Ученые как разведчики у пчел: чем сегодня живет теоретическая физика

Происхождение Вселенной, темная материя и энергия, черные дыры – это только несколько тем, занимающих умы современных физиков-теоретиков. Какие вопросы сегодня стоят на острие фундаментальной науки, и кто их решает? Какие прикладные разработки появляются в результате, казалось бы, совершенно отвлеченных исследований? Об этом корреспонденту проекта «Социальный навигатор» МИА «Россия сегодня» Анне Курской рассказал профессор кафедры физики элементарных частиц Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Сергей Рубин.

— 

— Очевидно, что, если подлететь к черной дыре на небольшой скорости, она вас в себя втянет, и вы оттуда уже никогда не сможете выбраться. Но нам на Земле бояться особенно нечего.

Наблюдаемые черные дыры бывают двух типов. Первые образуются при взрыве крупных звезд, с массой в десяток раз больше нашего Солнца. Само Солнце взорвется примерно через 5 миллиардов лет, но оно имеет недостаточную массу, чтобы превратиться в черную дыру, поэтому такой тип черной дыры нам не угрожает.

Второй тип – это черные дыры в центрах галактик. Они гораздо более массивные. К примеру, масса черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь – несколько миллионов солнечных масс.

Но это тоже не очень страшно, потому что все, что могло упасть в эту черную дыру, уже упало. А всё остальное, за небольшим исключением, вращается вокруг нее по далеким орбитам с большими радиусами, и, с нашей точки зрения, мы туда никогда не упадем.

Правда, происхождение черных дыр не до конца понятно. На этот счет ученые разработали несколько научных моделей, и некоторые из них говорят, что могут существовать еще очень мелкие черные дыры, с размером меньше атома, но с большой массой, порядка 1016 грамм. Этих черных дыр может быть много, они могут летать в пространстве и, в частности, сталкиваться с Землей. Но это настолько плотные и маленькие объекты, что они пройдут сквозь Землю, и мы с вами их просто не почувствуем. Как придут, так и уйдут.

— 

— Происхождение тех же черных дыр. Может оказаться, что они появились раньше, чем галактики, тогда это поставит существующие теории с головы на ноги.

Есть и другие вопросы. Что такое темная материя и темная энергия? Все понимают, что они существуют, но никто точно не знает, что это такое. Каждый уважающий себя космолог может создать модель темной материи, и сейчас их не меньше сотни. Нужны дополнительные экспериментальные события, которые позволят отделить зерна от плевел.

Темная энергия — тоже нечто не очень понятное. Основная модель говорит о том, что в космическом вакууме нет частиц, но есть поля, которые в состоянии равновесия могут иметь энергию — вспомним про энергию электрического поля, запасаемую в конденсаторах. Возможно, энергия гипотетического поля и есть темная энергия. Есть и другие модели, и неизвестно, какая из них подтвердится.

Кроме того, в стандартной модели элементарных частиц масса нейтрино полагается равной нулю. Но некоторое время назад выяснилось, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля, хотя и на несколько порядков меньше массы заряженных частиц.

—  И в чем же здесь загадка для ученых?

— Не очень понятно, каким образом природа ухитрилась образовать частицы такой маленькой массы. Потому что, если у вас есть молоток и клещи размером 15 см, то вам будет сложно сделать с их помощью деталь размером 1 мм. Но, похоже, природе это удалось, и хотелось бы понять, как. Может быть, образно говоря, у нее есть не только молотки и клещи, но и плоскогубцы?

Есть еще несколько проблем. На мой взгляд, самая важная и недооцененная — проблема тонкой настройки параметров вселенной. Оказывается, все физические параметры вселенной – массы, плотность темной материи, энергии, заряды частиц и так далее — нельзя сильно менять. Если представить себе, что хотя бы один параметр ненамного изменился, то сразу окажется, что и звезды не смогли бы образоваться и разумная жизнь не возникла бы.

Единственное объяснение для физиков состоит в том, что, по-видимому, существует очень много вселенных разного типа. Мы живем в одной из них. И важно понять, какой механизм, и каким образом может создавать эти вселенные.

Не хочу вдаваться в детали, но помогает в этом идея наличия дополнительных пространств. Предполагается, что мы эти пространства не видим, потому что они очень маленькие по размерам, меньше чем 10-18 см. В частности, их пытаются находить на коллайдере в ЦЕРНе.

Вообще говоря, дополнительные пространства помогают объяснить очень много явлений, например, откуда берутся симметрия, частицы Хиггса, и так далее.

—  Вы хотите обнаружить нечто новое в физических законах?

— Это цель фундаментальной физики. Кстати, сейчас перед физиками, теоретиками и экспериментаторами, встал еще один вопрос. Как я уже говорил, стандартная модель не объясняет ни массу нейтрино, ни темную материю, ни темную энергию, ни гравитацию.

Значит, возможны отклонения от этой Стандартной Модели, красивой и относительно простой. На ускорителях в ЦЕРН ученые интенсивно проверяют наличие этих отклонений, но пока ничего не находят.

—  Насколько трудно ученым продвигаться в области, где экспериментальная проверка той или иной гипотезы невозможна? Как вы выходите из положения?

