«А что если у пространства десять измерений?»

«А что если у пространства десять измерений?»

Беседа с главным научным сотрудником Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау Александром Белавиным

Из чего создана материя, есть ли шанс доказать теорию струн и можно ли создать сверхмощную кварковую бомбу? «Огонек» поговорил с одним из ведущих физиков-теоретиков, главным научным сотрудником Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау Александром Белавиным.

1 / 2

Чем известен Александр Белавин

В подмосковной Черноголовке в сосновом бору стоит неприметное с дороги здание. Когда-то это была крохотная пристройка к столовой советского монстра — Института химической физики АН СССР. Ныне же здесь квартирует Институт теоретической физики. В 1964 году здесь стал собираться весь цвет советской теоретической физики: Исаак Халатников и Алексей Абрикосов, позже ставший лауреатом Нобелевской премии, Лев Горьков и Игорь Дзялошинский, к ним присоединились выдающиеся математики Сергей Новиков (интервью с ним см. в «Огоньке» № 50 за 2016 г.) и Яков Синай.

Вплоть до 1990-х годов институт, заложивший основы современной науки, считался лучшим центром теоретической физики в СССР и, по версии журнала The Scientist, одним из самых известных в мире. Процесс был устроен своеобразно: под сосны, прямо на улицу, вытаскивали столы и доски — знаменитые семинары шли с 11 утра до позднего вечера. Это, говорят, чрезвычайно удивляло иностранных коллег, которые привыкли заниматься наукой по часам — от сих до сих. Не случайно именно Институт теоретической физики считался воплощением того самого НИИЧАВО, который описали в своем романе братья Стругацкие. А мой собеседник, к слову, у многих своих коллег ассоциировался с академиком Ойра-Ойра — завлабом в отделе недоступных проблем. Впрочем, внешне об этом сегодня ничто не напоминает: с Александром Белавиным мы говорим в его рабочем кабинете, где помимо стола и шкафов есть только портрет Льва Ландау — все, что нужно физику-теоретику для работы и вдохновения.

— В одном из интервью вы сказали, что философия и физика элементарных частиц — взаимосвязанные вещи. Можете пояснить, Александр Абрамович, в чем же их связь?

— В философии главное — желание дойти до сути, понять законы мира; физика элементарных частиц занимается тем же самым. Для меня это изначально очень близкие вещи. Я учился в школе в 1950-е, у меня очень хорошо шли дела с физикой и математикой, но одновременно серьезным увлечением была философия. Отец возглавлял конструкторский отдел на горьковском Заводе имени Орджоникидзе, но очень хорошо знал историю и часто говорил со мной на исторические темы — это подхлестнуло интерес к гуманитарным вопросам. В то время я, думаю, единственный из своих сверстников, добровольно читал Маркса, Энгельса и Ленина. Из их трудов узнал о Гегеле и Фейербахе, а потом, когда в 1961-м стал студентом, узнал о русской религиозной философии, читал о. Сергия Булгакова, Павла Флоренского, Владимира Соловьева, Николая Бердяева, труды князя Евгения Трубецкого и так далее.

— Не самое очевидное чтение для студента МИФИ. И где же вы в советские годы доставали литературу по религиозной философии?

— Это было самое начало 1960-х. Книг этих, конечно, в свободной продаже не было, но за них уже не сажали. Литературу находили на черном рынке в Москве. Помню, в Столешниковом переулке, где толпились «чернокнижники», можно было не только купить, но и обменять книги. Я тогда жил в Горьком (ныне Нижний Новгород. — «О»), там у многих сохранились дореволюционные библиотеки священников, к ним относились как к ненужному хламу. Потомки продавали книги букинистам, и через какое-то время эти уникальные издания всплывали на книжных развалах. Мой брат, который стал писателем, в то время как раз также собирал такие книги. Так что у меня была хорошая база.

— Почему же вы не пошли на исторический или на философский факультет?

