12 декабря в Сан-Франциско будет объявлен главный лауреат 2014 года премии Fundamental Physics Prize (Приз в области фундаментальной физики). Эта крупнейшая в мире по размеру денежного приза (победитель получает 3 миллиона долларов, примерно в два раза больше, чем обладатели Нобелевской премии) научная премия была учреждена в 2012 году российским бизнесменом Юрием Мильнером. Со стороны части научного сообщества Fundamental Physics Prize подвергается критике за то, что ее лауреатами, из которых впоследствии формируется жюри, становятся в основном специалисты в области теории струн.
Мы публикуем большое интервью с сотрудником CERN, профессором физического факультета Университета Пьера и Марии Кюри (Париж VI) физиком Вячеславом Рычковым, который стал в этом году одним из трех победителей премии Fundamental Phisics Prize в категории "Новые горизонты", лауреатами которой становятся самые многообещающие молодые исследователи, работающие в области фундаментальной физики. Размер приза в этой категории составляет 100 тысяч долларов.
В разговоре с научным обозревателем Радио Свобода Вячеслав Рычков объяснил, что происходит с теорией струн и зачем строить новый коллайдер, ответил на обвинения в необъективности Fundamental Physics Prize и рассказал о своей научной работе.
1. Монотонность познания: струны и петли
– То, чем вы занимаетесь сейчас, – достаточно традиционная область физики. А до этого вы работали в том числе и в теории струн. Почему вы поменяли область деятельности?
– В прошлом я занимался и теорией струн, и квантовой гравитацией [квантовая гравитация – теория, которая должна объединить квантовую механику и общую теорию относительности, иногда квантовую гравитацию еще называют “единой теорией всего”. Теория струн – один из главных претендентов на то, чтобы стать единой теорией всего, но экспериментальных подтверждений она пока не нашла, в том числе, на Большом адронном коллайдере. – Прим. С.Д.]. Но потом увидел, что есть непочатый край задач более "общечеловеческих", в частности, связанных с квантовой теорией поля, которые ждут своего решения. Более того, существующие методы не способны эти задачи решить. В теоретической физике бытует точка зрения, что есть некие в принципе нерешаемые задачи, на которые можно просто махнуть рукой. Часто принимаются упрощающие предположения о строении мира, например, что в нем есть суперсимметрия, что-то еще. За счет этого была накоплена какая-то интуиция, но она не конвертируется в решение конкретных задач.
Вот есть так называемое AdS/CFT-соответствие, грубо говоря, мостик между теорией струн и квантовой теорией поля, оно известно уже много лет, но конвертирования этих методов в конкретные результаты теории поля, предсказания, которые можно проверить и подтвердить на эксперименте, пока так и не произошло. Но это не значит, что сложные математические методы, которые были разработаны в той же теории струн, никуда не годятся. Нужно просто пытаться их переинтерпретировать, как-то расширить. В этом состоит моя философия: стараться применить любые методы, без всяких предрассудков, все, что только сгодится, но при этом держать в фокусе, что в конце концов нужно довести ответ до числа, которое можно было бы сравнить с экспериментом.
– Можно сказать, что вам повезло – многих разочаровали результаты работы Большого адронного коллайдера (БАК), на котором помимо бозона Хиггса ничего особенно нового не нашли, а на вашей работе это никак не сказалось, для ваших задач не требуется найти какие-то новые частицы или виды взаимодействий.
– Действительно, можно сказать, мне повезло, что у меня была такая параллельная деятельность, на которую я смог переключиться.
– Что вы думаете о перспективах и нынешнем состоянии теории струн? Нужно строить еще более мощный коллайдер, чтобы найти какие-то ее экспериментальные подтверждения? Или уже можно махнуть рукой?
– Давайте сразу оговоримся, что мы сейчас говорим об области деятельности, в которую я был погружен 5-10 лет назад, хотя, конечно, и сейчас продолжаю за всем этим следить.
