Як дзвенить світова струна
Більш 13 млрд років тому стався Великий вибух, виник наш Всесвіт. Приблизно через 10-36 секунд після Великого вибуху почалося її експоненціальне розширення. Цей період отримав назву «космологічна інфляція». Інфляційна стадія розширення Всесвіту - стадія гіпотетична, була вона чи ні, достеменно поки не відомо. Проте припущення про космологічної інфляції вирішує дуже багато важливих проблем теорії Великого вибуху. Одне з пророцтв інфляційної моделі, яке в принципі дозволяє її перевірити, - існування реліктових гравітаційних хвиль.
У березні 2014 року фахівці, що працюють на радіотелескопі BICEP2, який розташований на американській антарктичній станції «Амундсен-Скотт», повідомили про спостереження характерних особливостей в поляризації космічного реліктового випромінювання *, які могли бути викликані сильними гравітаційними хвилями квантової природи, що виникли в надранньої Всесвіту на стадії космологічної інфляції.
Це відкриття наробило багато галасу - вченим, який здійснив експеримент, пророкували Нобелівську премію. Однак з часом стало ясно, що в процесі обробки результатів експерименту був неправильно врахований сигнал від космічного пилу. Виявилося, що після усунення цієї помилки однозначний висновок про наявність гравітаційних хвиль зробити не можна. Таким чином, роль квантових процесів на ранніх етапах розвитку Всесвіту залишається під питанням, як і сама теорія квантової гравітації. На жаль, ніякого серйозного розвитку ця тема не отримала.
Проте ми вирішили обговорити, чому це гіпотетичне відкриття так важливо для вчених, з професором Сколковского інституту науки і технологій ( «Сколтех») Анатолієм Димарский - фізиком-теоретиком, які працювали в Стенфорді і Кембриджі, а в 2013 році повернувся в Росію. Ми обговорили також роль везіння в теоретичній фізиці, зв`язок і взаємний вплив математики і теоретичної фізики, а також торкнулися проблеми освіти. Але почали ми з питання: чим він займається як фізик?
- Теоретична фізика вирішує три завдання. Перша - пошук відповіді на фундаментальні питання світобудови: як природа функціонує на найглибшому рівні. На рівні досліджень це дуже часто зводиться до розвитку існуючого математичного апарату теоретичної фізики.
Друге завдання - пояснення результатів різних експериментів і як підсумок експериментальна перевірка існуючих теорій.
І третя стоїть перед теоретичною фізикою завдання - навчитися передбачати результати досліджень і експериментів вже не на якісному, а на кількісному рівні, тобто видавати якісь числа, які потім будуть порівнюватися з експериментом. Іноді буває так, що фундаментальні закони в принципі зрозумілі, але це знання не має самий корінь сили, тому що відповідні обчислення непідйомні або навіть принципово неможливі. У теоретичній фізиці подібні проблеми виникають при описі таких елементарних частинок, як, наприклад, протон. Ми припускаємо, що розуміємо фундаментальні закони, які управляють елементарними частинками, з яких складається протон, - кварки **, глюони *** і так далі. Але дати не якісне, а кількісне опис цих процесів дуже складно, тому що відсутня обчислювальний інструментарій.
Ці три завдання, як правило, пов`язані між собою. У спробі дати відповідь на одне питання ви можете раптово почати відповідати зовсім на інший. У своїх досліджень я в принципі фокусируюсь на питаннях номер два і номер три, але час від часу повертаюся і до питання номер один - до пошуку відповіді на фундаментальні питання.
Питання, який я вивчав у своїй дисертації, - наскільки теорія струн здатна допомогти нам пояснити, що відбувалося в ранньому Всесвіті, а саме процес, званий космологічної інфляцією.
Ми не до кінця розуміємо механізм, який привів до космологічної інфляції, не знаємо, чому вона сталася, і поки не можемо побудувати задовільну теоретичну модель, яка б всі ці процеси описала. Можливо, краще сформулювати інакше: ми можемо до якійсь мірі побудувати таку модель, але не можемо пояснити, звідки приходять ті чи інші компоненти в рівняннях або якісь інші вихідні параметри. Нам доводиться, грубо кажучи, брати їх зі стелі й підганяти під існуючу відповідь.