— Я хотел, но, к счастью, в то время Никита Хрущев издал особый указ «Об укреплении связи школы с жизнью…», согласно которому, чтобы поступать на гуманитарный факультет, сначала нужно было поработать на производстве минимум два года. Чтобы не терять времени, я поступил на радиофак Горьковского госуниверситета, а затем перевелся в Москву в МИФИ. Но увлечение философией никогда не прекращалось, а затем перешло в русло христианского просвещения, чему способствовало мое знакомство с отцом Александром Менем, который меня крестил в 1971 году в домике при Сретенском храме в Новой Деревне. Встреча с этим человеком была очень важной в моей жизни.

— Как вы познакомились?

— Нас познакомил поэт Николай Шатров, у которого в то лето я жил в Пушкино на даче. А с Шатровым меня познакомил мой друг Владимир Лихачев, мы с ним вместе учились. Затем он преподавал в МИФИ. Он привел к отцу Александру многих студентов. Александр Мень сам был живым продолжателем русского религиозного возрождения. Он показывал, что центром христианства является не что-то побочное, не обряды, не церковная музыка или, скажем, архитектура, а сама личность Иисуса Христа. Он об этом не только писал и говорил, но и свидетельствовал всей своей жизнью (и смертью тоже).

В последний год жизни отец Александр приезжал сюда в Черноголовку и с осени 1989-го до весны 1990-го читал в Доме ученых цикл лекций по русской религиозной философии, причем включал в него и Достоевского, и Толстого. Люди собирались тысячами, чтобы его послушать.

— Вы лично близко общались с отцом Александром?

— В какой-то степени… Поскольку отец Александр поддерживал большой круг общения помимо храма, он создавал группы, где можно было общаться и рассуждать о христианстве, но по соображениям конспирации они между собой не особо пересекались. В одну такую группу, где были и ребята, учившиеся, входил и я.

— Казалось бы, советская физика была полностью ориентирована на атеизм, и это, само собой, распространялось и на самих физиков. Однако известный академик Николай Боголюбов, к слову дважды Герой Социалистического Труда, утверждал, что в теоретической физике нерелигиозных людей фактически нет.

— Это очень интересное свидетельство академика, который сам был не просто из семьи священников, но и сыном профессора богословия Университета св. Владимира в Киеве, что ему, наверное, приходилось всю жизнь не очень афишировать… Для меня большую роль играет осознание того, что мир устроен красиво. Это вызывает чувство удивления и благоговения, которое является чувством религиозным.

Древним иудеям и грекам было легче, чем нам, в этом убедиться и эти чувства испытать, потому что над ними расстилалось небо со звездами, которое не заслонял свет городских фонарей.

Современному человеку, живущему в городе, труднее увидеть красоту мира. А вот ученый, который занимается изучением того, как этот мир устроен, сталкивается с этой удивительной красотой.

Поэтому как раз физику и математику легче ее увидеть. Не знаю, прав ли Боголюбов, что все люди, которые занимаются физикой, ясно осознают и испытывают удивительность и красоту устроенности и самого существования Мира. Но во всяком случае противоречия в факте религиозности человека, занимающегося наукой, никакого нет.

Наука как красота

— В чем красота той части науки, которой вы занимаетесь?

— Я всю жизнь занимаюсь той частью теоретической физики, которая называется квантовая релятивистская теория поля. Она занимается структурой микромира, мира элементарных частиц. В 1970-е годы возникла известная сегодня Стандартная модель — теория, которая описывает наш мир. Она говорит, что все вокруг устроено из фундаментальных частиц: кварков, лептонов и так далее, которые между собой связаны посредством трех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого и электромагнитного. Есть еще гравитационное, которое в Стандартную модель не укладывается.

Это очень разные связи, но оказывается, что с точки зрения математики они все построены по одному принципу — «калибровочной инвариантности». Когда ученые начинают это описывать в виде формул и уравнений, мы видим, что это одна и так же математическая структура, и это совершенно потрясающе! Можно предположить, что наш мир можно описать каким-то единым законом, единой теорией. Теорией, которая будет описывать все взаимодействия фундаментальных частиц, включая гравитационное.

Собственно, этим и заняты современные физики-теоретики: они хотят все устройство мироздания вывести из небольшого количества принципов, построить простую непротиворечивую теорию. Вот уже много десятилетий активно идет поиск некоей общей теории, которая объединит все известные понятия и представления о существующем мире.

— В принципе это довольно древняя задача, правда, раньше ее пытались объяснить как раз в границах философских и религиозных систем.