— Это замечательный вопрос, при ответе на который расходятся мнения многих ученых. Ведь что означает непосредственная проверка? Если рассуждать поверхностно – если вы посмотрели и увидели, как что-то летит, значит, вы это считаете истиной. Но если рассуждать глубже… Скажите, электрон кто-нибудь непосредственно видел?

 — Нет.

— Однако все уверены, что он существует, и он есть в таблицах элементарных частиц. Почему же люди считают, что электрон все-таки существует?

—  Потому что его существование дает объяснение многим наблюдаемым явлениям.

— Вот именно! Теория предполагает, что электрон существует, что позволяет сделать различные выводы.

Вначале была высказана идея: «Электрон должен существовать», и большинство ученых стали смотреть на этого человека с недоверием. Но постепенно фактов, опосредованно подтверждающих, что электрон существует, стало появляться все больше и больше, миллионы фактов. Каждый раз, включая электрический ток, мы проверяем эту теорию, и для нас вероятность того, что электрон существует, равна 100%.

С другими теориями то же самое. Например, с черными дырами в центрах галактик. Я высказал мнение подавляющего большинства физиков о том, что они существуют. Но есть и другие физики, которые говорят: «Нет там ничего. У меня своя теория». И так они спорят друг с другом. Однако фактов, подтверждающих наличие таких черных дыр, становится все больше.

Насчет массивных черных дыр тоже не все еще понятно на 100%. Но с годами вероятность точного знания повышается. Ученые предлагают и проводят проверки, которые подтверждают: да, это — черная дыра.

Точность наших приборов все время увеличивается, а диапазон длин волн, которые они могут улавливать, расширяется. Поэтому скоро мы сможем «разглядеть» черную дыру уже совсем близко, «рассмотреть» ее до деталей, и вероятность нашего знания еще повысится. Хотя почти для всех ученых она уже и так близка к 100%.

—  Область вашей работы – это исключительно фундаментальные исследования или существует возможность их прикладного использования?

— Тут есть три аспекта. Первый ответ достаточно стандартный: сейчас мы работаем на будущее, и когда-нибудь наши открытия примут осязаемую форму. Правда, интервал между научным открытием и созданием нового прибора на его основе все увеличивается.

Второй момент заключается в следующем: когда ученые на пределе своих возможностей пытаются что-то обнаружить или открыть, они придумывают новые технологии. Например, в нейтринной физике очень нужна была жидкая среда с колоссальной точностью очистки, с предельно малым количеством примесей. Была разработана специальная технология очистки. Сейчас, насколько я знаю, она используется в фармацевтике.

Более известный пример – это интернет. Всемирная паутина была изобретена как средство общения между учеными ЦЕРН. Таких примеров много, сюда можно отнести и развитие ядерной медицины. 

—  Можно сказать, что это побочные продукты фундаментальных исследований?

— Именно так. И есть еще одна вещь, может быть, наиболее важная. Я понял достаточно давно, что ни одна из групп живых существ, таких как пчелы, муравьи, собаки и люди, не могут жить без разведчиков. У пчел есть разведчики, и у муравьев тоже. Они отправляются в разные места, выискивают что-то съедобное, и рассказывают в улье или в муравейнике, что именно они нашли и, где это находится. Если бы у пчел не было разведчиков, они бы все умерли, когда съели бы все ближайшие ресурсы, и не знали бы, что делать дальше.

То же самое и с людьми. Что гнало в старые времена путешественников на кораблях в далекие моря, в бури, открывать новые земли? Конечно, любопытство, хотя и желание обогатиться тоже.

В любой группе организмов нужны особи разной специализации, в частности, наделенные чрезмерной любознательностью или любопытством. Ученые – как раз такие особи у людей.

Конечно, заниматься наукой — достаточно тяжелое дело. Это только при социализме можно было удовлетворять свое любопытство за счет государства, а сейчас это затруднительно. Поэтому, в среднем, ученые живут менее богато (хотя тут есть варианты), чем другие умные люди, которые пошли в другие профессии.

—  Мешает ли это молодым людям избирать науку своей профессией?

— Да, это одна из проблем. Чтобы состояться в науке, есть два обязательных условия: надо быть умным и любопытным.

Раньше умные ребята шли в науку. Сейчас у них есть выбор — можно, например, заняться созданием компьютерных игр, это интересно и прибыльно. Поэтому есть отток молодежи из науки. Но это, может быть, и неплохо: значит, молодые люди не настолько любопытны, как нужно. Поэтому я никого не уговариваю заниматься фундаментальной наукой.

Было несколько раз, когда ко мне приходили за советом: «Стоит ли мне заниматься фундаментальной наукой, ведь мне предлагают пойти директором магазина? «. Я в таких случаях говорю: «Что бы ты ни решил, это будет правильно». Если молодой человек перейдет в коммерческую организацию, значит, он не очень любопытный. Если он останется в науке, это значит, что деньги для него не на первом месте. Поэтому в науке остаются самые любопытные.

Интервью представлено в рамках работы IV Международной конференции по физике частиц и астрофизике (ICPPA-2018), организованной Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).