Я думаю, что по крайней мере еще один коллайдер стоит построить. Дело в том, что на БАКе открыли бозон Хиггса, свойства которого по всем параметрам хорошо описываются Стандартной моделью, он относится к так называемым скалярным частицам. До настоящего времени все скалярные частицы, которые мы наблюдали, были составными, то есть состояли из других, более мелких частиц. Но мы не знаем, является ли и бозон Хиггса составной частицей или элементарной. Более того, на БАКе ответ на этот вопрос с достаточно большой точностью получить нельзя. БАК – это именно адронный коллайдер, он хорош для того, чтобы открывать новые частицы, а не чтобы производить с ними точные измерения. Для точных измерений нужен коллайдер другого типа, лептонный. Как раз таким, но недостаточно мощным, был электрон-позитронный коллайдер [LEP – Large electron-positron collider. – Прим. С.Д.], который до БАКа располагался в том же самом тоннеле здесь, в ЦЕРНе. Мне кажется, есть достаточная научная мотивация для того, чтобы построить новый электрон-позитронный коллайдер, который смог бы исследовать с хорошей точностью свойства бозона Хиггса, чтобы мы смогли проверить, действительно ли это элементарный скаляр, а не составной.
– Если он окажется составным, это станет неожиданностью?
– Это будет неожиданностью, приятной, так как элементарный бозон Хиггса – это в некотором смысле надгробный памятник Стандартной модели, а если он окажется составным, то это может стать ключом к ее пониманию. Все идет к тому, что он элементарный, но пока мы это знаем с небольшой точностью, на уровне 20 процентов достоверности. Это в принципе не исключает возможности, что у бозона Хиггса все же есть какая-то внутренняя структура, просто мы ее не замечаем, ее проявления замаскированы обломками других частиц, которые производит БАК. Если еще раз в 10-100 повысить точность, и по-прежнему окажется, что никаких отклонений нет, тогда точно можно будет ставить памятник.
– Вы рассказали о мотивации строить новые, более мощные коллайдеры. Но помогут ли они найти экспериментальные подтверждения теории струн?
– Это сложный вопрос. Надеяться на экспериментальный сигнал сложно, потому что любая теория квантовой гравитации в случае общего положения устроена так, что все ее эффекты подавлены колоссальной энергетической шкалой. Чтобы эти эффекты увидеть, нужен коллайдер такой мощности, добиться которой мы просто не можем. Поэтому речь обычно идет о проверке эффектов теории при очень специфических условиях, т.е. рассчитывая на определенное везение, что при этих условиях эффекты окажутся заметны и на доступных нам мощностях. Пока нам не повезло. Конечно, нельзя исключить, что кто-то когда-нибудь придумает, как обнаружить эффекты общего положения.
– Но если не придумает, теория струн так и останется теорией на бумаге?
– Тут вот что важно. Как я уже сказал, эффекты квантовой гравитации априори очень сложно увидеть на эксперименте, каким бы теоретическим подходом вы ни пользовались. Нужно сравнивать теорию струн с альтернативными подходами по другим параметрам. Есть, например, конкурирующая теория, которая называется петлевой гравитацией, одним из ее главных проповедников является Ли Смолин. Люди, работающие в петлевой гравитации, тоже строят какие-то фантазии, стараются придумать, как увеличить вероятность наблюдения эффектов, доказывающих правильность их подхода. Но, естественно, у них тоже ничего не наблюдается.
При этом, исследования в теории струн – это деятельность, которая не пропадает впустую. Изучается какая-то самосогласованная система уравнений. Познания об этой системе постепенно расширяются, находятся связи с другими областями физики. Это монотонный рост познания, и если когда-то в будущем окажется, что из этого знания науке что-то нужно, не придется начинать разрабатывать все сначала.
– А в других подходах к квантовой гравитации процесс познания не идет?
– Когда я был моложе, любопытство меня заставило разобраться в других подходах. И я увидел, что там этот процесс не является монотонным. Он идет примерно по такому сценарию: через каждые пару лет или месяцев происходит нажатие на кнопку reboot, и все начинается с начала. Происходит просто генерация белого шума. А теория струн – это 30 лет нетривиальных результатов, огромная и ценная работа. Другие подходы – там толчется вода в ступе, никакого интеллектуального прогресса я не вижу.