— Да, например, в свое время античные философы открыли, что в природе существует всего пять типов многогранников, и решили, что они объяснили структуру мира. Их еще называют телами Платона, так как они занимали важное место в философской концепции Платона об устройстве мироздания. Четыре многогранника олицетворяли в ней четыре сущности или стихии. Тетраэдр символизировал огонь, так как его вершина устремлена вверх. Икосаэдр, как самый «обтекаемый», — воду. Куб, как самый «устойчивый», — землю. А октаэдр —- воздух, как самый «воздушный». Додекаэдр — пятый многогранник — символизировал все мироздание, Космос и считался главным.

— Кеплер в XVI веке тоже пытался использовать многогранники, чтобы вывести гармоничное объяснение мира.

— Да, он в сферу орбиты Сатурна вписал куб, в куб — сферу Юпитера, в сферу Юпитера — тетраэдр и так далее. Тайна мироздания казалась открытой. Правда, позже Кеплер узнал, что расстояния между планетами не связаны ни с какими многогранниками, и построил новую теорию, к которой его также привели поиски красоты, лежащие в основе мироздания. Он открыл три закона природы, называемые законами Кеплера. Это открытие сделали возможным последующее развитие физики Ньютоном.

Кварковая лихорадка

— Какие вопросы в физике элементарных частиц сегодня самые интересные?

— Чтобы дать ответ, требуется отступление. В середине ХХ века предполагали, что мир состоит всего из небольшого числа элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и нескольких других.

В 1950–1960-е годы, когда были построены первые ускорители, новые частицы стали открывать, как на конвейере. Сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны вовсе не элементарные (неделимые) частицы, а, в свою очередь, состоят из кварков. То есть все, что вокруг — неживая и живая природа, включая самого человека, — на базовом уровне состоит из кварков. Точнее, из кварков и лептонов. Лептонами являются электрон и нейтрино. Кварки неделимы, и именно их, вместе с лептонами, можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Кварк — это элементарная частица с очень необычными свойствами.

— А в чем их необычность?

— Я помню время, когда возникла идея кварков. В годы моего обучения в МИФИ и в ИТЭФ о ней на лекциях по физике элементарных частиц нам рассказывали замечательные ученые — Исаак Померанчук (один из крупнейших физиков ХХ века, внес большой вклад в создание советских ядерных реакторов. — «О») и Лев Окунь (физик-теоретик, первый советский ученый, избранный в Комитет научной политики ЦЕРНа. — «О»). Тогда как раз широко обсуждали гипотезу физиков Марри Гел-Манна (нобелевский лауреат, основатель кварковой теории. — «О») и Джорджа Цвейга о том, что протон и нейтрон на самом деле состоят из кварков. Пришли к выводу, что кварки достаточно тяжелые, поэтому мы пока не можем их наблюдать на ускорителях: им не хватает для этого энергии. Можно ли наблюдать кварки в природе? Вот вопрос, который взбудоражил физиков.

В ту пору была опубликована работа Якова Зельдовича (один из авторов атомной и водородной бомб. — «О»), Льва Окуня и Соломона Пикельнера. Из нее следовало, что поскольку Вселенная 14 миллиардов лет назад при рождении после Большого взрыва представляла собой ускоритель, который мог разбить протоны на кварки, даже если они очень тяжелые, то одиночные кварки должны существовать по сей день и их можно найти в окружающей среде. Отличить кварки от обычных частиц можно по их дробным зарядам. Начались активные поиски кварков.

— Да, это даже называли кварковой лихорадкой. Огромное количество научных групп по всему миру, не только физиков, но даже химиков и биологов, бросилось искать кварки. Исследовали метеориты, минералы, «перетряхнули» тонны морской воды, лунный грунт…

— Но ничего не было обнаружено. Ни одного кварка.

— Что это означает?

— Тем самым был установлен факт, который называется «конфайнмент кварков», в переводе — феномен невылетания (пленения) кварков, заключенных в другие частицы. Оказалось, что между кварками при попытке их разделить возникают чудовищные силы, поэтому их нельзя разорвать. Когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в обычные частицы.

