Добрый день.
Название моей лекции занял Тини Велтман:
«Будущее физики элементарных частиц».
Пришлось менять на
«фундаментальную физику».
Но, по сути,
смысл тот же.
Что такое физика
элементарных частиц:
это изучение и осмысление
базовых составляющих материи
и тех сил, которые
на них воздействуют.
Успех стандартной модели
привёл к тому, что физика частиц
распространилась на понимание гравитации,
динамического пространства-времени,
а значит — космологии,
истории Вселенной.
Я уделю совсем немного внимания
каждой из этих тем.
Времени у нас мало.
Я начну так же, как Карло Руббиа, —
со стандартной модели.
Она в буквальном смысле
является продуктом
нескольких тысяч лет попыток
понять атомы в основе материи,
то есть всего, что вокруг нас и из чего мы
состоим; и воздействующие на атомы силы.
Результат этих попыток —
то, что мы называем «моделью»,
хотя это — самая
всеобъемлющая, точная,
количественно описанная
и экспериментально проверенная теория
из всех, что
существовали в физике.
Она…
Она описывает базовые составляющие
материи: верхние и нижние кварки,
из которых
состоят ядра,
и электроны, плюс
сопутствующие нейтрино.
В сочетании с электронами
ядра образуют атомы.
В дополнение к этому известны
ещё по два семейства кварков и лептонов.
А главное, она включает силы,
воздействующие на кварки и лептоны,
содержит обобщение
теории Максвелла —
теории электромагнетизма,
которую учат в школе.
Модель обобщает и другие теории.
В ней есть частицы — кварки, лептоны —
с зарядами неэлектрической природы.
Они переносят иные типы заряда,
а именно, слабый заряд двух видов
и сильный заряд, который бывает
трёх видов — мы называем их цветами.
Она описывает все взаимодействия
в атомах и их ядрах,
кроме гравитации,
которая действует на всех масштабах,
но её влияние пренебрежимо мало
на обычных масштабах.
Добавляем сюда недостающий ингредиент,
о котором говорил Карло.
Его открыли семь лет назад, почти
день в день, так ведь? Кажется, 4 июля
сообщили об открытии последней детали —
бозона Хиггса.
Хотя по сей день у нас
довольно мало сведений о нём
и даже подтверждений…
Как я уже сказал, этот поиск
начался тысячи лет назад.
В нём участвовали бесчисленные
теоретики и экспериментаторы
на протяжении столетий,
особенно последнего.
52 из них получили
Нобелевские премии,
52 лауреата.
30 Нобелевских премий!
Это отнюдь не труд узкой группы учёных,
это вам не теория гравитации Эйнштейна.
22 премии —
за экспериментальные исследования,
10 штук — за теорию. Это вам урок: физику-
теоретику получить Нобелевку труднее.
Пятеро — в этом зале.
А вот и они: Томсон, Чедвик,
Лоуренс, Юкава (теоретик),
Янг и Ли,
Швингер, Фейнман, Гелл-Манн.
Глэшоу, Вайнберг, Салам.
Кронин и Фитч. Карло Руббиа только что
выступал. Тини Велтман читал лекцию утром.
И так далее, вплоть до премии Кадзиты и
Макдональда, самой свежей в нашей области.
Они оба — в этом зале.
Кульминация столетий
физических изысканий —
сформулированная в конце XX века
исчерпывающая стандартная теория.
Она прекрасна!
Если вы более-менее в теме,
то и сами видите её красоту.
А если нет, то поверьте мне на слово,
даже если со стороны кажется иначе.
В её основе — принципы глубокой симметрии,
квантовая механика, теория относительности,
локальные симметрии природы.
Здесь есть не вычисляемые в рамках
стандартной теории параметры, но их мало.
Одного-двух хватает для объяснения всей
обычной физики, что мы наблюдаем вокруг.
Из неё выводятся результаты
любого когда-либо сделанного измерения
…на Земле.
Это не относится к тёмной материи: её пока
наблюдают вдали, на просторах Вселенной.
Точность предсказаний этой теории
не имеет ограничений.
В ряде случаев она достигает
триллионных долей [10⁻¹⁰%].
А для тысяч других экспериментов —
свыше 1% или 0,1%.
Если добавить сюда описание гравитации
из общей теории относительности Эйнштейна,
мы получим более чем исчерпывающую,
успешную фундаментальную теорию.
Я понимаю фундаментальность
в духе редукционизма.
Она описывает, из каких деталей
собран мир и как они взаимодействуют
и образуют структуры,
например нас.