– Хорошо, но вы раньше уже сказали, что конвертация математического аппарата теории струн в результаты в других областях физики пока практически не происходит. Вот, скажем, в конформной теории поля, которой вы сейчас занимаетесь, методы теории струн применяются?
– Я применяю методы конформной теории поля. И теория струн тоже применяет методы конформной теории поля. Благодаря последнему обстоятельству, на волне интереса к теории струн конформная теория поля смогла очень сильно развиться. Если бы не теория струн, мне было бы гораздо сложнее работать в своей области, потому что пришлось бы много чего самому переоткрывать. А так я могу воспользоваться результатами, которые другие люди, с другой мотивацией, уже получили. Я хочу еще раз подчеркнуть, что даже если методы самой теории струн сегодня напрямую не используются, в ней все равно достигнуты железобетонные результаты. Если понадобится, я могу и через 10 лет и через 20 взять статью по теории струн и пустить ее в дело.
– Потому что теория самосогласована.
– Да. Если уметь читать между строк, эта математика оказывается очень полезной в других областях физики.
На самом деле, "теория струн" – это в некотором смысле акроним. В интернете есть известный сайт, на котором размещаются научные статьи – arхiv.org. Там по теоретической физике высоких энергий есть две категории, hep-th (High energy physics – theory) и hep-ph (High energy physics – phenomenology). Вторая категория – это работы, непосредственно связанные с физикой коллайдеров, с физикой частиц, в них делаются предсказания и анализируются результаты текущих экспериментов, предлагаются новые эксперименты. Это называется феноменология. А hep-th называют "теорией струн" в широком смысле этого слова, хотя на самом деле здесь публикуются работы по самым различным областям: по формальной теории амплитуд рассеяния, по непертурбативной теории поля, по квантовым черным дырам, по AdS/CFT, собственно по теории квантованных струн и т. д. Эти работы объединяет отсутствие прямого контакта с экспериментом, которое компенсируется математической самосогласованностью. Всех людей, работающих в этих направлениях, критики скопом относят к теории струн. Например, про известного физика Александра Полякова, который был моим научным руководителем в Принстоне, часто говорят, что он специалист по теории струн. На самом деле, Поляков большую часть своей жизни занимался теорией поля, у него, как и у Виттена [Эдвард Виттен, американский физик-теоретик, обладатель медали Филдса. – Прим. С.Д.] много открытий, которые относятся к Стандартной модели. В какой-то момент они, видимо, решили: все, Стандартную модель мы более-менее понимаем, эту задачу можно оставить младшим коллегам, теперь можно заняться тем, что пока никому не по зубам, например, квантовой гравитацией. Хотя у Полякова основной интерес к теории струн связан не с квантовой гравитацией, а с возможными применениями к теории сильных взаимодействий.
Про себя я пока не могу сказать, что понимаю теорию поля так же хорошо, как Поляков и Виттен, и продолжаю ей заниматься. Может быть, когда стану мудрее, тоже займусь квантовой гравитацией.
– Нужно заслужить право заниматься теорией струн?
– Несомненно. Вообще, если заниматься квантовой гравитацией, не понимая теории поля, то всю такую продукцию можно прямиком направлять в мусорное ведро.
2. Фундаментальная объективность: “стоп” и “главная дорога”
– Как вы относитесь ко все чаще звучащей критике мильнеровской премии, что она регулярно вручается специалистам в теории струн, пусть и в более широком смысле, как вы и сказали. Лауреаты очередного года входят в жюри и снова вручают премию коллегам с близкими научными интересами. Многие пишут, что из-за этого создается предвзятое представление, что фундаментальная физика – это именно теория струн, и ничего больше.
