Вселенная вибрирующих струн. Как выглядит подлинная реальность с точки зрения физика-теоретика
В МГУ начал работу Институт теоретической и математической физики. Мы поговорили о природе реальности и крупнейших достижениях современной физики с директором института Аркадием Цейтлиным, профессором теоретической физики Имперского колледжа Лондона, занимающим одно из первых мест в списке российских физиков по индексу Хирша. Цейтлин — один из крупнейших в мире специалистов по теории струн, согласно которой фундаментальная реальность — это вибрирующие струны энергии, ультрамикроскопические и бесконечно тонкие.
Насколько современная физика близка к пониманию подлинного мироустройства? Иногда кажется, что все главное уже открыто. Писали, что Хокинг называл открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере «скучным открытием, больше похожим на закрытие» — ведь обнаружили лишь то, что давно было предсказано.
Окончательной картины мира у нас, наверное, не будет никогда, а сейчас в физике и вовсе назревает «революционная ситуация». Мы многое знаем о том, как устроен мир — теория, Стандартная модель, хорошо описывает все данные о частицах, которые мы получаем на ускорителях (Стандартная модель — фундаментальная физическая модель, описывающая все известные элементарные частицы, поля и их взаимодействия; что-то вроде таблицы Менделеева для элементарных частиц. — «РР»). И при этом у нас большие проблемы с пониманием, почему мир устроен именно так, а не иначе. Почему, например, Вселенная все быстрее расширяется? Загадок очень много: темная энергия, темная материя… Возможно, мы стоим у начала новой эры в космологии (науки о происхождении Вселенной как целого. — «РР»), связанной с изучением черных дыр, гравитационных волн, реликтового излучения — много чего сейчас в этой области науки происходит. А в физике элементарных частиц прогресс, видимо, зависит от строительства новых, еще более мощных и дорогих ускорителей, чем БАК. Но, может быть, главный прорыв ждет нас именно в понимании того, как связаны данные космологии, результаты наблюдений Вселенной в самых больших масштабах, с физикой элементарных частиц.
Это углубит наши знания о далеких мирах, невообразимо маленьких или больших масштабах, но ведь знания об окружающих нас звездах и галактиках уже мало изменятся?
Возможно, мы застряли в иллюзии о том, что понимаем, как устроен мир: что есть звезды, галактики и так далее. А может оказаться, что эти представления не так уж отличаются от уровня Средних веков, когда люди думали, что Земля плоская, а мир ограничен Солнечной системой! Может оказаться, что наша Вселенная возникла в сингулярности черной дыры или что мы живем лишь в одной из множества вселенных. Теория струн предсказывает, что может быть очень много разных вариантов устройства мира. Из теории струн можно вывести описание элементарных частиц, очень похожее на Стандартную модель, — но лишь как один из множества вариантов устройства мира. А вот почему реализован именно он, теория струн не объясняет. Почему наш мир устроен именно таким, каким мы его видим? Возможный ответ — мы живем в таком мире, где жизнь возможна; это называют антропным принципом.
То есть мы здесь потому, что именно наш мир жизнеспособен, а миры с другими базовыми настройками будут гораздо проще и не смогут породить разум?
Да, именно так. Антропный принцип говорит, что наш мир устроен с такими, а не иными базовыми физическими константами, потому что здесь живем мы. Многим физикам, впрочем, антропный принцип не нравится — они считают его антинаучным. Они пытаются вывести эти константы математически и таким образом показать, почему мир имеет именно такие базовые настройки.
Музыка квантовых струн
Теория струн может связать «микромир» с «макромиром»? Что это за струны, из которых все состоит?
Изначально, в 1960–1970-х, под струной понималось свернутое в трубку поле — но не электромагнитное, а поле, связанное с так называемыми сильными взаимодействиями, которые склеивают кварки в составные частицы, такие как протон и нейтрон. А потом развитие математического аппарата привело к тому, что мы стали смотреть на любую частицу как на колебания квантовой струны. Эта струна фундаментальна, то есть не имеет «микроструктуры», а различные моды колебаний струны (это как отдельные ноты или звуки гитарной струны) выступают для нас как та или иная частица. Параметры этих колебаний определяют массу и другие характеристики любой частицы. Даже еще не открытый гравитон (гипотетическая частица, передающая гравитационные взаимодействия. — «РР») можно мыслить как определенный вид колебаний все той же струны.
То есть мир на самом деле — вибрация струн? Звучит очень музыкально…
Теория струн шире, чем только «теория, возможно описывающая истинное устройство мира». Этим занимается фундаментальная теория струн, но кроме нее есть и прикладная — это математический аппарат, который точно описывает физические поля. Теория струн приводит к новым идеям в физике, даже к новым парадигмам. Одна из таких идей заключается в том, что на фундаментальном уровне существуют не только одномерные струны, но и двумерные мембраны и трехмерные трибраны, как наш мир. Возможно, трибрана, на которой мы живем, окружена большим числом измерений — может быть, их целый десяток.
А они как-то влияют на наш мир?
Предполагают, что мы их не видим, потому что они очень маленькие, а чтобы их «пощупать», нужны очень высокие энергии. Трудно предсказать, когда это может случиться — физика развивается очень нелинейно. Еще сравнительно недавно никто не ожидал, что мы откроем гравитационные волны и что полученные с их помощью данные об устройстве черных дыр будут буквально совпадать с теми описаниями черных дыр, которые нам давала теория Эйнштейна. Может быть, следующий прорыв в области теории струн даст обнаружение частиц темной материи.