И одна эта теория
в ключе редукционизма применима…
Доступные нам данные
говорят:
она работает на невероятно малых масштабах,
быть может, вплоть до планковской величины,
и на масштабе
размера Вселенной.
Ядра и атомы подчиняются одинаковым
законам в любой точке Вселенной.
Поразительно:
разница в 60 порядков.
Мы упорно ищем ошибки в этой теории, чтобы
получить те ответы, которых пока не имеем.
Об этом переднем крае исследований
я ещё скажу.
Рассмотрим этот лагранжиан.
В принципе, он позволяет вам,
зная квантовую теорию поля, посчитать
на большом компьютере всё что угодно.
Есть здесь пара мест,
которые не назовёшь прекрасными.
Например…
Значения масс кварков, лептонов, нейтрино
и константы связи приходится измерять.
Хотелось бы их рассчитать.
Но это желание теоретика,
теоретическая проблема.
Теоретики — люди самонадеянные, хотят всё
рассчитать. Понять, почему так, а не иначе.
Но с точки зрения практики, эксперимента
таково положение вещей:
какие-то числа пока получается
только измерить, но не рассчитать.
Есть и другие загвоздки.
Параметр ядерного взаимодействия
нарушает инверсию чётности и времени.
Он совсем мал.
Есть гипотезы касательно того, в чём
здесь дело, но они не подтверждены.
Другой вопрос
связан с частицей Хиггса.
Хотелось бы вывести её свойства
из глубинных принципов. Не выходит.
И разумеется, исчерпывающая теория
должна описывать гравитацию.
Пока мы её понимаем, наблюдаем и проверяем
лишь на классическом, не квантовом уровне.
Плюс тема вчерашнего обсуждения —
тёмная энергия.
Куда без неё.
Она определяет
крупномасштабную структуру Вселенной.
В целом таков теоретический фундамент
современной физики —
весьма чёткая теория,
в которой большинство
параметров точно измерены.
В принципе,
она позволяет рассчитать
почти что угодно.
Я хочу сосредоточиться на своей
любимой части этой теории — на КХД.
Ей я особенно горжусь.
Одним из открытий стало,
что сильное ядерное взаимодействие,
которое удерживает протоны и нейтроны
в ядрах атомов от распада на кварки,
переносится полем,
подобно тому как электромагнитное поле
переносит электромагнитное взаимодействие.
Только у кварков сразу три типа зарядов.
Мы называем их красным, зелёным и синим.
В отличие от
классической физики
квантовая механика учитывает странные
свойства вакуума, как на этой анимации:
квантовые флуктуации хромодинамических
полей, виртуальные частицы
рождаются и исчезают.
Иначе сильное взаимодействие работало бы
как закон Кулона, закон обратных квадратов.
Мы бы запросто ионизировали протоны,
нейтроны, пустили кварки по проводам,
сделали кварковый двигатель…
Но нельзя. Никто не видел отдельный кварк.
А всё потому, что, как оказалось,
квантовый вакуум — это своего рода среда с
особыми свойствами, странными свойствами.
Он сдавливает,
вакуум сжимает
силовые линии поля в трубку.
Достаточно применить
закон Гаусса
к силовым линиям в форме трубки,
и вы увидите:
при увеличении расстояния
притяжение кварков не уменьшается.
Необходимая
для разделения энергия
растёт
до бесконечности
у этих асимптотически свободных частиц.
По той же логике
на малом расстоянии друг от друга,
в асимптотическом пределе,
кварки — свободные частицы.
Это наблюдение и легло
в основу теории.
Вот что происходит при попытке
разделить кварк и антикварк.
Видно, что силовые линии
собираются в трубку.
Поэтому для кварков характерен
так называемый конфайнмент (неделимость).
Как бы вы ни сталкивали протоны,
они никогда не разлетятся на кварки.
Хотя вы могли бы
подогреть эту комнату
до температуры
100 млн градусов.
Протоны…
Нейтроны расплавятся,
высвободив кварки.
Это уже реализовано на коротких временных
промежутках в столкновениях тяжёлых ионов.
Мы видим фазовый переход в поведении
вакуума, удерживающего кварки в нуклонах.
Обратите внимание: трубки из силовых линий
похожи на толстые струны.
Не даром…
Теория струн,
а ей, кстати, уже 51 год,
изначально представляла собой
попытку понять свойства ядер,
сильного взаимодействия.
Полученные данные привели учёных
к концепции протяжённых объектов, струн.
Мы видим в этом альтернативный
способ описания КХД и не только.
Однако…
Что не укладывается
в стандартную теорию?
