«Кризис физики в том, что кризиса нет»

В ближайшие дни в музее «Атом» на ВДНХ начнутся «Атомные дискуссии» — ведущие ученые будут публично дискутировать о самых актуальных проблемах науки, текущих вызовах и способах их преодоления. О том, можно ли назвать ситуацию в физике тупиком или кризисом, мы беседуем с научным куратором «Атомных дискуссий», известным популяризатором науки, доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией теории фундаментальных взаимодействий в Физическом институте имени Лебедева РАН Алексеем Семихатовым.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

— Алексей Михайлович, начать наш разговор хотелось бы с неприятной темы. С конца XIX века и до второй половины ХХ века человечество пережило удивительные изменения в научно-технической сфере, что во многом было порождено успехами физических наук, в частности в сфере изучения электромагнитных и ядерных явлений. Но в последние десятилетия, если не считать развития информационных технологий, прогресс как будто замедлился. Можно ли сказать, что физика в кризисе?

— Не стоит путать науку и технологии, но вы отчасти правы. ХХ век принес колоссальные изменения — собственно, смену парадигмы. Правда, как раз электромагнитная теория была завершена Максвеллом в середине XIX века, а два основных изменения в парадигме ХХ века — это теория относительности и квантовая теория, открывшая нам путь к управлению материей. Когда мы хотим сделать что-то необычное из области материалов или лекарств или с помощью химических реакций, нам требуется действительно тонкая настройка на фундаментальном, квантовом уровне. Отдельными квантами мы манипулируем и в квантовом компьютере. Квантовая механика «ответственна» за создание новых материалов, за оптические, магнитные и другие свойства твердых тел, причем с выходом на технологии — например, по созданию сверхчувствительных сенсоров, позволяющих определять изменения гравитационного поля от точки к точке на основе замедления времени. Но, вы правы, научных переворотов давно что-то не было. Кризис состоит, наверное, в том, что не было кризиса — не было смены парадигмы. Последняя смена парадигмы произошла ровно 100 лет назад, когда появилась квантовая механика.

— Но был прорыв в изучении Вселенной…

— Да, в 1960-е годы произошел значительный прорыв, астрофизика стала точной наукой, и в результате мы стали по-другому воспринимать Вселенную. А кризис — если мы хотим говорить про кризис — можно усмотреть в самой фундаментальной, по определению, области физики — в изучении фундаментальных свойств материи. Мы знаем не только про электроны, но также про протоны и нейтроны и про то, что протоны и нейтроны состоят из кварков. Знаем, что есть еще нейтрино, и знаем, какие взаимодействия имеются между всеми ними. Наша лучшая теория мироздания называется Стандартная модель. Она описывает самые фундаментальные составные части мира, но мы про нее знаем, что она неполна и не может быть везде точной. Нам ужасно хочется ее расширить, потому что это был бы прорывной момент в познании того, в какой вселенной мы живем. Но этого не удается сделать: Стандартная модель оказалась настолько удачной, что очень точно описывает все то, что мы можем измерить в эксперименте. Колоссальные были надежды, что вслед за бозоном Хиггса на Большом адронном коллайдере откроют явления, которые Стандартная модель не предсказывает. Но нет, этого не случилось. В эффектах, которые там можно точно измерить, мы не видим убедительных расхождений с предсказаниями Стандартной модели. А расхождение теории и эксперимента — это топливо для науки. Наука движется вперед, когда есть несогласие между предсказаниями и наблюдениями. Кстати, об «Атомных дискуссиях» в музее «Атом»: мы собираемся там в доступной для всех форме обсуждать передний край науки, то есть превращение незнания в знание, и здесь, конечно, есть место для столкновения гипотез и различных точек зрения.

— Итак, Большой адронный коллайдер не дал чего-то нового для Стандартной модели. Может быть, проблема в том, что это устройство маловато? Может быть, причина «кризиса отсутствия кризисов» именно в том, что есть бюджетные ограничения на мегасайенс-установки? Вот если бы у вас был неограниченный бюджет, что бы посоветовали построить?