– Давайте определим, что вообще такое фундаментальная физика, чем она отличается от прикладной. Мы говорили с Юрием Мильнером, он звонил поздравить меня и рассказал, что идея премии была в том, чтобы противостоять тенденции: человечество все больше и больше концентрируется на вещах, которые дают сиюминутную выгоду. Ведь в каждом интервью у ученого обязательно спросят: “А как это можно применить?” Когда подаешь на европейский грант, в заявке нужно указать, какой эффект от исследований будет для благосостояния Европейского сообщества. Наверное, в России тоже есть пункты такого рода, хотя надеюсь, что нет. А во времена Эйнштейна люди были вдохновлены просто самим фактом, что сила человеческого разума смогла предсказать поведение лучей, проходящих возле Солнца, на какой угол они будут отклоняться [это стало первым экспериментальным подтверждением ОТО. – Прим. С.Д.]. Какая от этого тогда была польза? Но когда этот эффект был обнаружен экспедицией, наблюдавшей солнечное затмение, и это подтвердило, что Эйнштейн был прав, это стало главной новостью во всем мире [это случилось в 1919 году. – Прим. С.Д.]. А ведь только много лет спустя оказалось, что эффекты теории относительности важны, например, для GPS. Идея Мильнера – привлечь внимание публики к исследованиям, которые имеют своей целью понять микроскопическую структуру мира, ее законы, пусть в данный момент они и не имеют практических применений. Я бы так и определил фундаментальную физику.
– Я вас спрашивал, не слишком ли субъективно жюри премии Мильнера, которое определяет ведущих исследователей в фундаментальной физике.
– Конечно, оно субъективно по определению. Должно быть сообщество экспертов, защищающее свою точку зрения. По моей области, квантовой теории поля, в состав жюри премии входят несколько физиков-теоретиков, которые для меня лично являются наивысшими авторитетами.
– А не могло бы существовать альтернативное, но не менее авторитетное жюри в принципе? Которое бы имело свое представление о том, что считать фундаментальной физикой?
– Это сложно обсуждать абстрактно. Вы кого-то конкретно можете предложить?
– Я никого назвать не берусь, мне не хватает компетентности. Я говорю о том, что обычным людям, которые не могут соревноваться в научном авторитете с лауреатами Fundamental Physics Prize, может показаться, что раз за разом призерами становятся специалисты в одной и той же, причем в каком-то смысле довольно сомнительной, области.
– Ну давайте тогда, что ли, по полочкам разберем. Вы говорите – люди из одной и той же области. Но там есть специалисты по космологии и инфляции, есть по квантовой информации, есть один из крупнейших специалистов по физике за пределами Стандартной модели. Что, все это многообразие дисциплин мы назовем теорией струн? Это будет просто несправедливо.
– Хорошо, давайте поговорим о более общих вещах. Вам не кажется, что с развитием физики появляется слишком много размахивания руками, теорий, которые слишком далеки от опыта, более того, которые экспериментом в принципе проверить невозможно?
– Почти все теории, где происходит размахивание руками, не стоят никакого внимания, и специалисту это сразу ясно. Типичный пример – Гаррет Лиси [американец, предложивший в 2007 году скандальную “исключительно простую теорию всего”, о Лиси и подобных истриях мы писали. – Прим. С.Д.], про него было много шума несколько лет назад. Он вообще-то специалист в первую очередь по серфингу, а раструбили – единая теория, унификация... Человек, который знает, что такое квантовая теория поля, сразу же понимал, что в одну калибровочную группу засунуть калибровочный бозон и гравитон просто невозможно. Шум, конечно, через какое-то время сам затих, но первое время для журналистов это было очень горячей темой.
– Но разрыв между теорией и экспериментом все же растет?
– Конечно, разрыв есть, и он гигантский. Хотя мне кажется, он уже не растет – достиг максимума. Спекулировать больше, чем уже было наспекулировано, по-моему, невозможно. Может быть, эксперименты на БАКе даже приведут к уменьшению количества спекуляций, может быть это заставит людей вернуться к каким-то важным нерешенным задачам, атаковать их с новыми силами. Проблема нашего интеллектуального поля в том, что количество интеллектуальной энергии в нем более-менее постоянно, это 1000-1500 людей. Если они все занимаются квантовой теорией поля, происходит застой в квантовой гравитации. Появится возможность прогресса в квантовой гравитации – будет застой в теории поля.
– А нет опасности, что из-за ограниченности интеллектуальной энергии какие-то важные новые идеи просто оcтанутся незамеченными?
