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

Станислав Лем о Чернобыле Станислав Лем о Чернобыле

О статье знаменитого писателя Станислава Лема «Урок катастрофы»

Дилетант
Сколько человек задержали в Москве на митинге 27 июля: главное Сколько человек задержали в Москве на митинге 27 июля: главное

На митинге в Москве задержали более 1000 человек

Esquire
Цена медали: популярные спортсмены, которые совершили самоубийство Цена медали: популярные спортсмены, которые совершили самоубийство

Собрали трагические истории спортсменов, которые решили покончить с собой

Cosmopolitan
«Клуб любителей книг и пирогов из картофельных очистков» «Клуб любителей книг и пирогов из картофельных очистков»

Экранизация романа Мэри Энн Шаффер и Энни Бэрроуз

Psychologies
В горах мое сердце В горах мое сердце

На чем держится райская красота в горах

Вокруг света
Арбитры РСПП объявили Шерзода Юсупова неблагонадежным партнером Арбитры РСПП объявили Шерзода Юсупова неблагонадежным партнером

Шерзод Юсупов внесен в список неблагонадежных корпоративных партнеров

Forbes
Коворкинг: что это такое, в чем его преимущества и кому он подходит больше всего Коворкинг: что это такое, в чем его преимущества и кому он подходит больше всего

Мы расскажем про новый подход к организации рабочего пространства

Playboy
Льды — это сама жизнь Льды — это сама жизнь

Льды ученые считают важнейшей составляющей планеты, без которой не было бы жизни

Наука и жизнь
Проблемы на триллионы. S&P оценила объем плохих долгов российских банков Проблемы на триллионы. S&P оценила объем плохих долгов российских банков

Высокая доля проблемных кредитов носит постоянный характер

Forbes
«США были не готовы на всех уровнях»: в конгрессе рассказали о российском вмешательстве в американские выборы «США были не готовы на всех уровнях»: в конгрессе рассказали о российском вмешательстве в американские выборы

Что известно о попытках кибератак на американскую избирательную систему

Forbes
Сверхчеловек: зачем люди занимаются биохакингом дома Сверхчеловек: зачем люди занимаются биохакингом дома

Биохакеры стали демонстративно делать себе инъекции непротестированных веществ

Популярная механика
Как покорить мужчину за 60 секунд Как покорить мужчину за 60 секунд

Бери пример с героинь книг и фильмов

Лиза
Сильно греется ноутбук: что делать? Сильно греется ноутбук: что делать?

Стали замечать, что ноут все чаще напоминает раскаленный кирпич?

CHIP
ЦБ предложил отложить обсуждение реформы накопительной пенсии ЦБ предложил отложить обсуждение реформы накопительной пенсии

Эльвира Набиуллина отказалась поддержать добровольный формат взносов ИПК

Forbes
От диктофона до мирового хита: Sony Walkman — 40 лет От диктофона до мирового хита: Sony Walkman — 40 лет

1 июля 1979 года начались продажи революционного аудиоустройства

Популярная механика
Как узнать свою видеокарту на Windows 10: простые способы Как узнать свою видеокарту на Windows 10: простые способы

Показываем, как узнать модель графического адаптера. Несколько простых способов

CHIP
Все о Кори «Коко» Гауфф — 15-летней сенсации Уимблдона Все о Кори «Коко» Гауфф — 15-летней сенсации Уимблдона

Звезда тенниса, за которую болеют Серена Уильямс и Мишель Обама

Vogue
«Сделать классное приложение круче для репутации, чем купить Ferrari». Правила потребления основателя Skyeng Георгия Соловьева «Сделать классное приложение круче для репутации, чем купить Ferrari». Правила потребления основателя Skyeng Георгия Соловьева

Основатель самой большой онлайн-школы английского языка Skyeng Георгий Соловьев

Forbes
Сладкий ликбез: развенчиваем мифы о сахаре Сладкий ликбез: развенчиваем мифы о сахаре

Почему сахар вреден

Популярная механика
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
Что читать: 13 романов из длинного списка Букеровской премии 2019 года Что читать: 13 романов из длинного списка Букеровской премии 2019 года

О том, что происходит с Букеровской премией в 2019 году

Esquire
Борис Джонсон на велосипеде, Лукашенко на «Тесле» и Блумберг в метро: на чем передвигаются сильные мира сего Борис Джонсон на велосипеде, Лукашенко на «Тесле» и Блумберг в метро: на чем передвигаются сильные мира сего

Кто из влиятельных людей предпочитает альтернативные виды транспорта

Forbes
«Никто не ест левой рукой»: как мы предаем своих детей «Никто не ест левой рукой»: как мы предаем своих детей

Фрагмент из новой книги Маши Трауб «Лишние дети»

Psychologies
Вышли из моды: как Forever 21 оказалась на грани банкротства Вышли из моды: как Forever 21 оказалась на грани банкротства

Еще недавно Forever 21 был одним из самых заметных ретейлеров

Forbes
5 признаков того, что ты плохо целуешься (даже если ты уверен в обратном) 5 признаков того, что ты плохо целуешься (даже если ты уверен в обратном)

Ты уверен, что она в восторге от твоих поцелуев

Playboy
12 финалисток «Девушки года Playboy 2019»: в конце останется только одна 12 финалисток «Девушки года Playboy 2019»: в конце останется только одна

Представляем ТОП-12 участниц конкурса «Девушка года Playboy 2019»

Playboy
Коллекции высокого ювелирного искусства в Париже: что покупать Коллекции высокого ювелирного искусства в Париже: что покупать

Новинки Boucheron, Chaumet, Louis Vuitton, Dior, Piaget, De Beers и Mikimoto

РБК
MAXIM рецензирует фантасмагорический хоррор «Маленькое красное платье» MAXIM рецензирует фантасмагорический хоррор «Маленькое красное платье»

Каждый, кто увидит этот фильм хотя бы одним глазом, будет проклят и попадет в Ад

Maxim
5 фактов о «Фольксваген-Гольф», о которых ты вряд ли знал 5 фактов о «Фольксваген-Гольф», о которых ты вряд ли знал

«Фольксваген-Гольф» полон сюрпризов и открытий

Maxim
ЦБ сообщил о новой схеме мошенничества при переводе денег через банкомат ЦБ сообщил о новой схеме мошенничества при переводе денег через банкомат

Эксперты ЦБ описали основные киберугрозы для банков и их клиентов

Forbes
Открыть в приложении