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

Глобальный Рейх Глобальный Рейх

Что, если бы страны «оси» победили во Второй мировой войне

Naked Science
Научные революционеры Научные революционеры

Семь современных ученых, бросивших вызов общепринятым теориям

Русский репортер
Фитнес-зависимость: как остановиться и сохранить здоровье Фитнес-зависимость: как остановиться и сохранить здоровье

Чем может обернуться зависимость от фитнеса

РБК
Экзистенциальный спор об эвтаназии Экзистенциальный спор об эвтаназии

Мы часто слышим, что наша жизнь в наших руках, но так ли это на самом деле

Psychologies
Рейтинг брендов Рейтинг брендов

Бренды, которые стали заметны на рынке за год

Forbes
Виктор Рыбин: «Дома меня ласково зовут: «Эй, иди сюда!» Виктор Рыбин: «Дома меня ласково зовут: «Эй, иди сюда!»

Солист группы «Дюна» о том, какие небылицы читает о себе в Интернете

StarHit
Минэкономразвития не откликнулось на электронный сигнал Минэкономразвития не откликнулось на электронный сигнал

Предложение повысить пошлины на иностранное цифровое оборудование отклонили

РБК
Тейлор Свифт, Бейонсе и Черная вдова. Самые высокооплачиваемые женщины шоу-бизнеса-2019 Тейлор Свифт, Бейонсе и Черная вдова. Самые высокооплачиваемые женщины шоу-бизнеса-2019

Кто из женщин-звезд шоу бизнеса за минувшие 12 месяцев заработал больше всех

Forbes
Порода без племени Порода без племени

Чего лишилось российское коневодство

Огонёк
ЦБ во второй раз подряд снизил ключевую ставку. Что будет с вкладами и ипотекой? ЦБ во второй раз подряд снизил ключевую ставку. Что будет с вкладами и ипотекой?

ЦБ уже второй раз за год снижает ключевую ставку

Forbes
«Людям больше не нужна роскошь». Как изменится автомобильный дизайн «Людям больше не нужна роскошь». Как изменится автомобильный дизайн

Дизайнер Infiniti Карим Хабиб рассказал, почему японцы не признают роскошь

РБК
«Банки перестали лазить в окна к любимым женщинам»: почему и куда уходят топ-менеджеры крупных банков «Банки перестали лазить в окна к любимым женщинам»: почему и куда уходят топ-менеджеры крупных банков

Высококвалифицированные банкиры покидают отрасль и начинать свои проекты

Forbes
В мужскую моду вернулся секс В мужскую моду вернулся секс

Но это не значит, что вы должны одеваться как мачо

GQ
5 способов скрыть первую седину — можно ли обойтись без краски? 5 способов скрыть первую седину — можно ли обойтись без краски?

Несколько лайфхаков от эксперта, которые помогут скрыть «серебряные нити»

Cosmopolitan
Железнодорожник встал на путь строительства Железнодорожник встал на путь строительства

Компания «РВМ Капитал» подала ходатайство о покупке доли в «РГ-Девелопмент»

РБК
5 азов кибербезопасности: как защитить себя от хакерских атак 5 азов кибербезопасности: как защитить себя от хакерских атак

Как существенно снизить свои шансы стать мишенью для атаки киберпреступников

Популярная механика
Анастасия Волочкова: «Для меня не важны зарплата и доход мужчины» Анастасия Волочкова: «Для меня не важны зарплата и доход мужчины»

Анастасия Волочкова раскрыла секрет, у кого есть шансы добиться ее сердца

StarHit
Россиянам все по борту Россиянам все по борту

Какие самолеты предпочитают представители отечественного среднего класса

РБК
Искусственный интеллект рядом: как алгоритмы галлюцинируют и учатся Искусственный интеллект рядом: как алгоритмы галлюцинируют и учатся

Бенджамин Браттон рассказал о причудливом поведении искусственного интеллекта

Forbes
Правда и вымысел о сбитом «Боинге». Что стало понятно через 5 лет после катастрофы Правда и вымысел о сбитом «Боинге». Что стало понятно через 5 лет после катастрофы

Подробный разбор версий крушения самолета от Вадима Лукашевича

Forbes
Хищение на 11 млрд рублей: почему арестовали основателя Антипинского НПЗ Хищение на 11 млрд рублей: почему арестовали основателя Антипинского НПЗ

Сбербанк подозревает основателя Антипинского НПЗ в хищении $180 млн

Forbes
Бензопилы: чем отличаются, как выбирать + рейтинг лучших моделей Бензопилы: чем отличаются, как выбирать + рейтинг лучших моделей

Подобрали для вас 8 отличных моделей бензопил на разные бюджеты

CHIP
«Покупка Lamborghini — это всегда очень индивидуальная процедура» «Покупка Lamborghini — это всегда очень индивидуальная процедура»

Коммерческий директор Automobili Lamborghini — о прибыли компании и суперкарах

РБК
Дальний Восток просится в резерв Дальний Восток просится в резерв

Бизнес-сообщество предложило использовать стратегические запасы топлива

РБК
«Тур де Франс»: велосипеды, машины и 250 чизбургеров «Тур де Франс»: велосипеды, машины и 250 чизбургеров

В Париже завершился «Тур де Франс»

РБК
Почему мы должны быть обеспокоены системой распознавания лиц: 4 главных причины Почему мы должны быть обеспокоены системой распознавания лиц: 4 главных причины

Предсказания антиутопий начинают понемногу сбываться

Playboy
Тайский бокс: альтернатива для тех, кто устал просто ходить в зал Тайский бокс: альтернатива для тех, кто устал просто ходить в зал

Рассказываем о тайском боксе и наиболее эффективных методах тренировок

GQ
Санкции на $1 млрд: Россия подготовила ответ Грузии Санкции на $1 млрд: Россия подготовила ответ Грузии

Госдума попросит президента и правительство ввести новые санкции против Грузии

Forbes
Экс-владелец Промсвязьбанка потерял контроль над одной из крупнейших российских IT-компаний Экс-владелец Промсвязьбанка потерял контроль над одной из крупнейших российских IT-компаний

У Ананьева остается 49,99% группы,но права на распоряжение этой долей забрал ВТБ

Forbes
Владимир Мухин: «Это не очень дорого – привезти «Мишлен» Владимир Мухин: «Это не очень дорого – привезти «Мишлен»

GQ поговорил с Владимиром Мухиным, шеф-поваром White Rabbit

GQ
Открыть в приложении