- А звідки відомо, що була ера космологічної інфляції?
- В принципі космологічна інфляція - це наукова гіпотеза, вона як і раніше не є доведеною. Але є непрямі факти, що дозволяють думати, що це правильна гіпотеза.
Є три так звані космологічні проблеми, які були сформульовані до середини сімдесятих років минулого століття.
По-перше, чому наш Всесвіт дуже плоска.
- Що значить «плоска»?
- Дуже плоска в тому сенсі, що, коли ви посилаєте промені світла, вони летять по прямій. А могли б летіти по кривій траєкторії. Виникає питання, як це пояснити. Можна постулювати, що просто початкові умови були такі, що Всесвіт стартувала з плоскою зміною і продовжувала бути плоскою завжди. Але це вимагає певної підгонки під відповідь. По-друге, чому Всесвіт однорідний і ізотропний. І по-третє, чому неможливо знайти магнітні монополі.
- А що таке магнітні монополі?
- Магнітний монополь **** - це гіпотетична дуже важка частка, що володіє одиничним магнітним зарядом. Її намагалися експериментально виявити, але поки це не вдалося. Хоча теорія передбачає, що такі частинки повинні бути.
Професор Массачусетського технологічного інституту Алан Гут запропонував вирішення цих проблем, допустивши, що на якомусь етапі існування Всесвіту вона не просто розширювалася, а розширювалася саме експоненціально швидко. Виявилося, що така гіпотеза дозволяє вирішити всі три проблеми.
Інтуїтивно в частині відсутності викривленості, однорідності і ізотропності це зрозуміти досить просто. Якщо є нехай навіть дуже криве і неоднорідне простір і воно починає дуже швидко розширюватися, то всі нерівності, все флуктуації згладжуються. Все стає абсолютно простим і плоским, дуже однорідною і розрідженим. Це проста ідея, проте вона працює. З магнітними монополіями теж просто. В результаті швидкого розширення Всесвіту їх щільність катастрофічно падає, і до кінця інфляційної епохи кількість магнітних монополів в спостережуваної частини Всесвіту дуже невелика. Мала кількість цих частинок пояснює, чому їх не вдається виявити експериментально.
Цікаво, що в теорії Алана Гута була якась теоретична проблема, яку потім дозволяли інші вчені, в тому числі наш співвітчизник Андрій Лінде, який працював тоді тут, в Москві.
Продовжуючи розмову про експериментальне обґрунтування інфляційного розширення Всесвіту, важливо згадати так зване реліктове випромінювання. Це випромінювання, яке збереглося з початкових етапів існування Всесвіту і рівномірно її заповнює. Воно однорідне з дуже хорошою точністю, але в ньому є флуктуації - це експериментально встановлений факт.
Та виявляється, що якщо Всесвіт розширюється експоненціально швидко, то квантова природа відбуваються ефектів вимагає, щоб флуктуації простору теж були квантові. Відповідно, ці квантові флуктуації повинні бути відображені у флуктуаціях реліктового випромінювання. Флуктуації реліктового випромінювання були вивчені, і їх спектр відповідає саме тому квантовому спектру, який передбачається теорією космологічної інфляції. Це найсерйозніше на даний момент непрямий доказ того, що космологічна інфляція дійсно мала місце.
*Реліктове випромінювання - космічне електромагнітне випромінювання з високим ступенем ізотропності та спектром, характерним для абсолютно чорного тіла з температурою 2,725 К. Вважається, що реліктове випромінювання збереглося з початкових етапів існування Всесвіту і рівномірно її заповнює.
** Кварки - фундаментальні частинки в Стандартної моделі елементарних частинок, що володіють електричним зарядом, кратним e / 3 і не спостерігаються у вільному стані. Кварки входять до складу таких сільновзаімодействующіх частинок, як протони і нейтрони.