— Не будем клеветать на ЦЕРН; там, конечно, установили и устанавливают многое для уточнения большого количества деталей относительно Стандартной модели. Дело в том, что есть ситуации, когда мы не в состоянии эффективно пользоваться уравнениями Стандартной модели. Это прежде всего проблема конфайнмента кварков — то есть невозможность их выхода за переделы протонов, нейтронов и других частиц и существования в свободном виде. Из той части Стандартной модели, которая называется квантовая хромодинамикой, должно следовать, что кварки не могут летать по вселенной по одиночке, но мы не можем в этом убедиться на языке формул. Поведение кварков в том режиме, когда они вроде бы готовы покинуть протон, но все же этого не делают, исследуется на коллайдере, да. Но чего коллайдер не смог сделать — он не смог обнаружить аномалии, то есть расхождение между предсказаниями и наблюдениями в тех случаях, когда мы можем дать надежное теоретическое предсказание. Скажем, если бы коллайдер открыл какие-то новые элементарные частицы, то отсюда следовало бы, что есть какие-то поля, о существовании которых мы до сих пор не подозреваем! Более мягкий вариант, надежда на который еще не окончательно умерла,— что удастся «поймать» косвенные проявления неизвестных частиц в известных процессах.

— В чем же проблема? Почему он этого не сделал?

— Проблема, как вы намекнули, действительно в бюджете — в первую очередь в энергетическом, ну а потому и в том, который выражается в деньгах. Дело в том, что кванты гипотетических новых полей могут оказаться очень массивными, а самая знаменитая формула всех времен и народов, ставшая уже мемом, E = m х c2, говорит, что масса и энергия — это одно и то же. Большой адронный коллайдер потому такой большой, что только на большом расстоянии мы в состоянии передать протонам необходимую энергию (которую черпают из электрической сети и за которую платят). Когда автомобили сталкиваются, скажем, на полигоне, энергия их движения уходит в деформацию металла и в конце концов в тепло, а когда сталкиваются протоны, энергия уходит в рождение новых частиц. И если ее недостаточно для того, чтобы создать частицы данной массы, они просто и не создаются.

А спрашивается, выручит ли нас коллайдер вдвое больше? Неприятная новость состоит в том, что это неизвестно. Есть термин, выражающий степень отчаяния физиков,— «калибровочная пустыня». Слово «пустыня» в данном случае означает, что вы увеличиваете энергию, но не встречаете новых частиц. И только если вы достигнете энергий, близких к тем, что были при горячем Большом взрыве, когда Вселенная была очень плотная, очень горячая и уже начала расширяться, тогда вы обнаружите все их скрытое многообразие и тем самым гораздо лучше поймете физику Большого взрыва и условия, в которых запускалась эволюция Вселенной к ее современному состоянию. Это было бы очень здорово, но мы не знаем, какой нужен коллайдер, чтобы эти частицы появились.

— Нет ли обходных путей, чтобы не строить сверхбольшой коллайдер?

— За последние годы несколько раз различные научные группы брали статистические данные результатов прошлых экспериментов и на Большом адронном коллайдере, и на других ускорителях и переанализировали их, желая найти расхождение между предсказаниями и наблюдением. Дело в том, что все результаты, которые мы получаем из работы ускорителей,— это очень большой объем статистических данных, они требуют обработки. И вот, ура-ура, была радость: обнаружилось расхождение между предсказаниями и теорией. Люди реально радовались, потому что это означало, что сейчас мы получим конкретную проблему, которой нужно будет дать объяснение. Но когда брали еще большую статистику, выяснялось, увы, что расхождений нет. Другая альтернатива — наблюдать за космосом и по оставленным в нем «следам» делать выводы об эпохе сверхвысоких энергий.

— Есть теории, которые претендуют на то, чтобы «копнуть» еще более глубокий уровень устройства материи, чем Стандартная модель,— это теория суперструн и теория петлевой квантовой гравитации. Можно ли представить эксперимент, который бы, например, позволил выбрать между этими теориями? И есть ли еще какие-то теории, кроме этих?

