой новым сильным взаимодействием. В этой картине масса Хиггса естественным образом ограничивается динамикой этого взаимодействия, подобно тому, как масса протона определяется сильным ядерным взаимодействием, а не произвольными параметрами.

Эти модели предсказывают появление новых частиц и взаимодействий при энергиях, ненамного превышающих слабый масштаб, что в принципе делает их проверяемыми — хотя, опять же, пока мы не наблюдаем никаких явных сигналов.

4. Антропный принцип

Более спорный подход отказывается от поиска динамического объяснения. Вместо этого он предполагает, что гравитация слабая, потому что только во вселенных с таким её масштабом могут существовать сложные структуры, химия и в итоге задающиеся подобными вопросами наблюдатели.

С этой точки зрения, проблема иерархии не решается с помощью механизма, а объясняется отбором: мы наблюдаем именно эту иерархию, потому что в противном случае нас не было бы здесь, и мы не могли бы наблюдать подобное. Эта идея часто появляется в контексте мультивселенной, где разные области реальности имеют разные физические константы.

Многие физики не согласны с этим объяснением, считая его отступлением от предсказуемой науки. Другие утверждают, что это может быть единственным объяснением, совместимым с тем, что мы наблюдаем.

Современное положение дел

Проблема иерархии остаётся нерешённой. Эксперименты подтвердили Стандартную модель с поразительной точностью, включая существование и свойства бозона Хиггса, но пока не выявили «новую физику», на появление которой многие надеялись.

Это создаёт напряжённость в самом сердце современной физики. С одной стороны, наши теории убедительно показывают, что что-то должно защищать слабую шкалу от квантовой нестабильности. С другой стороны, природа упорно молчит о том, что это такое.

Возможно, новая физика существует, но она недосягаема и ждёт более мощных экспериментов. Также возможно, что само наше понятие естественности нуждается в пересмотре — например, может статься, что Вселенная просто действительно вот так точно настроена, и нам придётся научиться жить с этим фактом.

Проблема, выводящая исследователей за свои рамки

Проблема иерархии — это не просто техническая загадка про какие-то там числа в уравнениях. Она помогает нам разбираться в том, как должны работать физические теории, что считается объяснением и насколько глубоко математика отражает реальность.

Независимо от того, предполагает ли её решение новые симметрии, скрытые измерения, незнакомую динамику или радикальное изменение точки зрения, проблема иерархии продолжает формировать вопросы, которые физики задают о Вселенной. В этом смысле её наибольшая ценность может заключаться не в ответах, которые мы можем дать, а в интеллектуальном давлении, которое она оказывает, подталкивая нас выглядывать за пределы того, что мы уже знаем, и задаваться вопросом, почему Вселенная устроена именно так, а не иначе.

© 2025 ООО «МТ ФИНАНС»