– Все идеи, которые появляются на горизонте, проходят проверку. У каждого физика со временем вырабатывается система знаков “стоп”. Если он видит что-то, что не лезет ни в какие ворота, то просто не станет тратить на это время. Это первая причина, почему идеи могут игнорироваться. Второй случай, даже если знаков “стоп” нет, но идея кажется слишком спекулятивной, то хорошо, раз ты ее предложил, иди, поработай-ка над ней несколько лет сам и покажи, что из этого что-то можно получить. И все новые теории проходят через это горнило. Моя работа тоже через это прошла: я написал первую статью, в которой предложил новые идеи, в 2008 году. А первая независимая работа коллег из Гарварда, которая подтвердила правильность нашего подхода, появилась только через два года. И эти два года мне было довольно одиноко. Я, конечно, общался с несколькими своими сотрудниками, но мне нужно было продираться, доказывать сообществу, что моя идея дельная. Так что те люди, которые жалуются, что их хорошие идеи игнорируют, на самом деле либо ленятся, либо их идеи просто ничего не стоят. Не нужно плакаться, нужно доказывать.
– Как когда-то доказывал ценность своих идей Питер Хиггс, ставший только что Нобелевским лауреатом.
– Да, Хиггс как раз бил в одну точку. Он ведь не только предсказал новую частицу – бозон. Через два года после выхода первых статей он написал новую работу, в которой детально исследовал свойства этого гипотетического бозона. Частица названа именем Хиггса совершенно заслуженно. Питер Хиггс в свою идею верил, и он ее дожал.
– Вы знаете историю, как советские физики Александр Мигдал и Александр Поляков, будучи юными студентами, в начале 60-х написали работу с идеями, близкими к идеям Хиггса, причем предложили их почти одновременно с ним. Они представили ее на семинаре Ландау, но там их особенно никто и слушать не стал.
– Да, я эту историю знаю. Действительно на семинаре Ландау теория поля тогда была в загоне, Поляков с Мигдалом подверглись критике, публикация была задержана. В их статье идет речь о механизме Хиггса, хотя современному читателю это может быть несколько сложно распознать из-за обозначений, которые сейчас вышли из употребления.
– В любом случае, теперь ведь стало ясно, что знаки “стоп” у участников семинара Ландау тогда стояли явно в неправильных местах.
– Да, в этом случае, пожалуй, они стояли неправильно. Хотя следует напомнить, что у участников семинара Ландау была серьезная причина быть настроенными скептически к теории поля вообще и к работе Мигдала и Полякова в частности – так называемая проблема "нуль-заряда", открытая за десять лет до этого Ландау, Абрикосовым и Халатниковым. Только вот впоследствии оказалось, что эта проблема не имеет отношения к механизму Хиггса.
– Любая большая премия, такая как Нобелевская или Fundamental Physics Prize, расставляет не знаки “стоп”, а наоборот, знаки “главная дорога”, по которым в сторону этой большой премии начинает ехать очень много ученых. И тут тоже знаки могут стоять неправильно.
– Трудно сказать, как премия может повлиять на социологию исследований. Моя-то точно ни на что не повлияет, я не получил какой-то астрономической суммы. Ну а основная премия... понимаете, проблема ведь не в том, что есть теория струн, а есть что-то альтернативное. Проблема в том, интересуется ли в принципе публика такими вопросами. Или заплатить 2 миллиарда долларов за стелс-бомбардировщик это нормально, а 10 миллиардов за ускоритель – уже дороговато, притом что таких бомбардировщиков у США десятки. Если молодежь решит заниматься физикой, пока она выучится, пройдет целое поколение, кто знает, чем именно они станут заниматься.
3. Критические явления: магнит и вода
– Расскажите, как вы сами пришли к тому, чем занимаетесь сейчас?
