«Жизнь — это противостояние хаосу»

Почему мы так и не научились предсказывать погоду и почему ни в одном обществе не удалось распределить ресурсы равномерно? С точки зрения науки это вопросы примерно об одном и том же. Чем нам в извечном поединке с хаосом может помочь физика? «Огонек» поговорил об этом с одним из самых цитируемых сегодня российских ученых и ведущим мировым специалистом в области теории нелинейных волн Владимиром Захаровым

Физически это возможно

«Огонек» начинает новую рубрику — о самых передовых достижениях физики, которые могут изменить наш мир уже завтра

Cерия интервью с ведущими российскими математиками, публиковавшаяся на протяжении года в «Огоньке» (с № 9 за 2016 год по № 4 за 2017 год) под рубрикой «Математические прогулки», вызвала не только живой интерес читателей, но и неожиданный рикошет: за математиками потянулись физики, которым, как оказалось, тоже есть что рассказать — и о новых горизонтах науки, и о достижениях ведущих исследователей. От такого предложения редакция отказаться не могла, так что «Огонек» вместе со Сколтехом начинает новый большой разговор, на этот раз о физике.

Под рубрикой «Физически это возможно» в течение года будут выходить интервью с ключевыми российскими учеными, теоретиками и экспериментаторами, которые объяснят, чем занимаются, и расскажут все, что не секретно.

При выкладке на сайт публикации будут сопровождаться еще и видеороликами (самые яркие отрывки из интервью, видеографика, схемы, помогающие понять сложный контекст), которые специально для этого проекта «Огонька» приготовят специалисты Сколтеха.

1 / 2

— Владимир Евгеньевич, вы одновременно и физик-теоретик, и математик, и океанолог — как я понимаю, именно сочетание этих трех дисциплин и принесло вам медаль Дирака, которую еще называют «Нобелевской премией для физиков-теоретиков». Можете очертить круг ваших научных интересов и объяснить, как все это связывается?

— В той области знаний, где занят я, физики-теоретики строят математические модели природных явлений. Какие именно это природные явления — зависит от личного вкуса ученого. Меня интересуют те, где участвуют волны, в том числе волны, вызывающие катастрофы. Сейчас мое рабочее время делится между двумя направлениями. Первое — это волны на поверхности жидкости, а второе — волны в оптических линиях. Эти два направления не столь уж противоположны, потому что описываются схожими математическими уравнениями. Если подробнее, то я много занимаюсь вопросами ветрового волнения океана и возможностями предсказания этих волнений. В частности, речь об изучении волн-убийц.

— Насколько я понимаю, речь не о цунами?

— Да, это довольно редкое катастрофическое явление. Такая волна высотой до 20 метров возникает за 2–3 минуты из сравнительно спокойного моря, то есть как бы из ничего. Среагировать и спасти судно капитан в этом случае часто не успевает. Долгое время ученые вообще не верили в существование этих гигантских волн, считая их выдумкой моряков. Но с тех пор, как в море появились нефтяные платформы, круглосуточно фиксирующие волнение, волны-убийцы и впрямь замечены. И сейчас тема у всех на слуху. Есть фотоподборка пострадавших судов — например, огромный танкер разломан пополам. Волна-убийца подошла под днище, он «встал» на эту волну, но так как конструкция судна не рассчитана на то, чтобы быть поднятой в одной точке, оно ломается надвое.

— Что сегодня известно о природе этих явлений?

— В природе это явление достаточно частое. Называется коллапс: самопроизвольная концентрация энергии в одном месте. Самый простой пример — молния. Энергия распределена между облаками, а потом возникает такая зона, где все концентрируется и выделяется в виде тепла и света.

Если вы, например, пустите достаточно интенсивный лазерный луч по кристаллу, то он сфокусируется в точку, и там произойдет разрушение. Это явление самофокусировки. Фокусировка знакома каждому, кто выжигал с помощью лупы. А в природе лупу устраивает сама природа, в том числе в океане: сначала энергия волн распределена равномерно, а потом в силу некоторых причин собирается в одном месте.

Если говорить еще более широко, то все это связано с таким всеобщим явлением, как неустойчивость. В мире много неустойчивого. Скажем, гравитационная неустойчивость приводит к образованию звезд: была равномерная материя, но равномерное распределение неустойчиво, вот энергия и концентрируется в отдельных местах. Так, собственно, и начали собираться звезды.