*** Глюони - елементарні частинки, переносники взаємодії між кварками.
**** Теоретично можливість існування такої частки обґрунтував ще в 1931 році фізик Поль Дірак, який показав, що може бути побудована квантова електродинаміка, що враховує існування магнітних зарядів.
- Ви сказали, що ваша дисертація була присвячена тому, як теорія струн здатна допомогти в поясненні всіх цих явищ. А що таке теорія струн, якщо це взагалі можна пояснити простій людині? І як вона пов`язана з цією проблемою?
- Основна відмінність теорії струн від інших моделей, що описують наш світ на основі елементарних частинок, в тому, що, згідно з цією теорією, всі елементарні частинки, по суті, різні маніфестації одного і того ж елементарного об`єкта, який називається «струна». У струни є додатковий вимір, і вона в цьому додатковому вимірі флуктуірует - тремтить, подібно звичайному гітарної струні. Різні коливання струни в цьому додатковому вимірі, або моди, відповідають різним елементарним часткам в нашому фізичному просторі.
Важливою рисою теорії струн є те, що вона намагається об`єднати в собі і квантову механіку, і загальну теорію відносності.
- А чому потрібно їх об`єднати?
- Є явища, які поєднують квантово-механічну природу і ефекти загальної теорії відносності. Один дуже важливий приклад - рання Всесвіт, про яку ми вже говорили. Хоча ми і не знаємо, до якої міри квантові ефекти вплинули на історію нашого Всесвіту. Великий вибух, безумовно, був квантово-гравітаційним ефектом, але ми дуже погано уявляємо, що сталося, і не можемо експериментально і навіть теоретично наблизитися до Великому вибуху. Однак ми намагаємося зрозуміти куди більш простий, з точки зору теорії, феномен - космологічні інфляцію. Якщо нам дуже пощастило і космологічна інфляція пройшла за таким сценарієм, де квантова гравітація відігравала важливу роль, це дасть нам можливість вивчати квантову гравітацію, в тому числі експериментально. Це перший приклад.
Другий приклад - фізика чорних дір. Є так званий інформаційний парадокс чорних дірок. Квантова механіка передбачає, що інформація не може зникнути. Наприклад, у вас є інформація у вигляді книги, і ви можете цю книгу спалити і розвіяти попіл. Тоді інформація з книги розвіється по всьому простору, але зникнути вона не може. Це постулат квантової механіки. Проте чорні діри - це такі містичні об`єкти, які поглинають в себе все, в тому числі вашу книгу, і назад цю інформацію вже ніколи не повернути. І хоча я зараз дуже сильно все спрощую, видно, що виникає так званий інформаційний парадокс чорних дірок. Тут або не працюють ефекти загальної теорії відносності, які стверджують, що чорна діра не може нічого повернути назад, або ж не працюють постулати квантової механіки, які стверджують, що інформація не може щезнути.
За останній час в області розуміння інформаційного парадоксу був досягнутий величезний прогрес. Зараз ми вважаємо, що квантова механіка вірна, а ефекти загальної теорії допускають виключення. Тобто інформація може якимось чином ...
- ... чорну діру покинути.
- Ми вже знаємо з кінця сімдесятих років, що чорна діра може випромінювати - це так зване випромінювання Хокінга. Але вважалося, що це випромінювання не може нести в собі інформацію. Зараз ми розуміємо, що це не так, що інформація повинна разом з цим випромінюванням виходити з чорної діри, але детальний механізм проникнення інформації за межі чорної діри разом з хокінговскім випромінюванням в деталях не зрозумілий. Це один з актуальних питань теоретичної физики.
Якщо повернутися до теорії струн, то вона хороша як раз тим, що може описати гравітацію на квантовому рівні.
- А як пов`язані теорія струн і космологічна інфляція?
- Космологічна інфляція сталася на ранніх етапах розвитку Всесвіті. Ми не можемо затверджувати точно, але можливий сценарій розвитку Всесвіті, в рамках якого саме гравітаційні квантові ефекти були важливі на цій стадії. І якщо такий сценарій дійсно реалізувався, тоді у нас фактично немає ніяких інших методів описати те, що відбувається, крім як у рамках теорії струн. Ось ми і зробили спробу подивитися, наскільки такий опис буде природно, наскільки воно буде володіти прогностичної сили.
Цікаво, що теорія струн виникла як спроба вирішити питання номер три, тобто описати ядерні та суб`ядерними взаємодії. Я вже згадував, що протон полягає з кварків і глюонів. Це можливо завдяки такому явищу, як конфайнмент: утримування кварків всередині протона. Пояснити, чому це відбувається, ми можемо на якісному рівні, але на кількісному рівні точний опис, за великим рахунком, немає.
В кінці шістдесятих була зроблена спроба зрозуміти, як взаємодіють кварки всередині протонів або нейтронів. І теорія струн була, зокрема, придумана як модель для опису взаємодії елементарних частинок, що формують протон, а також інших елементарних частинок, що беруть участь в сильних взаємодіях.
- Ця теорія може якимось чином бути підтверджена експериментально?
- Та теорія струн, яка була придумана в шістдесяті роки для пояснення протона, застаріла. Але з`ясувалося, що теорія струн є дуже хорошим кандидатом для відповіді на питання, як працюють самі фундаментальні закони фізики. Чи можемо ми її перевірити? На даний момент здійснити експеримент, який зумів би відрізнити теорію струн від альтернативних теорій, ми не можемо. Більш того, ми не знаємо, чи зможемо ми такий експеримент придумати і поставити в майбутньому. Можливо, це буде залежати від нашої удачі.
Ми не знаємо, який із сценаріїв реалізований в нашому Всесвіті, зокрема на яких енергіях відбувалася космологічна інфляція. Якщо нам пощастить і космологічна інфляція відбувалася на виключно високих енергіях, тоді у нас з`явиться шанс хоча б частково перевірити теорію струн.
Або на певному етапі в рамках прискорювальних експериментів ми виявимо так звані додаткові виміри. Це теж дасть нам шанс експериментально перевірити теорію струн.
Тобто перевірити теорію струн зможемо, якщо нам дуже пощастить або, правильніше сказати, якщо нам вже пощастило, хоча ми про це ще не знаємо.
- Ви сказали про прискорювальних експериментах. Йдеться про Великому адронному колайдері? Або для підтвердження теорії струн потрібно ще більший прискорювач?
- Ми не знаємо, яких енергій потрібно досягти, щоб експериментально виявити підтвердження теорії струн. Звичайно, при збільшенні енергії на прискорювачі збільшується і шанс виявити щось нове і цікаве. Але якихось серйозних аргументів на користь того, що саме при рівні енергій, досяжному на БАК, або в десять разів, або в сто раз цей рівень перевищує, ми виявимо побічно сліди або елементи теорії струн - таких аргументів в нас немає.
- Чи може теоретична фізика закінчитися? Припустимо, ми зуміємо пізнати весь світ, отримаємо вичерпні відповіді на всі питання - і далі залишаться тільки деталі, які будуть вирішувати якісь прикладні науки.
- Відповідь на це питання, на мій погляд, пов`язаний з іншим питанням: чи закінчиться математика? Я думаю що ні. А значить, не закінчиться і фізика.
- Тобто?
- По своїй внутрішній структурі теоретична фізика - це дисципліна, споріднена і багато в чому схожа на математику. І точно так само як розвиток математики нескінченно, безмежно і розвиток теоретичної фізики.
- А фізика впливає на математику?
- Безумовно. Дозвольте привести лише один маленький приклад. Є деякі специфічні інтеграли від певних гіпергеометричних функцій. В принципі такі об`єкти вивчаються наукою вже більше сотні років.
І ось в результаті фізичних досліджень виникає нове співвідношення, такий-то інтеграл від однієї функції дорівнює такому-то інтегралу від іншої функції. Раніше це співвідношення відомо не було. Ніякі фахівці з гіпергеометричних функцій цього не знали. Зараз, коли вам про це розповіли, ви можете намагатися це співвідношення вивчити і довести.