Сегодня мы прекрасно видим кварки в эксперименте, примерно как врач видит ребра человека на рентгене, только вот вытащить их никак не можем.

До сих пор, кстати, нет строгой математической теории, которая описала бы конфайнмент кварков. Точнее, такая теория есть, это упомянутая выше Стандартная модель, основанная на калибровочной квантовой теории поля. Но попытка вывести из нее конфайнмент кварков встречает пока большие математические трудности.

— В научно-популярной литературе утверждается, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн. Видимо, если бы они вылетали из ядра, получалась бы разрушительная кварковая бомба с энергией больше, чем при ядерном взрыве?

— Я не слышал о такой идее. Но в любом случае она неосуществима из-за конфайнмента.

Звенящий мир

— Другая загадка современной физики элементарных частиц связана с поколениями частиц. В школе нас учат, что атомы устроены из ядра и вращающихся вокруг электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Но сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из кварков одного из двух сортов. Кварк одного сорта называется «верхним», другого — «нижним». Верхний кварк имеет заряд 2/3, а нижний заряд — 1/3. Эти два кварка называются кварками первого поколения. Кроме того, на эксперименте обнаружены еще два поколения кварков, по два кварка с зарядом 2/3 и1/3 в каждом из поколений.

В итоге все известные нам кварки (и аналогичным образом лептоны) разделяются на три поколения, которые сходны во всем, кроме массы. Почему так устроен мир, мы до сих пор не знаем. Так, у верхнего, очарованного и истинного (эти термины определяют поколения элементарных частиц. — «О») кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия, но они отличаются массами.

При этом массы отличаются значительно. Скажем, истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Такие отличия явно что-то означают, но ученые пока не могут понять, что именно.

— Почему таких поколений три? Больше для конструирования мира не требуется?

— Это один из сложнейших вопросов, на него пока нет ответа. Есть версия, что каждое следующее поколение кварков и лептонов более тяжелое, их труднее наблюдать экспериментально: чтобы их увидеть, нам нужен более мощный коллайдер и ускоритель. Но это вряд ли.

— Вы также занимаетесь одной из самых популярных среди физиков концепций мира — теорией струн. Говорят, она разрешает массу вопросов, хотя ставит еще больше, чем разрешает.

— Причем начать надо с вопроса, зачем физикам вообще понадобилась еще одна теория. Ведь есть Стандартная модель, которая прекрасно описывает все элементарные частицы и взаимодействия, которые существуют.

— Потому что в нее не укладывается гравитация?

— Да, гравитация в Стандартную модель не вписывается. Поэтому ученые еще в 1970-е решили в очередной раз построить единую теорию всего. Но почти сразу начались проблемы. Дело в том, что один из постулатов обычной квантовой теории поля говорит, что элементарным объектом является точечная, то есть нольмерная частица. Исходя из этого объединить гравитацию и Стандартную модель невозможно. Но все становится на свои места, если представить, что элементарным объектом является одномерный объект — струна без толщины.

— Грубо говоря, до теории струн элементарные частицы считали точками, а теперь некой одномерной вибрирующей нитью-струной?

— Да, важно, что это — одномерный объект. Струна может быть открытой, с двумя концами или замкнутой. Поскольку струна — квантовый объект, она двигается и вибрирует, и разные состояния струны можно воспринимать как разные частицы.

— То есть в зависимости от того, как эта струна вибрирует или, утрируя, звучит, зависит тот тип частиц, который возникает?

— По сути, да. Одна струна описывает бесконечное число частиц, другими словами — это система с бесконечным числом фундаментальных частиц, которые все компактно заключены в одной струне. Струна сама превращается в частицу, вибрирует с одной частотой — кварк, с другой — глюон, с третьей — фотон. Правда, нужно понимать, что в масштабах элементарных частиц никаких звуковых колебаний нет.

Александр Белавин (слева) во время лекции

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что там получается с гравитацией?

— Теория струн необыкновенно красива с физической точки зрения, она является самосогласованной и автоматически, как бы в качестве бонуса, дает нам гравитацию. То есть из нее легко вывести гравитон, частицу, которая является квантом гравитационного поля, точно так же как фотон — квант электромагнитного поля. Гравитон является одним из низших безмассовых состояний этой самой струны.