В этом смысле разделение общества на богатых и бедных — следствие довольно общих законов природы. Человеческое общество тоже ведь неустойчиво. Если вы устроите равномерное распределение денег по всем, пройдет некоторое время и все будет наоборот: у некоторых будет много, у других мало. Эволюция подчиняется таким же законам неустойчивости.

— С эволюцией совсем уже непонятно.

— Смотрите. Одна и та же математическая теория описывает выделение богатых людей из массы бедных и процесс сепарации видов. Почему в природе не существует промежуточных видов? Например, есть собака, лиса, кошка, а между ними «смешанных» животных нет. Почему гены распределились столь неравномерно? Потому что есть определенное количество экологических ниш, и в каждой из них выживает свой набор живых существ.

— Давайте вернемся к волнам. Пару недель назад в Саутгемптонском университете заявили, что волны-убийцы виноваты в исчезновении кораблей в Бермудском треугольнике…

— Волны-убийцы могут возникнуть практически везде, они фиксировались и вблизи Швеции, и у Марселя, и у нас в Геленджике. Не так давно от таких волн пострадал круизный лайнер «Louis Majesty» в Средиземном море. Судно не затонуло, хотя волна захлестнула капитанский мостик, разбила стекла. Больше десятка человек пострадали, двое погибли.

Но на Земле действительно есть особо опасные зоны. Самое нехорошее — не Бермуды, а южное побережье Африки: от Кейптауна до города Дурбан. О том, что именно это место представляет собой особую опасность, было известно, когда природу подобных явлений еще не понимали: страховая компания Ллойда ведет подсчет морских катастроф с XIX века, они и выявили, что у южного побережья Африки происходит самое большое число загадочных катастроф — суда просто исчезают.

Если же обратиться к геофизике, мы увидим, что там довольно быстрое — порядка 8 км/ч — течение Агульяс (его еще называют течение мыса Игольного.— «О»), капитаны судов используют это для экономии топлива. Но, к сожалению, получается так, что именно там они встречаются с волнами-убийцами. Большие волны идут оттуда. Дальше они могут перераспределиться, фокусироваться на океанских течениях и создавать опасные зоны.

— Я так поняла, что волны-убийцы не связаны с силой ветра и погодными условиями…

— Сами по себе волны-убийцы с ветром не связаны. Но в Южном океане, что между Африкой и Антарктидой, постоянно происходят штормы. Зыбь от них идет далеко. Эти волны, практически не затухая, могут не раз обогнуть земной шар. Затем они натыкаются на то самое течение Агульяс, которое играет роль своего рода линзы для волн со стороны Антарктики.

— Насколько успешно физики-теоретики моделируют подобные катастрофы? Их можно предсказывать?

— Мы строим математические модели этого процесса, набираем статистику, пытаемся оценить функцию рождения вероятности таких явлений. Однако индивидуально такие события очень трудно предсказуемы. Если говорить о волнах-убийцах, то там спектр волнения должен подчиняться некоторым условиям. В частности, должен быть спектрально узким, чтобы достаточно близко подходить к периодической монохроматической волне (особая волна, в спектр которой входит всего одна составляющая по частоте.— «О»).

Грубо говоря, это можно сфотографировать и увидеть из космоса. Но и здесь не все просто: на основании анализа спектра волнения моря можно предсказать, что это событие произойдет с известной вероятностью. А вот произойдет ли оно в реальности или нет — неизвестно. Поэтому, например, мы можем дать капитану судна указание не заходить в тот или иной район. Но сказать, где именно возникнет такая волна, практически невозможно.

— А можно ли как-то гасить эти волны? Например, академик Сахаров предлагал в свое время использовать подземные термоядерные взрывы для предотвращения катастрофических землетрясений…

— Это невозможно. Когда мы говорим о катастрофических геофизических явлениях, там очень большая энергия. По сравнению с теми процессами, которые происходят в ураганах, взрыв атомной бомбы — явление среднего плана. Погасить их невозможно. Единственный путь — уйти из зоны, где они могут появиться.

— Создание моделей каких природных явлений наиболее актуально для человечества?