Есть отдельные экспериментальные зацепки:
тёмная материя, о которой шла речь вчера,
масса нейтрино, спектр и свойства
которых мы всё ещё измеряем,
преобладание материи
над антиматерией во Вселенной
ускоренное расширение Вселенной и т. д.
И есть нерешённые вопросы теории:
объединить взаимодействия,
рассчитать недостающие массы
и масштабы слабых взаимодействий,
плюс проблемы космологии: вакуумная,
тёмная энергия, понимание инфляции и т. д.
Всё чаще мы ищем подобные зацепки
в космологии, астрономии, астрофизике.
Тема одной
из вчерашних лекций —
неимоверные прорывы
в понимании физической космологии
почти от рождения Вселенной
до наших дней.
Удивительная стандартная теория,
настоящее чудо Вселенной.
Однако она и другие данные
измерений и наблюдений,
о которых говорилось вчера,
указывают на существование
тёмной материи
и тёмной энергии.
Одна из сверхзадач
теоретической физики —
прояснить их природу,
объяснить тёмную материю,
проверить предположения о тёмной энергии.
Важнейшие задачи.
Но что будет ещё сложнее,
так это дойти до самого начала.
Модели, к которым теоретики прибегают
для интерпретации реликтового излучения,
уходят в прошлое
почти до самого начала,
когда прошли нано-нано-нано-наносекунды
после рождения Вселенной, Большого взрыва.
Что бы там ни произошло, пока в этой точке
все наши концепции и уравнения дают сбой.
Один из сложнейших
вопросов в физике.
И это ещё слабо сказано.
Мы достигли момента
в развитии науки,
когда вопрос «Как появилась Вселенная?»
является научным.
На эту тему публикуются
серьёзные работы,
делаются
серьёзные предположения.
В силах ли физика определить
начальное состояние Вселенной?
Никто не знает,
ведь этот вопрос никогда
не входил в поле зрения физиков
и не был доступен нашим
инструментам для наблюдения,
эксперимента и моделирования.
На мой взгляд, поскольку
законы физики представляются
совершенно неизменными
при обращении времени,
встаёт не менее важный вопрос:
как закончится существование Вселенной.
Вернёмся к физике частиц. С момента
появления стандартной модели
теоретики экстраполировали её на всё более
высокие энергии и близкие взаимодействия.
Для теоретика это не вопрос,
экспериментаторам — сложнее.
Удивительный факт: известные нам три силы,
которые действуют в атоме и его ядре,
сводятся к взаимодействию
единой природы
при достижении
невообразимо высоких энергий,
на невообразимо
малых масштабах.
Причём ещё более примечательно то,
что именно на таких масштабах и энергиях
гравитация становится
значимым квантовым взаимодействием.
Классическая гравитация
перестаёт работать.
Очень напрашивается вывод: по крайней мере
известные нам взаимодействия
на этом масштабе
сходятся воедино.
Будоражит фантазию.
Отсюда большое внимание
к теории струн:
она предлагает возможность
объединить взаимодействия —
свести их все воедино
на так называемом планковском масштабе.
Теория струн изначально
была попыткой понять мезоны,
сильное взаимодействие — квантовую
хромодинамику, как мы теперь говорим.
Их описали как незамкнутые струны,
силовые трубки с кварками на концах.
Но этот подход вскоре привёл к идее,
что струну можно замкнуть.
Мы получаем замкнутые струны,
и предполагается, что их свойства
на больших расстояниях
и низких энергиях порождают
эйнштейновскую гравитацию.
В этом — одна из самых
поразительных возможностей,
связанных с теорией струн, —
описать и гравитацию,
и остальные взаимодействия
в рамках одного подхода.
Остаётся открытым вопрос,
преуспеет ли теория струн
в том, чтобы описать
все частицы и силы
как разные проявления
одного объекта.
Увы, эта физика происходит
на планковском масштабе.
Планк
ввёл понятие
кванта действия и понял
что постоянная Планка лежит в основе
фундаментальных единиц измерения
длины и расстояния,
и энергии или массы.
Их назвали планковскими единицами:
скорость света,
постоянная Планка
и постоянная Ньютона.
Они задают фундаментальные
масштабы длин в физике.
Увы, они неимоверно далеки
от нашего опыта в обычной жизни,
даже от «обычных» ускорителей.
Я называю это
проклятием логарифмов.
Сейчас объясню.
Создавая стандартную теорию,
мы узнали:
к основным взаимодействиям
применима логарифмическая шкала.
По мере увеличения энергии или уменьшения
масштаба, всё меняется очень постепенно.
Логарифмически.
За последние 100 лет мы спустились по этой
логарифмической шкале, ушли из макромира.
