В МГУ начал работу Институт теоретической и математической физики

Русский репортерНаука

Вселенная вибрирующих струн. Как выглядит подлинная реальность с точки зрения физика-теоретика

Андрей Константинов

«Теория струн утверждает, что 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»

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.

Аркадий Цейтлин

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!

Двухмерная проекция трехмерной модели шестимерного пространства Калаби — Яу

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

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Лена Горностаева Лена Горностаева

Какую часть мужского тела Лена Горностаева считает самой сексуальной?

Playboy
Либерал эпохи сталинизма Либерал эпохи сталинизма

Отец Виктора и Андрея Ерофеевых был успешным советским дипломатом

Дилетант
Худой мир лучше Худой мир лучше

История о том, как семеро участников проекта познали фитнес-дзен

Men’s Health
Как российскому стартапу выйти на рынок США и не прогореть. Пошаговая инструкция Как российскому стартапу выйти на рынок США и не прогореть. Пошаговая инструкция

Что нужно знать стартапу, чтобы не повторить ошибок крупных компаний

Forbes
Эфирное создание Эфирное создание

Неужели из друга семьи телевизор окончательно превратился в средство пропаганды?

GQ
Где лечиться? Где лечиться?

В какую поликлинику идти – государственную или частную

Домашний Очаг
Семен Стругачев: «Роль Левы дает мне возможность бесплатно выпить» Семен Стругачев: «Роль Левы дает мне возможность бесплатно выпить»

Актер Семен Стругачев признался, по какой причине сбежал с собственной свадьбы

StarHit
Подотчетное партнерство: учимся достигать цели в хорошей компании Подотчетное партнерство: учимся достигать цели в хорошей компании

Добиться желаемых рабочих результатов не всегда просто

Psychologies
5 ЗОЖ-блюд, которые ты захочешь сфотографировать для Instagram 5 ЗОЖ-блюд, которые ты захочешь сфотографировать для Instagram

Рассказываем, что вы точно захотите увидеть в своих Instagram-лентах

Cosmopolitan
Ольга Шатерникова: Ольга Шатерникова:

Гонщица Ольга Шатерникова соревнуется с мужчинами на равных

Cosmopolitan
15 девушек с самыми красивыми и длинными ногами (мы бы смотрели на них вечно) 15 девушек с самыми красивыми и длинными ногами (мы бы смотрели на них вечно)

От девушек с красивыми и длинными ногами сложно оторвать взгляд

Playboy
Мишель Бернардо — о фарфоре, Джеффе Кунсе и интернете Мишель Бернардо — о фарфоре, Джеффе Кунсе и интернете

Мишель Бернардо — об истории компании и сотрудничестве с Джеффом Кунсом

РБК
Давид Стеньшин: «Чтобы добиться успеха, мы должны страдать» Давид Стеньшин: «Чтобы добиться успеха, мы должны страдать»

Лучший бармен России о том, как он будет зарабатывать миллион долларов в год

GQ
За чиновницу, уволенную из-за участия в нашем конкурсе, заступилась «Девушка Playboy 2018» За чиновницу, уволенную из-за участия в нашем конкурсе, заступилась «Девушка Playboy 2018»

«Хватит критиковать женщин за самовыражение и демонстрацию своей сексуальности»

Playboy
Первопроходец «Абхазских Альп» Первопроходец «Абхазских Альп»

Познавательно-развивающий раздел для школьников

Наука и жизнь
Третья смена: почему  Clarins своим успехом обязан семейным обедам Третья смена: почему  Clarins своим успехом обязан семейным обедам

О прошлом, настоящем и будущем компании Clarins

Forbes
Выжимаем соки из ПК: разгон памяти Выжимаем соки из ПК: разгон памяти

Увеличиваем производительность ПК за счет оверклокинга оперативной памяти

CHIP
«Моли о пощаде на испанском». Как изобретатель капчи создает самое популярное в мире образовательное приложение «Моли о пощаде на испанском». Как изобретатель капчи создает самое популярное в мире образовательное приложение

Приложение Duolingo и его создатель

Forbes
Гид по выбору морозильной камеры для дома Гид по выбору морозильной камеры для дома

Как выбрать морозильную камеру для дома и дачи

CHIP
«Старики» снова в деле: почему Брейгель и Да Винчи вызывают сегодня такой ажиотаж «Старики» снова в деле: почему Брейгель и Да Винчи вызывают сегодня такой ажиотаж

24 октября в Лувре открывается крупнейшая выставка Леонардо да Винчи

Forbes
Долой джетлаг: 7 советов, как не страдать от смены часовых поясов Долой джетлаг: 7 советов, как не страдать от смены часовых поясов

«Штормит» после долгих перелетов? Сейчас расскажем, что делать

Playboy
7 известных кинофраншиз, закрытых раньше времени (финала уже не будет) 7 известных кинофраншиз, закрытых раньше времени (финала уже не будет)

Самые громкие и известные серии фильмов, не достигших своего логического конца

Playboy
Личная жизнь автомобилистов под угрозой. Что случилось? Личная жизнь автомобилистов под угрозой. Что случилось?

Преступления в обнародовании данных о миллионах парковочных сессий не нашли

РБК
Полный комплект Полный комплект

Собираясь на отдых в жаркие страны, продумайте, что взять с собой в поездку

StarHit
Ставим УЗО в квартире: как подобрать прибор по мощности? Ставим УЗО в квартире: как подобрать прибор по мощности?

Как рассчитать мощность УЗО и установить его дома или в офисе

CHIP
Диджей-инвестор: как Стив Аоки заработал $30 млн за год на музыке, моде и киберспорте Диджей-инвестор: как Стив Аоки заработал $30 млн за год на музыке, моде и киберспорте

Стив Аоки за год дает сотни концертов, но источник его дохода — не только музыка

Forbes
Лучшие мировые фестивали августа по версии Forbes Life Лучшие мировые фестивали августа по версии Forbes Life

Последний шанс поймать фестивальное лето

Forbes
Всё, что вы хотели узнать о «стиралках»: советы мастера по ремонту Всё, что вы хотели узнать о «стиралках»: советы мастера по ремонту

Поговорили со специалистом по ремонту стиральных машин

CHIP
«Я никогда не сдаюсь». Как девочке из портового города удалось обойти Серену Уильямс и выиграть Уимблдон «Я никогда не сдаюсь». Как девочке из портового города удалось обойти Серену Уильямс и выиграть Уимблдон

Завершился 133-й Уимблдонский турнир, победу одержала румынка Симона Халеп

Forbes
Асфальтовые джунгли Асфальтовые джунгли

Современные мегаполисы стремятся впустить в себя леса

Forbes
Открыть в приложении