— Многие физики, в том числе собеседник «Огонька» академик Валерий Рубаков (см. № 45, 2018 год), говорят, что гравитон никогда не удастся поймать, по одиночке их нельзя ни излучать, ни регистрировать. Вы согласны?

— Да, я думаю, что это так.

— Какие недостатки вы видите у теории струн?

— Единственный недостаток теории струн в том, что если в основе мироздания лежит струна, то для построения непротиворечивого варианта нужно предположить, что наше пространство имеет не четыре измерения, как мы привыкли, а десять. Это совершенно новый взгляд на нашу Вселенную. Дело в том, что на протяжении столетий еще со времени Ньютона и Галилея считалось, что время существует само по себе и не зависит от скорости. В 1905 году Эйнштейн показал, что время и пространство не раздельные сущности, а взаимосвязанные измерения единого пространства-времени, которое называется пространством Минковского, по имени немецкого математика Германа Минковского, первым предположившего замечательную геометрическую формулировку специальной теории относительности Эйнштейна. Эти представления помогли Эйнштейну в построении общей теории относительности. Так вот, согласно современной теории струн мы живем в более сложном мире.

— Давайте поподробнее про эти шесть новых измерений. Где они находятся и почему мы их не ощущаем?

— Дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы пространства-времени — их называют пространствами Калаби — Яу. Предполагают, что свернутые измерения имеют маленькие размеры, возможно, порядка планковской длины 10–33 см. Поэтому их достичь очень сложно.

Согласно теории струн многомерная геометрия должна присутствовать в каждой точке пространства: на кончике ладони, на Северном полюсе, глубоко под Землей — везде должно находиться шестимерное многообразие Калаби — Яу невидимого крохотного размера.

— А можно ли эти шесть измерений развернуть? Как это будет выглядеть?

— Если предположить, что какие-то из этих шести измерений являются некомпактными, скажем, одно из них, то мир, в котором мы находимся, был бы не четырехмерным пространством-временем Минковского, а пятимерным. Это совсем не то, что мы наблюдаем, и не то, чего мы хотим.

Не имеет доказательств

— Теория струн за 40 лет своего существования ни разу не была доказана экспериментально. Для значительной части научного мира это основание поставить на ней крест. Какие эксперименты могли бы подтвердить правильность теории?

— Следствием теории струн является утверждение о суперсимметрии пространства-времени. Эта суперсимметрия должна проявляться в том, что каждой частице должна соответствовать другая частица, суперпартнер первой. Причем их массы и ряд других свойств должны совпадать.

— Ну так как раз эти эксперименты на Большом адронном коллайдере провалились: никакой суперсимметрии до сих пор не обнаружили.

— Да, поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах и в неускорительных экспериментах. И эксперименты этого предсказания пока не подтверждают.

Но на самом деле в физике элементарных частиц за последние десятилетия мы поняли, что симметрии могут быть спонтанно нарушенными на малых энергиях. И если у нас будет более мощный коллайдер, то, возможно, на больших энергиях мы увидим ожидаемые частицы-суперпартнеры. Но это не убеждает противников теории струн, и они предлагают от нее отказаться. С другой стороны, у нее есть много приверженцев, ученых, которые продолжают развивать разные ее аспекты.

— Вы сами считаете, что физически это возможно — проверить теорию струн?

— Это было бы очень интересно и важно сделать. Теория струн действительно до сих пор не проверена экспериментально. Но других теорий, которые бы ответили на главные фундаментальные физические вопросы, сегодня нет. Теория струн до сих пор единственная и к тому же необыкновенно красивая и самосогласованная гипотеза. Кстати, она, в числе прочего, способна объяснить наличие трех поколений частиц, о которых мы говорили.

Вообще, теория струн очень многогранна, и ею занимается большое количество людей, она уже дала необыкновенно много для развития разных областей науки, как физики, так и математики. Например, наша довольно известная работа с Замолодчиковым и Поляковым возникла в связи с теорией струн, но оказалась важной для физики фазовых переходов в двумерных системах, которыми занимаются специалисты по физике конденсированного состояния, а также для некоторых областей современной математики. Но, конечно, главная задача теории струн — это построение единой фундаментальной теории микромира…