Мы поняли атом.
Мы дошли до масштаба сильного
и слабого ядерных взаимодействий.
Если мерить
логарифмической линейкой,
то до понимания физики планковского
масштаба остался один подобный скачок.
Быстро справимся.
За несколько десятилетий.
К сожалению, наши возможности
для измерений и наблюдений
вовсе не растут экспоненциально
по мере увеличения энергии.
Скорее, затраты в долларах пропорциональны
квадрату энергии. Это если вы оптимист.
Получается экспонента
логарифма энергии.
На такой шкале между Фермилаб и Большим
адронным коллайдером — большой скачок.
До коллайдеров будущего,
о которых говорил Карло, —
ещё один солидный прыжок.
Но если нам нужен инструмент с планковским
разрешением, наш «микроскоп», ускоритель…
Не перепутать бы. Он будет на графике
вон там, через много-много километров.
Кажется, прямые измерения на планковском
масштабе невозможно даже вообразить.
Что нам делать? Пока стоит присмотреться
к ближайшему неизученному диапазону.
Это более чем реальная цель.
И таких проектов много.
Скажем, Карло рассказывал
про новый подход — мюонный коллайдер.
Но и отработанные технологии
вполне позволяют
построить коллайдер на 100 ТэВ…
Его можно построить в ЦЕРН, такой проект
уже обсуждается. Кроме того,
появляются новые игроки —
страны с большими ресурсами.
Например, подобный проект
могут реализовать в Китае.
Тем временем теоретики могут продолжать,
полные трепета, нащупывать путь в темноте.
Так они и поступают, вдохновившись словами
Эйнштейна, скажем этой прекрасной цитатой:
«Успех этой попытки, —
здесь речь о его попытке, —
получить законы природы
путём сугубо мысленных изысканий,
исходя из веры
в единое устройство реальности,
подталкивает нас двигаться дальше
по пути умозрительной деятельности,
в опасности которого должен
отдавать себе полный отчёт всякий,
кто отважился на него ступить».
Ну да: следует соблюдать осторожность,
но всё же продолжать. Так мы и делаем.
Мы стремимся прийти
к единой теории,
понять квантовую природу гравитации,
динамического пространства-времени.
Ведь если просто применить квантовую
механику к эйнштейновской гравитации,
мы получаем
аномальные флуктуации
пространства-времени
на планковском масштабе.
Всё перестаёт работать.
Нужно выйти за рамки
теории Эйнштейна.
Он сам это приветствовал
и предпринимал подобные попытки.
Мы ставим под вопрос
понимание пространства-времени.
Теория струн — напоминание, что измерений
пространства может быть больше трёх.
Вполне реальная возможность.
И очень интересная.
Первые попытки квантовать
теорию Эйнштейна вылились
в странные свойства чёрных дыр,
а их во Вселенной нашлось много.
Кажется, эти свойства противоречат
основам квантовой механики.
Возьмём носители
коррелированной информации,
например запутанные
пары квантов.
Пусть один кубит
упадёт в чёрную дыру.
Чёрная дыра испаряется.
Остаётся смешанное состояние.
Информация утрачена — налицо противоречие
принципам квантовой механики.
Стремление прийти
к фундаментальному пониманию чёрных дыр
десятилетиями вдохновляет наши [как
сказал бы Эйнштейн] Gedankenexperiment’ы,
или мысленные эксперименты,
с квантовой гравитацией.
Для теории струн последние 10–20 лет
стали периодом перемен.
Была обнаружена глубокая двойственность
в описании некоторых физических явлений.
С одной стороны — незамкнутые струны,
например мезоны.
Их концы находятся
на поверхностях, «бранах».
С другой — замкнутые,
они описывают гравитацию.
Мы обнаружили
весьма надёжное подтверждение
полной эквивалентности двух
абсолютно не похожих описаний природы —
квантово-механического описания
без гравитации и струн в пространстве
с многими измерениями.
Есть ощущение, что тем самым устранены
парадоксы чёрных дыр.
В частности, Хокинг утверждал,
что образование чёрных дыр
и их испарение противоречит
квантовой механике.
Похоже, что…
это вовсе не так, и доказательство тому —
связь, обнаруженная между известными
сохраняющими информацию процессами,
такими как образование
хромоплазмы, а это уже
реализовано в лаборатории,
и чёрными дырами, причём даже сам Хокинг
признавал, что информация сохраняется.
У этих идей
есть и другие важные приложения.
Обо всём не расскажешь.
Интересно: теория струн ставит под вопрос
привычное понимание пространства-времени.
Выдвигается предположение,
что пространство-время эмерджентно.