— В планы нашей научной группы входит создание теории возникновения ураганов.

Было бы очень важно узнать, как именно происходят эти явления, описать их математически. Интересно понять, по каким траекториям они движутся. Сегодня известно, что траектории ураганов крайне неустойчивы, и может оказаться, что небольшое воздействие сможет направить ураган в сторону. То есть сам-то ураган ликвидировать нельзя, но, возможно, когда-то мы научимся управлять его движением. Чтобы он ушел куда-то, скажем, в Южный океан, и ураганил там. Пока я боюсь делать далеко идущие обещания, здесь легко ошибиться.

— Сразу приходит на ум метеорологическое оружие. Я правильно понимаю, что на деле оно пока сводится к разгону облаков в день того или иного города?

— Ну метеорологическое оружие — это выдумка пропагандистов. Сегодня управлять сколько-нибудь серьезными природными явлениями нельзя. Человечество до сих пор не научилось предсказывать землетрясения, хотя это классический пример катастрофического явления. Вообще, геофизические процессы слишком масштабны, чтобы в них можно было вмешиваться. Но построить теорию ураганов было бы очень интересно и полезно.

— Ваша самая цитируемая работа связана с распространением волн в оптических линиях. Там тоже существуют волны-убийцы?

— Конечно, подобные явления бывают в оптических линиях тоже. И они могут приводить к разрушению самих линий и к потере информации.

В свое время я стал одним из создателей теории солитонов, которую сейчас изучают в институтах. Солитон — это такая локализованная, уединенная волна, которая может пройти очень большое расстояние без искажения формы. Сейчас изучают солитоны в кристаллах, магнитных материалах, волоконных световодах, в атмосфере Земли и других планет, в галактиках, даже в живых организмах. Солитоны бывают и в оптике. Одна из основных идей — она довольно давно возникла, но технически реализуется только сейчас,— использовать солитоны в качестве квантов информации в оптических системах.

— И в чем преимущество этого метода?

— Обычно при передаче по оптико-волоконным линиям связи сигнал нужно усиливать через каждые 100 километров. А через каждые 500–600 километров нужно ставить ретранслятор, который преобразовывает оптический сигнал в электрический с сохранением всех параметров, а затем — снова в оптический для дальнейшей передачи. Если этого не делать, то на расстоянии свыше 500 километров сигнал исказится до неузнаваемости. Стоимость нужного оборудования очень высока: передача одного терабита информации из Сан-Франциско в Нью-Йорк обходится в 200 млн долларов на каждую ретрансляционную станцию. Солитоны же сохраняют свою форму при распространении, поэтому они могут передавать по оптоволокну без потерь сигнал на расстояния 5–6 тысяч километров.

— Современная телекоммуникационная индустрия во многом базируется на ваших теоретических работах. Каким чудом вы нащупали столь перспективную нишу в 1960-е, когда ни об интернете, ни о мобильной связи не мыслили?

— Это направление я выбрал потому, что косвенным образом принадлежу к школе Ландау. С 1993 по 2003 год возглавлял Институт теоретической физики его имени. А в ту пору, когда был еще студентом, я изучал, как и полагается, знаменитый курс Ландау (10-томный курс «Теоретической физики», по которому до сих пор учатся физики во всем мире.— «О»). И в какой-то момент понял, что в нем недостает одного тома, а именно — «Теории волн или нелинейной теории волн». И понял: моя жизненная задача — восполнить этот пробел. В то время нелинейная теория волн не была актуальной практически, лазеры только изобретали. Но уже начались различные эксперименты, в том числе в оптике. Это мотивировало мое честолюбие. Сейчас можно сказать, что не зря. Это чрезвычайно успешная область физики. В год по этим темам проходит десяток конференций.

— Но сначала вы все-таки занимались физикой плазмы?

— Да, сначала речь шла о волнах в плазме. Когда стала бурно развиваться нелинейная оптика, мы увидели схожесть процессов в этих средах. Поэтому и переключили внимание.

Плазмой как таковой я довольно давно не занимаюсь. Хотя недавно у нас была работа по поводу возможности передачи информации из космического корабля, который находится в состоянии блокаута. Знаете, когда спускаемая капсула вылетает из космоса в атмосферу, вокруг образуется зона плазмы, и через нее не могут проходить радиоволны… Это большая проблема, потому что полностью теряется связь. Наша идея состояла в том, что на сам корабль можно поставить генератор волн существенно более высокой частоты и в плазме эти волны трансформируются в другие, которые будут уже восприняты наземным наблюдателем. Мы опубликовали пару статей, но инженеры не заинтересовались.