Так ось, ці співвідношення були отримані саме в рамках теорії струн. І вони були отримані не математиками, а фізиками, саме фізичними методами. В рамках теоретичної фізики часто бувають ситуації, які передбачають два різних опису однієї і тієї ж теоретичної моделі. Це називається дуальністю. Корпускулярно-хвильовий дуалізм - один із прикладів такої дуальності. У вас є одна і та ж фізична система, яку ви називаєте «елементарна частинка», але це просто назва. Насправді у вас є два паралельних опису, один у вигляді хвилі, інше - у вигляді частки.
Тобто у вас є одна і та ж фізична система, але з математичної точки зору вона описується абсолютно різними рівняннями. Частка, грубо кажучи, описується траєкторією. Це лінія, це функція або кілька функцій від однієї змінної. Хвиля - це вже функція від багатьох змінних. З математичної точки зору це два різних об`єкта.
Проте ви знаєте, що описуєте одну і ту ж фізичну систему. Тому якщо ви будете задавати одні і ті ж питання, наприклад, про результати якогось гіпотетичного експерименту, то в рамках двох існуючих описів прийдете до одного і того ж відповіді. Це може виглядати як якесь тривіальне рівність, коли певна кількість дорівнюватиме самому собі. Але може виглядати і як зовсім нетривіальне рівняння, де якась складна формула зліва дорівнює зовсім інший складною формулою справа. Це вже буде нова математичне твердження. Тепер ви можете забути, як прийшли до цього твердження і що ви описуєте якусь фізичну систему, і далі вивчати його з чисто математичної точки зору.
- Ви читаєте в «Сколтехе» курс «Думати математично». А що для вас означає «думати математично»?
- Як правило, якщо мова йде про навчання математиці в рамках інженерного курсу або курсу природничих наук, в першу чергу мова йде про прищепленні якихось практичних навичок. Наприклад, рішення диференціальних рівнянь певного виду. Тобто дуже вузький набір завдань в дуже вузькому контексті. Ніякої загальної картини при цьому у студентів не виникає. Як результат, одні і ті ж завдання в різних контекстах студенти можуть просто не впізнати. Грубо кажучи, ви знаєте, як вирішувати певні завдання по заданому алгоритму, але розуміння того, що відбувається, у вас немає. А я хотів би в першу чергу пояснити студентам, що математика - це універсальна мова.
Я намагаюся навчити студентів мислити математично, тобто мислити абстрактно, мислити в термінах математичних категорій, а не якихось конкретних програм. Тому що вважаю дуже важливими міждисциплінарні дослідження. І хотів би, щоб студенти вміли працювати междисциплинарно, тобто не обмежуючись рамками будь-яких окремих дисциплін. А для цього їм необхідно вміти використовувати весь наявний інструментарій якомога ширше.
- Чи можна, розвиваючи вашу думку, сказати, що сучасний фізик - це фізик, який повинен вміти думати математично і при цьому не повинен відволікатися на інтуїтивне пояснення фізичних явищ, тим більше що, здається, часом це просто неможливо?
- Я згоден з тим, що фізик повинен вміти думати математично. Але мені здається, що якраз сила фізичної школи мислення в тому, що вона інтуїтивна. Саме це часто дозволяє фізики, хоча і не завжди, випереджати математику.
- І на рівні теорії струн теж може працювати інтуїція?
- Безумовно. Наприклад, в рамках теорії струн існує голографічне відповідність, коли одна і та ж фізична система має два абсолютно різних опису. Одне опис в термінах квантової теорії поля, інше опис в термінах теорії відносності. І обидва описують систему точно. Математично строго встановити це неможливо, і ми спираємося на інтуїцію, щоб зрозуміти, що це дійсно так. Так що часто робота йде саме на рівні аналогій і інтуїції, а не на рівні математичних формул.
Голографія в даному випадку - це запозичене слово.Обичная голографія створює тривимірну візуалізацію за допомогою двомірної пластинки. Щось схоже відбувається і в разі голографічного відповідності: одне опис - це елементарні частинки електрони і фотони в плоскому чотиривимірному просторі, інший опис - гравітаційні поля в пятимерном пространстве. Одне опис - в термінах квантової теорії поля. Друге окреслення - в термінах теорії відносності.
Чи хочете ви описувати взаємодію електронів і фотонів за допомогою Гравітон або, навпаки, хочете описувати Гравітон за допомогою електронів іфотонів - це залежить від поставленого завдання. Я частіше описую фотони за допомогою Гравітон, ніж навпаки.
- Ви закінчили Московський університет. Чому ви поїхали за кордон одразу після його закінчення?
- Я розумів, що кращу освіту, кращі професори - все це в даний момент знаходиться в США. І якщо я хочу реалізувати себе як фізик, потрібно їхати до Сполучених Штатів, щоб продовжити там навчання в аспірантурі.
Коли мова йде про якість освіти на рівні аспірантури, головну роль грає актуальність вибору наукової теми. На момент закінчення університету я розумів, що існуючі в Москві наукові групи не завжди займалися найпередовішими речами.
- Чому? Здавалося б, теоретична фізика не вимагає якихось приладів.
- Тут комбінація декількох факторів. Перший фактор: наукова праця передбачає постійне спілкування з колегами. У Радянському Союзі було досить багато фахівців у цій галузі, була насичена наукова життя, люди активно спілкувалися між собою. Те, що я бачив уже студентом, - відбувся розпад на окремі острівці. Кожен серйозний фахівець продовжував займатися своєю темою, але інтенсивність спілкування між різними групами була вже невелика ... Можна сказати, не було єдиного наукового співтовариства. Не хочу сказати, що спілкування між групами не було взагалі. Але просто в порівнянні з тим, як це працює в США, коли на базі кожного університету функціонує семінар, люди їздять, спілкуються, обмінюються ідеями ... У Москві, звичайно, щось подібне було, але кожна наукова школа влаштовувала свої власні семінари, і між школами спілкування було дуже мало. І виходило так, що відбувалася самоізоляція. Це перший найважливіший фактор.
Другий фактор - зазвичай учений на ранніх етапах своєї кар`єри стає фахівцем в якійсь певній області і далі в цій конкретній галузі працює. А нові теми пропонують і просувають молодші люди. Як ви самі знаєте, дуже багато молодих талановитих вчених виїхало з Радянського Союзу, з Росії в кінці вісімдесятих - початку дев`яностих років. І на початку двотисячних, коли я закінчував університет, явно відчувався дефіцит молодих людей в науці, в віці від 25 до 40-45 років, і зараз він продовжує дуже гостро відчуватися. Є люди зовсім молоді, студенти та аспіранти, є відбулися вчені, але немає за все «спектра».
- А «Сколтех» ви чому вибрали?
- Для мене дуже важливо, що в «Сколтехе» на рівень організації університету прибрані всі міждисциплінарні бар`єри. У нас в університеті немає факультетів, у професорів немає ярлика «професор фізики» або «професор математики». Ми всі разом - професорсько-викладацький склад університету. Ми активно спілкуємося один з одним, з усіма нашими студентами і аспірантами незалежно від теми досліджень.
Мені завжди було цікаво займатися якимись міждисциплінарними проектами, що мають прикладний характер і виходи на практичні технології. І я розумів, що в рамках звичайного університету, бо я є теорфізіком і мене оцінюють саме як теорфізіка, мені буде важко реалізувати такі проекти. Мої заняття чим-небудь крім основної тематики, не сприйматимуться позитивно. Вони будуть сприйняті як приватна ініціатива, в кращому випадку.
У «Сколтехе» ж, навпаки, такого роду діяльність вітається, і мені це дуже подобається. У «Сколтехе» 15 різних центрів, які поєднують в собі дослідницькі функції, освітні та інноваційні. Я із задоволенням взаємодію відразу з декількома такими центрами і вирішую різні завдання, в тому числі прикладні. Власне, це те, заради чого я йшов в «Сколтех».
«Експерт»