И гравитация тоже.
Эта мысль с большим трудом
укладывается в голове,
равно как и идея
рождения Вселенной.
Такое трудно представить.
В заключение
я хотел бы очень коротко
коснуться ещё одного
вопроса.
Вероятно, многих может
несколько покоробить
самонадеянность физиков-теоретиков
с их попытками понять,
из чего состоит пространство-время
и как появилась Вселенная.
Неужели такого рода фундаментальные
исследования могут продолжаться вечно?
Один из вариантов, чем всё может
кончиться, — создание теории всего.
Но есть и другой: быть может,
нам попросту не хватит мозгов понять,
откуда взялась Вселенная.
Что важнее, нам может не хватить мотивации…
Существует ли окончательная теория?
Я рассматриваю этот вопрос
с точки зрения геометрии знания.
Наверное, кому-то из вас знакома
модель знания как луковицы.
Вы отделяете слои луковицы знания,
пока не доберётесь до истины в центре.
Но эта модель так мало объясняет,
что от неё слёзы наворачиваются.
Мне больше нравится метафора растущего
острова знания в море неведения.
Эта модель объясняет явление,
с которым мы все сталкивались:
объём вашего знания
растёт за счёт учёбы и исследований.
Причём незнание тоже растёт, но медленнее.
Ведь незнание локализовано
на границе знания.
Нас не касается незнание о неизвестном,
которое где-то там далеко.
Поэтому…
Конечно, чем больше знаешь,
тем больше осознаёшь своё незнание.
Но всё равно умнеешь,
потому что знание растёт быстрее незнания.
Эта модель уже
что-то может объяснить.
Попробуем применить её
к нашему вопросу:
возможна ли окончательная теория?
Иными словами, есть ли у незнания предел?
Эта дилемма знакома нам
из истории исследования Земли.
Так выглядела средневековая карта мира
с позиции европейца.
Центр мира — допустим, в Риме.
На карте — известная часть мира.
Неизвестная находится где-то там.
Зона нашего незнания
примыкает к границе известного.
Окажись Земля плоской,
её бы исследовали вечно.
Но Земля не плоская.
В условиях конечного,
компактного шара
незнание в какой-то
момент иссякло.
Мы получили
исчерпывающую карту мира,
с разрешением в 1 см или 1 м.
Географические общества
закрыли свои двери.
У нас есть окончательная
теория географии.
Является ли море незнания компактным?
Не знаю, я агностик. Оно может оказаться
плоским, неограниченным и бесконечным.
Тогда не будет конца
и у фундаментальной физики.
Оно может оказаться круглым, компактным
и конечным. Тогда незнание иссякнет.
Игра закончится.
Я не знаю, я агностик.
Но я могу сказать одно:
пока не закругляется.
Мы бы сразу заметили!
У нас бы внезапно стали
заканчиваться вопросы и идеи.
Нечем было бы заняться.
Но нет, пока что незнание растёт.
Даже если мы придём к окончательной теории
в духе редукционизма, это не конец физики.
Редукционизм…
Редукционизм свойственен всем физикам.
Но физика в основном исследует
по всей видимости бесконечные структуры
и явления, которые могут иметь
общее фундаментальное описание.
Что же до того,
сможем ли мы продолжать вечно,
хватит ли нам ума… До чего самонадеянно!
Гомо сапиенсу всего 100 тыс. лет.
И мы мним себя столь умными, чтобы понять,
по каким законам появилась Вселенная
и какова структура
пространства-времени.
Довольно дерзко. Если взглянуть
на наших братьев меньших,
они не могут.
Я не смог обучить свою собаку
квантовой механике.
Мы отдаём себе отчёт,
что наши братья меньшие
не могут ответить на эти вопросы.
Тогда почему сможем мы?
Я в данном случае оптимист.
Потому что наши инструменты,
в частности язык
и математика как его высшее проявление,
имеют неограниченный потенциал.
Кроме того, не похоже, чтобы мы имели дело
с вопросами, на которые нельзя ответить.
Эксперимент это явно опровергает.
Какой эксперимент?
У новых поколений аспирантов не уходит
больше времени на получение степени!
Вас всё так же много.
Вы молоды и готовы действовать, и 100 лет
назад было так же. Мы в силах продолжать.
Главное опасение — хватит ли нам мотивации
и средств, чтобы продолжать вечно.
Не перестанет ли общество финансировать
дорогостоящие телескопы и ускорители?
Могу лишь надеяться, что нет,
и процитировать Гильберта:
«Мы должны знать — мы будем знать».
А значит, самое интересное впереди.
Спасибо за внимание!