— А военные?

— Военные интересовались, но у них свои специалисты. Я же допусков не имею и никогда не занимался секретными темами.

— Тем не менее вы долго были невыездным.

— Это связано с другими обстоятельствами: одно время я был активным сторонником диссидентского движения. В частности, у меня на квартире в Новосибирске подписывалось знаменитое письмо в поддержку активистов самиздата Гинзбурга, Галанскова, Добровольского и Лашковой. Тогда его подписали 46 сотрудников Сибирского отделения РАН СССР и преподавателей Новосибирского университета (речь о письме с протестом против нарушения гласности в ходе самого крупного судебного процесса над диссидентами.— «О»). В итоге я был невыездным по 1988 год.

— Как вы, живя в Москве, попали в Институт ядерной физики к знаменитому Андрею Будкеру в Новосибирске?

— Это сложная история. Я учился в Москве в Энергетическом институте (МЭИ.— «О»), пришлось оттуда уйти, и я попал в Курчатовский, который в то время был филиалом Института ядерной физики. Когда институт переезжал в новосибирский Академгородок, Будкер предложил переехать с ним. Но, надо сказать, он испытывал всех, кто приходил к нему в первый раз.

— Что это было за испытание и сколько вам было лет?

— 21 год. Будкер, вообще говоря, был любвеобильным человеком, поэтому задачка была соответственная. Вот, говорит, представь человека, который работает в центре Москвы. А у него две любовницы, одна на метро «Сокол», а другая — на «Красногвардейской». Он садится в первый попавшийся поезд, который подходит, и едет, соответственно, к той или иной. Поезда ходят с равной вероятностью, но потом выясняется, что у одной дамы он был в 3 раза чаще, чем у другой. В чем причина? Я сразу сообразил: вопрос в том, как распределены промежутки между поездами. Бывает так, что пришел поезд и тут же через некоторое время пришел другой. И поэтому тот, который ты ждешь, окажется опять первым. Ответ ему понравился, и он задал еще вопрос: у человека 365 знакомых и он ходит на день рождения к каждому. Сколько дней в году он не будет ходить на дни рождения? Я сказал — один день. Потому что вероятность того, что в данный день он не пойдет на день рождения — это единица минус 1/365. Далее работает закон произведения вероятностей независимых событий. То есть это число нужно возвести в степень 365. Вот и получится единица на е с огромной точностью.

— Новосибирский Академгородок до сих пор овеян легендами — затерянный в лесу остров научной и личной свободы.

— Это было замечательное время. А вы знаете, что именно я придумал название клуба «Под интегралом»? Были разные идеи, хотели назвать «Под зонтиком». Клуб закрыли в 1968-м, когда наступила эпоха реакции, после событий в Чехословакии, но вывеска висела еще долго…

— Как вы теперь, спустя многие годы жизни на две страны — США и Россию, оцениваете эффективность советской науки?

— СССР в целом был нежизнеспособным организмом. А вот наука была хорошая. Достаточно сказать, что в США до сих пор на кафедрах математики процентов десять — профессора из России. Но военная наука, на которую было поставлено очень много, была не столь эффективна. Потому что в этих закрытых «ящиках» больше занимались спортивным ориентированием по компасу или игрой в пинг-понг. Кстати, в США дела обстоят не сильно лучше. Видимо, срабатывает какой-то общий закон крупных бюрократических систем. Там тоже тратится зря куча денег.

В целом я за капитализм, но такой, где культурный герой не бандит, сделавший состояние благодаря отсутствию моральных принципов, а тот, кто поднялся наверх благодаря инициативе и трудолюбию. Например, изобретатель Googlе молодой Сергей Брин придумал поисковую систему и стал миллиардером. Кто же будет против этого возражать?