И эти частицы — тоже вибрации струн? Значит, поиск элементарных частиц, неделимых далее, завершится нахождением элементарных струн?
Теория струн утверждает, что да, элементарный объект нашего мира — это струна, у нее уже нет никакой структуры, она не состоит из каких-то частей, а является фундаментальным элементом. Все элементарные частицы — возбуждения, состояния этой струны.
Физика будущего
Какие еще фундаментальные вопросы сейчас более всего актуальны для теоретической физики?
Нужно ли модифицировать теорию Эйнштейна, чтобы включить в нее темную энергию и темную материю и понять, почему они есть и как устроены. Многие сейчас работают над этим, пытаются выстроить фундаментальную теорию «снизу», придумывая эффективные способы расширить старые теории так, чтобы они описывали и новые наблюдаемые явления. Есть резоны предполагать, что теория Эйнштейна справедлива для тех масштабов, на которых мы ее до сих пор исследовали, а для больших, галактических масштабов — уже нет.
Очень интересен вопрос о существовании суперсимметрии — симметрии между бозонами и фермионами, которая следует из теории струн, но почему-то пока не наблюдается в реальном мире (согласно Стандартной модели, частицы делятся на два типа. Фермионы, например кварк или электрон, — это «кирпичики», из которых состоит материя. А бозоны передают взаимодействия между фермионами — например, фотон переносит электромагнитные взаимодействия. — «РР»).
Возможно ли экспериментально проверить теорию струн?
Мы надеемся, что да. Но как именно, пока не известно. Мы могли бы получить ответ при анализе данных с более мощного ускорителя, чем БАК, ну а если ускорителей строить больше не будут — при анализе данных космологии, связанных с темной энергией, темной материей, рождением Вселенной.
БАК же вроде бы никакого великого прорыва в физике не дал. А что может дать более мощный коллайдер?
На БАК возлагали надежды, что он, в частности, откроет так называемые суперпартнеры — новые типы частиц, которые предсказываются теорией суперсимметрии; у каждой частицы должен быть такой партнер. Тогда была бы экспериментально подтверждена теория суперсимметрии. Но этого не произошло, и сейчас есть большой скептицизм по поводу того, существует ли вообще суперсимметрия как симметрия нашего мира. Но все быстро меняется, и через 5–10 лет вполне может оказаться, что эта теория верна — просто при более высоких энергиях.
Какие физические мегапроекты вам представляются самыми важными?
Прежде всего, это все-таки строительство нового ускорителя. Называют суммы в десятки миллиардов долларов, но в контексте того, на что государства обычно тратят такие деньги, это совсем не так уж много, если в проекте будут участвовать несколько стран. Если сейчас остановиться, это все равно что идти по большому полю, ничего не найти и повернуть назад — а потом окажется, что на границе этого поля были залежи золота. Чудеса в мире еще могут быть, просто пока мы их не видим и не знаем!
Как мыслят физики
Как возникла идея создать Институт теоретической и математической физики?
Институт создан по инициативе фонда «БАЗИС», при его финансовой и организационной поддержке. «БАЗИС» — российский фонд поддержки и развития теоретической физики и математики, он дает гранты на исследования и участие в научных программах, организует сезонные международные тематические школы и конференции, выделяет стипендии для талантливых студентов и аспирантов, гранты для преподавателей.
Другую часть денег и помещение дает МГУ. То, что у нас два независимых источника финансирования, дает нам дополнительную свободу.
Цель института — заниматься фундаментальной наукой на высоком уровне и готовить магистров и докторов. Будем привлекать для этого известных физиков из-за границы. Многие из наших соотечественников, работающих на Западе, заинтересованы в том, чтобы приезжать и читать здесь лекции.
Но почему решили сделать упор именно на теоретическую физику, а не прикладные области?
Это теоретическая база, которая очень важна и для подготовки сильных практических специалистов, умеющих логически мыслить, формулировать задачи и находить нетривиальные решения. Это совершенно ключевые навыки мышления, и в западных университетах люди, которые заканчивают магистратуру по фундаментальной физике не обязательно остаются в науке, а работают, например, в финансовой индустрии, добиваются успеха в самых разных сферах.
Но вы же их все-таки не в инвесторы готовите…
В Имперском колледже Лондона, где я работаю, доля аспирантов, которые защищают диссертации и остаются в науке, тоже невелика — ну, может быть, это каждый пятый. И даже из них немногие в конечном счете становятся профессорами, получают постоянную позицию в вузах. Там очень серьезный отбор.
То есть для большинства это просто школа мышления?
Да, абсолютно так. Хороший пример — Олег Дерипаска, предприниматель, создатель крупнейших в России промышленных предприятий. Он выпускник физфака, теоретик по специализации. Юрий Мильнер, технологический предприниматель, ставший миллиардером, тоже закончил физфак МГУ и тоже изучал теоретическую физику.
А чем отличается мышление физика?
Трудно сказать. Физики не обязательно самые «умные», с самым высоким IQ, совсем нет. Тут какая-то сложная комбинация разных навыков: например, очень важен сильный интерес к тому, как мир устроен, желание разобраться. А чтобы понять, как все устроено, нужно мыслить на шаг вперед и глубже.
Фотографии: parameter_bond/flickr.com; из личного архива Аркадия Цейтлина; Leonard Susskind/ Lunch/CC BY-SA 2.5
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl