Из чего состоит пространство-время

Из чего состоит пространство-время

Тигран Оганесян

Дэвид Гросс получает Нобелевскую премию

Фото: EPA

Нобелевскую премию Дэвид Гросс получил совместно с Фрэнком Вильчеком — своим бывшим аспирантом в Принстонском университете, а также с Дэвидом Политцером из Гарварда за представленное ими в 1973 году элегантное математическое объяснение удивительного феномена. Эксперименты показывали: интенсивность взаимодействия между кварками, базовыми кирпичиками мироздания, с уменьшением расстояния между ними падает и, напротив, при их удалении друг от друга растет.

Это парадоксальное явление получило официальное название «асимптотическая свобода» (на сверхмалых расстояниях поведение кварков становится поведением почти свободных частиц), а Гроссу и его коллегам удалось показать, почему у универсальной физической константы (так называемой бета-функции), характеризующей интенсивность силового взаимодействия, в случае с кварками неожиданно возникает отрицательное значение. Странности поведения кварков объясняются тем, что помимо самих кварков активное участие в сильном взаимодействии принимают и его переносчики — глюоны. Глюоны — это нейтральные безмассовые частицы, главной отличительной характеристикой которых является наличие цветового заряда, аналога электрического заряда (глюоны наделены двумя цветовыми зарядами, а кварки — тремя).

Ученые-теоретики обнаружили, что на больших расстояниях «цветные силы», действующие между кварками и глюонами, возрастают, то есть они как бы удерживают кварки и не дают им вылетать из адронов (протонов и нейтронов) на свободу. В физике это называется конфайнментом (что в переводе с английского означает «тюремное заключение»), и именно благодаря ему в природе кварки в свободном состоянии (вне атомных ядер) не встречаются.

Возможно, наиболее важным практическим следствием открытой Гроссом, Вильчеком и Политцером асимптотической свободы кварков является то, что оно существенно облегчило физикам-теоретикам их главную задачу — построение унифицированной теории всех видов природных взаимодействий.

Как отметил сам Дэвид Гросс в своей нобелевской лекции 2004 года, «практически сразу после того, как была открыта асимптотическая свобода, теоретики стали предпринимать активные попытки объединения всех видов взаимодействий. Этот энтузиазм ученых был совершенно естественным, поскольку для описания всех известных науке взаимодействий использовались достаточно схожие теоретические конструкции. И вскоре Говард Джорджи, Хелен Куинн и Стивен Вайнберг смогли убедительно показать, что интенсивности всех трех негравитационных взаимодействий (электромагнитного, слабого и сильного) на сверхмалых расстояниях, составляющих примерно 10–29 сантиметров, становятся одинаковыми».

Дэвид Гросс за прошедшие с момента своего главного открытия четыре десятилетия сумел прочно утвердиться в качестве крайне разностороннего теоретика-универсала; в частности, он считается ведущим мировым специалистом в области струнных теорий, и сегодня его смело можно причислить к числу «зубров» современной теоретической физики.

В последние годы Гросс регулярно приезжает в Россию. Последний по времени его визит состоялся в декабре прошлого года, тогда мы и взяли у него это интервью.

— Господин Гросс, недавно я писал в нашем журнале об альтернативных Нобелевским премиях Кавли (международные премии Кавли присуждаются раз в два года начиная с 2008-го; подробнее см. «Норвежский ответ Нобелю» в № 23 «Эксперта» за 2012 год) , поэтому мне бы хотелось узнать, что представляет собой Институт теоретической физики имени Кавли Калифорнийского университета в Санта- Барбаре, в котором вы давно работаете и который долгое время возглавляли.

— Этому институту уже тридцать три года. Основная идея его создания заключалась в том, чтобы он стал универсальным связующим звеном, удобным местом встречи различных ведущих физиков-теоретиков, стимулирующим эффективное общение и взаимодействие между теоретиками, а также организацию совместных исследовательских программ и проектов.

— И сколько всего в нем научных сотрудников?

— В среднем за год институт посещает порядка тысячи ученых, но на постоянной основе в нем работает меньше десятка человек. Примерно половина из приезжающих в институт — ученые из самих Соединенных Штатов, еще столько же — из остального мира.

В течение года в институте обычно реализуется где-то десять-двенадцать различных научных программ продолжительностью около трех месяцев каждая, и, как правило, внутри самого здания одномоментно находятся не более сотни с небольшим ученых.

— А эти научные программы носят исключительно теоретический характер или в институте также проводятся какие- либо экспериментальные исследования?

— Наш институт занимается только чистой теорией, то есть, грубо говоря, ученые в нем пользуются в основном бумагой и ручкой, но диапазон научных направлений весьма обширен — это проблемы современной космологии и астрофизики, биофизические и геофизические исследования и так далее. При этом обычный подход при выборе новых программ и проектов заключается в том, что мы стремимся работать на опережение, определяя темы, которые, по нашему мнению, должны выйти на передний план в научном сообществе в течение ближайших двух-трех лет. И пока такой подход себя полностью оправдывает.

Я был директором института в Санта-Барбаре в течение пятнадцати лет и только в июле 2012-го ушел в отставку, сохранив за собой место профессора. Теперь я наконец получил возможность полностью сосредоточиться на чисто научной работе, и должен признаться, что выбранное для института место чрезвычайно стимулирует эту работу. (С меется . ) К тому же у меня в последнее время появились и другие интересные научные обязанности, в частности работа в попечительском совете Российского квантового центра (РКЦ) в Сколкове.

— А чем вас так заинтересовали Россия и этот проект?

— В Россию я стал приезжать достаточно регулярно начиная с 1989 года, то есть задолго до того, как получил Нобелевскую премию. Что же касается моего вхождения в состав попечительского совета РКЦ, мне предложил эту работу мой хороший друг Миша Лукин (содиректор Гарвардского центра квантовой оптики и Центра ультрахолодных атомов Гарварда — MIT. — « Эксперт» ) во время одного из заседаний консультативного совета Института теоретической физики в Санта-Барбаре, членом которого он также является.

Затем, около года назад, я повстречался в Москве с Сергеем Белоусовым (председатель попечительского совета РКЦ. — « Эксперт» ) и пришел к выводу, что этот проект действительно выглядит очень амбициозно и интересно. В итоге я решил, что могу попытаться принести ему определенную пользу своим участием.

— И каково ваше мнение о перспективах проекта РКЦ, а также Сколковского центра в целом?

— По поводу самого Сколкова мне пока известно очень немного. К тому же на данный момент внутри Сколкова почти ничего еще не построено, это все еще по большей части теоретическая концепция, чистая идея. Впрочем, многие проекты такого рода, какими бы трудноосуществимыми они ни казались поначалу, при правильной организации вполне могут стать успешными. Некоторое время назад мне уже довелось поучаствовать в похожем проекте в Китае: в июне 2006 года в Пекине был создан аналог нашего Института теоретической физики в Санта-Барбаре — Kavli Institute for Theoretical Physics China, KITPC. Причем само шестиэтажное здание этого института было построено китайцами всего за одиннадцать месяцев! И в целом, по моему мнению, проект оказался очень удачным.

Если же говорить о том проекте, в который я непосредственно вовлечен здесь, в России, то есть об РКЦ, его возглавляют энергичные, умные люди, он ориентирован главным образом на экспериментальные исследования, и пока динамика его развития тоже, на мой взгляд, выглядит многообещающе.

— Не кажется ли вам, что в отличие от вашего нового детища, РКЦ, « большой сколковский проект» чересчур амбициозен?

— Я могу привести пример Индии, которая столкнулась с очень сложной проблемой, связанной с необходимостью полного перестроения системы университетского обучения, доставшейся ей в наследство от британских колониальных времен. Британская университетская модель оказалась совершенно непригодной в современных условиях, для массового обучения миллионов молодых индийцев базовым научно-техническим знаниям, и несколько лет назад индийское руководство пришло к выводу: не надо пытаться как-то ее модернизировать и улучшать, более эффективным решением будет создание совершенно новой сети университетов научно-исследовательского типа, по образу и подобию уже давно действующих в стране инженерно-технических институтов. И, по моему мнению, такое радикальное решение было единственно правильным.

Возможно, что-то похожее должно быть сделано и в России, то есть вам нужно ответить на вопрос, следует ли и дальше продолжать работать в рамках уже сложившейся системы научно-исследовательских учреждений или же надо полностью отказаться от нее как от неэффективной и попытаться создать взамен что-то совершенно новое. Очевидно, простого решения не существует, но проект «Сколково» определенно относится ко второй, радикальной, модели выбора стратегии.

— В продолжение темы отношения государства к фундаментальной науке: а как бы вы могли охарактеризовать текущую ситуацию в самих Соединенных Штатах, а также в Европе?

— Значительные проблемы с финансированием большой науки наблюдались в США во время правления президента Буша-младшего, однако после прихода в Белый дом администрации Обамы, на мой взгляд, общая ситуация изменилась в лучшую сторону. По крайней мере, на уровне формальных заявлений различные американские госчиновники теперь постоянно подчеркивают, что поддержка науки, фундаментальной науки в том числе, — один из важнейших приоритетов госполитики. Впрочем, на самом деле серьезные проблемы возникают, когда дело доходит до нижнего уровня, то есть до непосредственного распределения бюджетных денег по конкретным научным проектам и программам. Именно на этом этапе мы пока наблюдаем регулярные сокращения и урезания расходов вплоть до полного прекращения финансирования ряда проектов. Но, с другой стороны, нельзя не отметить, что администрация Обамы, в отличие от предыдущей республиканской администрации, достаточно честно и открыто признает существование этих временных бюджетных трудностей и подчеркивает, что генеральная линия на долгосрочный рост инвестиций в большую науку, несмотря ни на что, остается в силе и отказываться от нее никто не собирается. И, что также немаловажно, большинство американских ученых в целом верят в искренность этих заявлений.

В Европе же общая поддержка научных мегапроектов в последние годы очень сильно возросла, и на фоне текущей неопределенности с их финансированием в Соединенных Штатах можно констатировать, что Евросоюз вышел в этой сфере на лидирующие позиции в мире. Особенно активные шаги предпринимаются в Германии, а также в Великобритании и ряде североевропейских стран (прежде всего в Голландии, Дании и Швеции).

Но не следует забывать и о крупнейших развивающихся странах мира, в первую очередь о Китае, в который я в последние годы приезжаю довольно часто, и меня просто восхищает, насколько значительное внимание уделяется там развитию науки и насколько серьезные финансовые ресурсы инвестируются в различные национальные научно-технологические проекты и программы.

Как вы, возможно, знаете, в их очередном пятилетнем плане содержится требование удвоить общую долю госинвестиций в фундаментальную науку в ВВП. А если при этом учесть, что и сам китайский ВВП за этот срок должен вырасти еще примерно вдвое по сравнению с нынешним уровнем, то нетрудно посчитать, что совокупные госрасходы на науку в Китае увеличатся в четыре раза. Честно говоря, я даже не могу представить себе, во что может вылиться подобный колоссальный прирост!

То, что бозон Хиггса удалось открыть уже в 2012 году, это тоже прямое свидетельство большого прогресса современной экспериментальной физики высоких энергий, поскольку, согласно большинству прогнозов, это событие должно было состояться как минимум на год-два позже

Фото: Тигран Оганесян

— Как вы относитесь к тому, что в вашей научной области, физике частиц, практически все крупные американские экспериментальные установки к настоящему времени либо уже закрыты ( как тот же чикагский Тэватрон в 2011 году), либо могут быть закрыты в ближайшее время? Разве вы не испытываете проблем с тем, что ваши теоретические идеи и концепции теперь стало намного сложнее тестировать на территории Соединенных Штатов?

— Вы знаете, в этой сфере все далеко не так мрачно, как может показаться со стороны. По сути, сегодня для большинства подобных экспериментальных проверок более чем достаточно мощностей, предоставляемых на женевском Большом адронном коллайдере (LHC). А США — крупнейший участник этого мегапроекта.

— Но LHC все- таки находится в Европе, а не в Соединенных Штатах…

— Лично для меня это не является проблемой. Но, отвечая на ваш вопрос о текущей ситуации в США в экспериментальной физике высоких энергий, вынужден признать, что эта область действительно оказалась в очень непростом положении. И непосредственные истоки этой тяжелой ситуации, безусловно, следует искать в недавнем прошлом, когда в начале девяностых американские законодатели окончательно похоронили проект строительства в штате Техас Сверхпроводящего суперколлайдера (SSC), который должен был стать прямым конкурентом женевского LHC. Для всех американских ученых, участвовавших в разработке SSC, это решение стало настоящей трагедией. Да и в дальнейшем, по моему мнению, было сделано немало серьезных стратегических ошибок, и, по большому счету, с тех пор мы сильно утратили свои позиции в мировой науке в этой области. В настоящее время мы находимся на критической развилке, и лично я совершенно не удовлетворен ни тем, какие решения принимаются на высшем уровне сегодня, ни теми планами на будущее, которые обнародуют американские чиновники от науки. И проблема здесь не только в недостатке господдержки этих исследований, но и в том, что серьезный разброд наблюдается и внутри самого американского научного сообщества, внутри министерства энергетики США (DOE), которое непосредственно курирует все эти проекты.

Однако, чтобы мои комментарии не прозвучали слишком пессимистично, я хотел бы отметить, что в более широком, мировом контексте экспериментальная физика высоких энергий сегодня, напротив, переживает период очередного подъема — достаточно вспомнить о недавнем важнейшем открытии бозона Хиггса на LHC. Это открытие однозначно можно считать грандиозным триумфом мейнстримовской Стандартной модели физики частиц, и лично для меня оно стало очень радостным событием, поскольку все альтернативные теоретические модели, в которых предлагались запасные варианты на случай, если бозон Хиггса так и не удастся экспериментально обнаружить, на мой взгляд, выглядели крайне неудобоваримыми.

— Чего следует еще ожидать от физики высоких энергий и какие важнейшие теоретические задачи и вопросы ей предстоит решить в ближайшем будущем?

— Нам, физикам-теоретикам, конечно же, очень бы хотелось, чтобы экспериментаторы наконец нашли нечто, что явно не вписывается в стандартные рамки и позволит выйти за пределы Стандартной модели, то есть открыть пресловутую «новую физику».

— Насколько мне известно, вы сами неоднократно предсказывали, что на том же LHC « вот- вот» должны быть обнаружены так называемые суперсимметричные частицы — партнеры обычных частиц…

— Да, я говорил об этом и продолжаю надеяться на то, что рано или поздно их все-таки смогут открыть. И то, что эти частицы все еще не найдены, по моему мнению, отнюдь не означает, что их вовсе нет в природе, просто, возможно, мы пока не можем их поймать из-за ограниченности наших экспериментальных возможностей. Кроме того, не забывайте и о том, что вплоть до настоящего времени ученые статистически обработали лишь один-два процента общего массива данных, которые уже удалось получить на LHC. Так что, быть может, эти новые частицы уже детектированы, но пока дожидаются того, чтобы ученые-теоретики смогли их наконец «задним числом» увидеть.

К слову, то, что бозон Хиггса удалось открыть уже в 2012 году, это тоже прямое свидетельство большого прогресса современной экспериментальной физики высоких энергий, поскольку, согласно большинству прогнозов, это событие должно было состояться как минимум на год-два позже.

— А что вы можете сказать относительно энергетических мощностей, которые в настоящее время достигнуты на LHC? По вашему мнению, их уже достаточно для того, чтобы рассчитывать на открытие нового класса суперсимметричных частиц?

— Мы, безусловно, надеемся на то, что это так, но, возможно, все-таки потребуется еще нарастить энергию. Время покажет, думаю, в течение ближайших нескольких лет ответ на вопрос о существовании этих частиц должен быть получен наверняка. И поскольку женевский ускоритель до сих пор выведен лишь на половинную мощность от запланированного максимального уровня, мы имеем весьма большой запас для дальнейших экспериментов. В декабре 2012 года работа LHC была в очередной раз приостановлена для проведения плановой отладки самой «машины» и совершенствования детектирующего оборудования, и новый ее запуск, уже на полной проектной мощности, произойдет лишь через два года. Но, повторюсь, я не исключаю, что «новую физику» удастся обнаружить еще до того, как произойдет это финальное включение LHC в 2014 году — благодаря более глубокому анализу и обработке тех данных, которые уже имеются в нашем распоряжении.

— Каковы ключевые проблемы и вызовы, с которыми предстоит столкнуться теоретической физике в целом?

— Я уже неоднократно рассказывал о своем общем видении перспектив физики, выступая с обзорными лекциями здесь, в России. Например, в 2011 году я подробно говорил об этом в московской лекции «Будущее современной физики».

Если попытаться предельно коротко, пунктиром обозначить магистральное направление развития теоретической физики, то я и многие мои коллеги верим, что квантовая теория поля, которую мы используем для Стандартной модели теорфизики, и активно разрабатываемая в последние десятилетия теория струн не являются принципиально разными подходами. Скорее они часть чего-то большего, единой теории. И у нас уже сегодня есть инструменты, которые позволяют нам соединять струнные описания определенных квантовых состояний с квантовой теорией поля и ее описаниями тех же квантовых состояний.

Иными словами, теория струн, которой я посвятил большую часть своей научной карьеры, оказалась отнюдь не настолько революционной, как мы надеялись еще лет пятнадцать-двадцать назад. Она всего лишь часть того, что я сейчас условно называю «общей рамочной структурой» теоретической физики. Пока мы не знаем четких границ этой структуры, четких механизмов взаимодействия между различными способами ее описания — теориями струн, теорией поля и другими альтернативными концепциями, но, надеюсь, что рано или поздно мы сумеем их выявить.

И в конце концов мы также столкнемся с теорией гравитации, а гравитационная теория прежде всего должна описать динамику пространства-времени. То есть далее мы должны будем задаться ключевым вопросом: какова истинная структура пространства-времени, из чего оно состоит?

Лично для меня это, пожалуй, самый главный вопрос, для ответа на который мы, возможно, будем вынуждены полностью изменить свои теоретические концепции. Пресловутая унифицированная теория, теория объединения всех физических взаимодействий, если, конечно, мы ее когда-нибудь создадим, ответит на этот ключевой вопрос, и это, в свою очередь, даст нам понимание общей структуры Вселенной, в которой мы живем. А это позволит нам наконец понять не только, каково состояние Вселенной «сейчас» (хотя на самом деле в физике нет ничего, что особо выделяет то, что мы чувствуем как «сейчас», как «настоящее время»), но и что произошло в самом ее начале, и что произойдет в ее конце.

— Быть может, тогда в заключение вы приведете какой- нибудь более конкретный пример из обширного перечня приоритетных задач современной физики?

— Что ж, поскольку мы уже говорили о проекте РКЦ, в развитии которого я рассчитываю принять участие, думаю, можно в качестве примера взять тему квантового компьютинга, то есть немного порассуждать о том, сможем ли мы в ближайшем времени сконструировать реально работающие квантовые компьютеры.

Этот вызов относится к числу очень серьезных. В частности, физике, работающей с наномасштабами (nanoscale physics), необходимо будет разобраться в том, какие различные фазовые состояния вещества присутствуют в природе на наноуровне, какие новые виды и типы материалов потребуются для того, чтобы успешно работать в этой шкале масштабов. Сегодня даже самые продвинутые в этой области исследователи и теоретики честно признают, что мы еще очень далеки от реального понимания обширного комплекса явлений и механизмов, характерных для наномасштабов. Более того, даже если мы сумеем в самых общих чертах разобраться с тем, какие именно виды и типы вещества существуют или могут существовать на этом уровне организации материи, далее нам потребуется понять, каковы их реальные свойства и как их можно использовать полезным образом на практике, то есть при помощи каких «сборочных операций» мы сумеем организовать эффективное взаимодействие сложных комплексов отдельных атомов и заставим их выполнять нужную для нас работу.

Что же касается теоретического обоснования различных физических процессов, происходящих на наноуровне, в принципе нам уже известны многие уравнения; при помощи квантовой хромодинамики, изучающей особенности поведения кварк-глюонной плазмы (сверхплотного состояния вещества), сделаны достаточно сложные теоретические расчеты, позволяющие двигаться дальше в этом направлении.

Но помимо наноуровня нам также потребуется понять строение вещества на еще более мелких масштабах, на которых дополнительным значимым фактором станет квантовая гравитация. Иными словами, на передний план выйдут те вопросы, о которых я уже сказал: проблемы построения «итоговой» теории большого объединения, выявления физической природы пространства-времени в сверхмалых (а равно и сверхкрупных, «космологических») масштабах и так далее.

— Возвращаясь к исходному вопросу о перспективах создания квантовых компьютеров: что в случае их успешного конструирования может произойти с нынешними кремниевыми машинами — их придется выбрасывать на свалку?

— На самом деле ничего подобного, скорее всего, нам делать не придется. Полупроводниковые компьютеры доказали свою высокую эффективность для человечества и, по крайней мере в обозримом будущем (пускай даже на смену кремнию и придут какие-то другие новые материалы, например графен), отказываться от их массового использования никто не будет.

Квантовый компьютинг будет задействован лишь в весьма ограниченной сфере, требующей специальных, сверхсложных вычислений, то есть ни о какой тотальной замене полупроводниковых компьютеров на квантовые речи не идет, произойдет лишь добавление этих новых супермашин к уже имеющимся традиционным вычислительным мощностям.

— Как известно, в настоящее время разрабатываются очень разные теоретические схемы и модели будущих квантовых компьютеров, поэтому хотелось бы узнать ваше мнение: какая из них могла бы оказаться наиболее эффективной и полезной?

— Ну, тут очень многое зависит от того, для чего конкретно их хотелось бы использовать. Скажем, как физик-теоретик я был бы более всего заинтересован в создании некоего универсального квантового симулятора, который смог бы точно смоделировать различные реальные процессы, происходящие в квантово-механических системах. К слову сказать, такие устройства на самом деле уже существуют, их рабочие прототипы были созданы несколько лет назад — на базе ультрахолодных атомов. И эти симуляторы на ультрахолодных атомах достаточно быстро приближаются к той стадии, когда они смогут быть использованы на практике. То есть аналоговые квантовые компьютеры — это не какая-то далекая мечта, а вполне обозримая перспектива. Более того, уже сейчас они почти созрели для конкретного применения: так, в моем институте в Санта-Барбаре в настоящее время активно разрабатывается новая программа по изучению квантовой динамики — это крайне сложная проблема, требующая специальных вычислений, и при помощи симуляторов на холодных атомах мы рассчитываем понять, что именно происходит с квантово-механическими системами, и в буквальном смысле увидеть, снять кино о том, как перемещаются в пространстве-времени отдельные атомы.