— Не так давно Минэкономразвития опубликовало доклад, из которого хорошо видно: «утечка мозгов» из России не прекратилась…

— Если у аспиранта стипендия 6 тысяч рублей, о чем говорить? Это же простой материальный фактор. Сегодня видно, что чиновники у нас рассматривают науку как служанку технологии. Поэтому такая простая мысль, что человек может заниматься фундаментальной наукой и при этом всю жизнь получать гарантированную высокую оплату, им кажется совершенно несвоевременной с точки зрения рынка.

— Как вы оцениваете то, что происходит с Академией наук? Дает ли ученым надежду последняя редакция закона о РАН, где говорится, что академия будет прогнозировать основные направления научного развития страны и руководить научной деятельностью в вузах?

— Это немного лучше, чем было раньше. Члены клуба «1 июля» (неформальное объединение академиков РАН, выступивших против радикальной реформы.— «О») писали письмо в поддержку президента Путина, потому что он принял адекватные поправки относительно академии, а потом кто-то пытался перекрутить все в более жесткую форму. Поэтому в данный момент у нас есть проблеск оптимизма. Весь вопрос в том, насколько умным человеком окажется новый министр науки. Он должен понимать: его главная задача — добывать деньги, а управление наукой нужно доверить людям, которые в этом более компетентны.

Но в целом все, происходящее с российской наукой, ужасно. Реформу Академии наук в таком виде проводить было категорически нельзя. Конечно, у старой академии накопилось много проблем, так как долгое время ее руководство жило совершенно в отрыве от народа. Но лечить головную боль отрезанием головы — это неправильный способ лечения.

— Что сегодня для вас самое интересное в физике?

— Если бы меня спросили, чем бы я хотел заниматься, то я бы сейчас вплотную занимался гравитационными волнами Вселенной, ранней стадией развития Вселенной и турбулентностью на ранних этапах Вселенной. Это чрезвычайно интересно. На мой взгляд, изучение Вселенной — главнейшая задача для физика. Кроме того, когда выбираешь задачу, важно ощущение, можешь ли ты в этой области что-то сделать. В данном вопросе я ощущаю некоторый потенциал.

— А каких открытий нам ждать?

— Ну в порядке мечтаний… Можно было бы представить себе решение задачи двух тел в общей теории относительности. Как известно, задача двух тел в классической физике была решена еще Ньютоном. Можно ли ее решить в общей теории относительности? Пока кажется, что нет. Хотя, возможно, все не так безнадежно. Недавно в эксперименте были получены гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр. В 2017-м за работу по созданию обсерватории LIGO (ее главная задача — экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического происхождения.— «О»), где был получен сигнал от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли, присудили Нобелевскую премию по физике. Это как раз и есть задача двух тел. Так что мой интерес, если говорить совсем просто, описать, что происходит при слиянии черных дыр.

Кроме того, у меня есть твердое убеждение, что можно усовершенствовать математические модели, которые используются в теории относительности. Там можно проинтегрировать больше, чем уже сделано. Но это в некотором смысле мечта.

— Владимир Евгеньевич, вы один из немногих ученых, которые профессионально занимаются поэзией. В 1990 году «Огонек» опубликовал замечательную подборку ваших стихов. Говорят, вы даже думали бросить науку ради поэзии?

— Да, это было, когда я оканчивал Новосибирский университет, где работало литературное объединение. Но наваждение это продолжалось недолго.

— Анна Ахматова условно делила новых знакомых на две категории: «Чай, собака, Пастернак» и «Кофе, кошка, Мандельштам». Я знаю, что вы очень любите Мандельштама и именно с ним у вас связана семейная история.

— Да, вы назвали известный тест Ахматовой… Что касается меня, то я уверен, что Мандельштам — фантастический поэт, на голову выше остальных. Знаете ли вы, что у Осипа Мандельштама был большой интерес к науке? Недавно я нашел у него строки, написанные в 1923 году:

Опять войны разноголосица

на древних плоскогорьях мира,

и лопастью пропеллер лоснится,

как кость точеная тапира.

Крыла и смерти уравнение,

с алгебраических пирушек

слетев, он помнит измерения

других эбеновых игрушек.

Это же надо сказать: «с алгебраических пирушек»?! Пастернаку такое и в голову бы не пришло, он был слишком замкнут на себе, а Мандельштам смотрел на мир открыто.

— Каким образом к вам попали «Воронежские тетради» Мандельштама?

— Это интереснейшая история, но я не вправе рассказать все детали и не буду называть имен. Я был очень дружен с семьей одного молодого человека, который учился со мной и много мне помогал по жизни. Его мама жила в Москве, но часто ездила в Воронеж, поскольку была там профессором биологии. Ее брат работал очень крупным чином в органах, уж не знаю, имеет ли это отношение к делу. Но однажды она привезла из Воронежа эти две тетрадки. Она знала мой жгучий интерес к Мандельштаму и передала их мне на хранение. Я увез их в Новосибирск и на всякий случай выучил наизусть. Через два года меня попросили тетради вернуть, что я и выполнил. Впоследствии именно они были активно использованы «ИМКА-Пресс» при составлении первого настоящего издания Мандельштама.

Когда к нам в Новосибирский городок приезжали американцы и один из них спросил, что мне в следующий раз привезти в подарок, я попросил привезти два вышедших тома Мандельштама. Эта книга до сих пор у меня, хотя и в достаточно потрепанном виде. Все потому, что мои друзья в Академгородке сказали: «Володя, стыдно тебе одному владеть этим. У нас есть техника, мы разошьем, отсканируем, сделаем 20 копий, а потом сошьем обратно. Внешний вид пострадает, зато это пойдет в народ». Я некоторое время кряхтел, возражал, потому что уж очень красивые книги, но потом, конечно, отдал.

— Вы не только один из немногих профессиональных поэтов, но еще и человек верующий. Правда ли, что чем глубже человек погружается в науку, тем для него очевиднее, что красота Вселенной сотворена?

— Совершенно согласен. Неужели не удивителен тот факт, что Земля представляет собой столь исключительное явление? Или посмотрите на ветку сирени. Если вы не умилитесь тому, что она существует, значит, у вас есть проблемы с эстетическим сознанием.

Сирень как биологический вид возник, предположим, миллион лет назад. Была ли сирень до этого? Схоласты отвечают: да, конечно, была, но в потенциальном виде. А потом она как-то актуализировалась. И есть огромный потенциальный мир, в котором есть сто миллионов видов сирени, а потом какая-то из них актуализируется. Эта точка зрения знаете кому принадлежит?

— Платону.

— Не только, в основном она принадлежит Фоме Аквинскому. Происходящее есть актуализация потенциального мира. Причем это соответствует научному взгляду на вещи. Представьте себе, что у вас имеется горный ландшафт, и по нему скатывается шарик. Он выбирает тот или иной путь, который мы видим, но сам ландшафт существует независимо от этого шарика?

Вся жизнь человечества направлена на преодоление второго начала термодинамики, то есть на противостояние хаосу. Это осознанно делают не так много людей, но именно поэтому это так важно. Долг человека — хаосу противостоять.

И физик, и лирик

Визитная карточка

Академик Владимир Захаров всю жизнь противостоит хаосу. С помощью математических формул он ищет путь к укрощению грозных стихий, а с помощью слов — создает поэзию

Владимир Евгеньевич Захаров родился в 1939 году в Казани. В 1963-м окончил Новосибирский государственный университет. За свою научную карьеру создал основополагающие труды по физике плазмы, теории распространения волн в нелинейных средах, в том числе в океане, а также по нелинейным уравнениям математической физики. Получил важные результаты в общей теории относительности и в классической дифференциальной геометрии.

Десять лет руководил Институтом теоретической физики им. Л.Д. Ландау. С 2005-го живет на две страны: в России работает завсектором математической физики в Физическом институте им. Лебедева в Москве, а в США является профессором математики Аризонского университета в городе Тусоне. Один из самых титулованных физиков, лауреат государственных премий СССР (1987) и РФ (1993), а также медали Дирака (вместе с профессором Робертом Крайчнаном) за «значительный вклад в теорию турбулентности».

Автор поэтических сборников «Хор среди зимы» (1991), «Южная осень» (1992), «Перед небом» (2005), «Весь мир — провинция» (2008), «Рай для облаков» (2009), «Сто верлибров и белых стихов» (2016). Лауреат литературной премии «Петрополь» и медали им. Виктора Розова за вклад в российскую культуру. Член Союза российских писателей и российского ПЕН-центра. В № 4 за 1990 год «Огонек» опубликовал подборку стихотворений Владимира Захарова.