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

Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки Правила здорового сна: уберите от кровати гаджеты и яблоки

Удается ли вам спать достаточное количество часов?

Psychologies
Росстат назвал наиболее подорожавшие и подешевевшие продукты в России Росстат назвал наиболее подорожавшие и подешевевшие продукты в России

Больше всего в 2018 году в России подорожали пшено и капуста

Forbes
Запоминают слова и не любят курильщиков: 14 редких фактов о собаках Запоминают слова и не любят курильщиков: 14 редких фактов о собаках

Самые необычные их способности ученые начинают обнаруживают только сейчас

Популярная механика
Новый Audi Q8 стал самым мощным и дорогим кроссовером марки Новый Audi Q8 стал самым мощным и дорогим кроссовером марки

Сколько стоит новый Audi Q8 и почему это того стоит

Cosmopolitan
Новое начало Новое начало

Разработка полноценной системы космического туризма

Популярная механика
10 лучших фильмов, основанных на реальных событиях 10 лучших фильмов, основанных на реальных событиях

Грядущие выходные — лучшее время,чтобы погрузиться в мир невыдуманных историй

Популярная механика
Тест смартфона Huawei Y7 2019: недорогой аппарат с приятной внешностью Тест смартфона Huawei Y7 2019: недорогой аппарат с приятной внешностью

Huawei Y7 2019 продемонстрировал солидное качество исполнения

CHIP
Сергей Лазарев: «Горжусь, что не избаловал сына!» Сергей Лазарев: «Горжусь, что не избаловал сына!»

Сергей Лазарев поделился, как воспитывает ребенка и в чем его ограничивает

StarHit
Мобильная экономия Мобильная экономия

7 полезных мобильных приложений для снижения расходов

Лиза
Жанна Эппле: «Мужчина плох в постели? Бегите!» Жанна Эппле: «Мужчина плох в постели? Бегите!»

Актриса призналась, как ей удается привлечь любого кавалера

StarHit
«Пора покупать машины поменьше». Осенью парковки станут короче «Пора покупать машины поменьше». Осенью парковки станут короче

Сделать места для парковки короче и уже по всей России позволят новые стандарты

РБК
Городской свет — от технологий к искусству Городской свет — от технологий к искусству

Сегодня мы говорим об экологичном и экономичном освещении умного города

Наука и жизнь
Включи мозги. Зачем нужен ЗОЖ, если нас скоро заменят роботы? Включи мозги. Зачем нужен ЗОЖ, если нас скоро заменят роботы?

Роботы не заменят тех, кто умеет мыслить креативно и выходить за рамки шаблонов

Forbes
Что о тебе говорит твое интимное прошлое? Спойлер: много правдивого Что о тебе говорит твое интимное прошлое? Спойлер: много правдивого

«Милый, а кто у тебя был до меня?» — теперь вы будете бояться этого вопроса

Playboy
Друг Бориса Джонсона: Reuters узнал о роли экс-соратника Ходорковского в попытке отстранить Мэй Друг Бориса Джонсона: Reuters узнал о роли экс-соратника Ходорковского в попытке отстранить Мэй

Бывший акционер ЮКОСа Александр Темерко влиятельная фигура в британской политике

Forbes
Почвы внутри камня Почвы внутри камня

Когда появились первые почвы на Земле и как они выглядели?

Наука и жизнь
Смогут ли роботы обрести душу: эмоциональный ИИ Смогут ли роботы обрести душу: эмоциональный ИИ

Предлагаем вам узнать о том, какое будущее ждет человека и машину

Популярная механика
Сделано на «Союзмультфильме» Сделано на «Союзмультфильме»

Как возродилась главная мультипликационная киностудия страны

Русский репортер
Где ты провел этим летом: лучшие лагеря для дошкольников Где ты провел этим летом: лучшие лагеря для дошкольников

Чем занять дошкольника, если у него есть свободное время, а у родителей — нет?

Forbes
5 самых жутких костехранилищ в Европе (люстра из костей и скелет в рясе монаха) 5 самых жутких костехранилищ в Европе (люстра из костей и скелет в рясе монаха)

Где в Европе есть жуткие достопримечательности

Playboy
Нарвались на штрафной: самые громкие скандалы с российскими футболистами Нарвались на штрафной: самые громкие скандалы с российскими футболистами

Скандальные события из жизни российских футболистов

Cosmopolitan
Меркурий затягивает петлю Меркурий затягивает петлю

Ретроградный Меркурий: что же это за напасть?

Robb Report
Маршрут построен! Маршрут построен!

Питерский бомж стал самым популярным экскурсоводом города

StarHit
Почему так трудно учить детей правилам гигиены? Почему так трудно учить детей правилам гигиены?

Трудности родительской борьбы за чистоту и опрятность описывает читатель

Psychologies
Как Уильям Моррис стал первым в мире дизайнером? Как Уильям Моррис стал первым в мире дизайнером?

Он перенес красоту с картин на обои и подушки

GQ
Как разговаривать с детьми, чтобы они чувствовали себя любимыми Как разговаривать с детьми, чтобы они чувствовали себя любимыми

Построить с детьми доверительные отношения — стоящая цель для родителей

Psychologies
Как сделать загрузочную флешку с помощью утилиты UltraISO Как сделать загрузочную флешку с помощью утилиты UltraISO

Как самому сделать загрузочную флешку в UltraISO

CHIP
Родители тоже плачут: почему детям полезно видеть наши слезы Родители тоже плачут: почему детям полезно видеть наши слезы

Детям может быть полезно видеть, что мы испытываем разные эмоции

Psychologies
Восстание деревьев. Русский бунт в Шиесе, осмысленный и беспощадный Восстание деревьев. Русский бунт в Шиесе, осмысленный и беспощадный

Народные протесты против строительства полигона для захоронения бытовых отходов

Русский репортер
Зачем идти на Eat Film Festival 2019 Зачем идти на Eat Film Festival 2019

Осознанное потребление, рамен-баттл и секреты гуакамоле

Vogue
Открыть в приложении