— Прежде чем спросить, есть что-то, кроме этих теорий, я бы задал вопрос, а есть ли они? Традиционно физика развивалась таким образом: наблюдались какие-то явления, и для них искались объяснения. Правда, из этого общего правила есть несколько очень ярких исключений. Черные дыры были открыты на бумаге и почти полвека существовали только на бумаге, в виде решения уравнений, и отношение к ним было, мягко говоря, скептическим. А еще до этого Максвелл «поправил» уравнения, которые должны были выражать известные опытные факты, предсказал таким образом факт неизвестный, а затем, найдя подходящее решение своих «поправленных» уравнений, установил электромагнитную природу света. Здесь теория обогнала практику. Но в целом физика откликается на наблюдения и, в частности, развивается, когда нужно объяснять нестыковки в наблюдениях. А две упомянутые вами концепции не служат для объяснения каких-то наблюдений! За ними стоит иная мотивировка: они являются откликом на мечту человечества.

— Мечту о чем?

— Два наших краеугольных камня в понимании мира — это квантовая теория и эйнштейновская теория гравитации, которая описывает и тонкие эффекты в Солнечной системе, и отклонение света звездами, и черные дыры, и расширение Вселенной. Но, к сожалению, эти две концепции друг с другом не дружат, и традиционные методы их «женить» друг на друге ни к чему не приводят. Теория струн — это бросок сильно в сторону, в такую область, где их удается примирить, но ценой очень мощного предположения, которое вообще не следует ни из каких наблюдений. Предположения, что в основе мира лежат не элементарные частицы, а одномерно протяженные структуры, так называемые струны. Оказалось, что таким образом можно построить необычайно глубокую и необычайно сложную теорию. В результате нескольких десятилетий ее развития оказалось, что мы фактически только начинаем понимать, что она собой представляет. У нас не хватает математических и вычислительных средств для того, чтобы охватить всю ее полноту. И вот смотрите: наука устроена так, что мы делаем теоретические предположения. Например, закон тяготения Ньютона ниоткуда не следует, это просто предположение, но он отлично описывает и поведение Луны, и падение яблока, и вращение Земли вокруг Солнца, и приливы, и все на свете. Мы его принимаем и пользуемся им до тех пор, пока он работает. «Доказать» ни один закон в физике нельзя: это не математика, там не доказываются теоремы, но требуется убедительный набор свидетельств. Так вот, для теории струн свидетельства отсутствуют. Вот, собственно, и весь сказ про теорию струн. Математически теория струн восхитительна, но ее связь с физикой, может быть, когда-нибудь выяснится, а может быть, и нет.

— С теорией петлевой квантовой гравитации такая же ситуация?

— Это совершенно другая концепция по поводу того, как мы можем подружить общую теорию относительности, которая является геометрической теорией, и квантовые принципы. Там вы постулируете, что пространство не является первичной сущностью, а вместо него первичной сущностью являются какие-то более абстрактные явления, графы с вершинами и ребрами. И манипулируя той математикой, которую вы постулируете в качестве базисного уровня, вы пытаетесь объяснить, каким образом на некотором масштабе у наблюдателя появляется иллюзия пространства. Правда, произвести нужно не только пространство, но и время. С ним сложнее. Мое ощущение примерно такое, что в течение лет 20 сторонники этой теории говорят: «Вот сейчас мы поймем что-то очень важное». Все время остается понять что-то важное, а свидетельства, которые служили бы сколько-нибудь явным подтверждением, отсутствуют.

— Какой же выход?

— Возможно, мы никогда не узнаем, существует ли нечто единое, лежащее и за гравитацией, и за квантовым миром. Или когда-нибудь узнаем совершенно с другой стороны. Дело в том, что попытка совместить общую теорию относительности, то есть гравитацию, и квант традиционно воспринималась как необходимость «проквантовать» гравитацию. Но кто его знает, может быть, когда-нибудь придется «гравитизировать» квант. Вопрос здесь в том, нет ли внутри квантовой механики каких-то более прямых выходов на геометрию пространства-времени. Пока в этом направлении имеются только правдоподобные рассуждения вместо выводов. Быть может, запутанные частицы оказываются связаны чем-то вроде кротовой норы колоссально малого масштаба; в таком случае пространство-время не первично, а рождается из квантовой запутанности. Здесь есть потенциал совершенно альтернативного взгляда на мироздание.

Константин Фрумкин