– Я закончил московский Физтех, дипломный проект у меня был по чистой математике, хотя базовой физике, конечно, меня тоже научили. Потом я попал в Принстон, в аспирантуру, тоже на математический факультет, и там познакомился с крупнейшим физиком Александром Поляковым. Узнав, чем я занимаюсь, он довольно безапелляционно заметил, что это наука 19-го века, и предложил заняться теорией струн. Так я переключился на теорфизику. Первый постдок у меня был в Амстердаме, там была в это время популярна топологическая теория струн, это чрезвычайно математизированная область. Я подумал: не для того я ушел из математики в физику, чтобы снова заниматься математикой. К счастью, на следующий постдок я попал в Пизу, в группу Риккардо Барбьери, он занимается феноменологией элементарных частиц, в частности тем, что называется “за пределами Стандартной модели” – beyond the Standard model. Это был 2005 год, эпоха, когда все ждали запуска Большого адронного коллайдера, когда казалось, что вот-вот откроются новые неведомые дали. Мы занимались тем, что делали прогнозы, что же все-таки Большой адронный коллайдер может открыть. Все надеялись, что там будет не только бозон Хиггса, но и что-то еще, может быть, суперсимметрия, может быть, новый тип сильного взаимодействия.
– Но в итоге вы занимаетесь тем, что не выходит за пределы Стандартной модели.
– Дело в том, что вся эта деятельность мне очень сильно помогла разобраться в физике частиц и в теории поля, понять, как работает мир. Четыре года в Пизе я занимался теориями, сценариями того, что может скрываться за Стандартной моделью. Один из таких сценариев называется "конформный техницвет", он был предложен в 2004 году. Это был агностический сценарий, то есть для того, чтобы он работал, нужно было бы, чтобы в квантовой теории поля выполнялись какие-то условия, которые находились за пределами познания – в области, про которую ничего не известно. Так что можно было делать любые предположения, даже самые невероятные. Как писали на старых картах, hic sunt leones, hic sunt dracones [здесь живут львы, здесь живут драконы. – Прим. С.Д.]. А мне вместе с моим коллегой Риккардо Раттацци удалось с помощью методов конформной теории поля, показать, что этот сценарий невозможен, что этих континентов с драконами просто нет.
– А потом эксперименты на коллайдере показали, что и про другие сценарии пока ничего определенного сказать не получается.
– Да, Большой адронный коллайдер нашел бозон Хиггса, но пока больше ничего особенно нового не открыл. Так что сейчас в физике за пределами Стандартной модели определенный застой. Хотя люди не отчаиваются, надеются на прогресс в других экспериментах, скажем, в поиске темной материи. Для меня же, к счастью, оказалось, что те методы, которые я разработал для конформного техницвета, применимы к любой конформной теории поля, в частности, к теории критических явлений.
– Это, как я понимаю, и есть ваш нынешний основной научный интерес? Расскажите, пожалуйста, поподробнее.
– Критические явления – это вот что такое. Например, если взять магнит и его нагревать, в какой-то момент он перестанет быть магнитом. Когда температура превышает некоторый уровень, магнит размагничивается. Этот критический уровень зависит от магнита, у одного он один, у другого – другой. Но оказывается, что если взять температуру, в точности равную температуре размагничивания, то при ней свойства всех магнитов одинаковые. Интересно, что эти универсальные свойства распространяются за пределы физики магнитов. Например, у обычной воды тоже есть критическая точка. При каждом давлении есть температура, при которой вода кипит и переходит из жидкого в газообразное состояние. При некотором критическом давлении, это около 200 атмосфер, дома в кастрюльке такого не создать, и соответствующей температуре, достигается критическая точка, при которой пропадает разница между жидким и газообразным состоянием воды. Получается этакий флуктуирующий компот, и свойства этого компота одинаковы для любой жидкости, находящейся в критической точке, и они эквивалентны свойствам магнита при критической температуре. И вот эти все критические точки описываются квантовой теорией поля, той самой, которую мы используем в физике частиц. Только в физике частиц мы работаем в четырех измерениях – три пространственных измерения и одно время, – а в физике критических явлений мы работаем в трех измерениях. Но законы очень похожие.
– А что это за универсальные свойства, которые есть у разных компотов и магнитов?
– Например, это флуктуационные свойства. Если взять воду при обычной температуре, у нее есть какая-то более-менее постоянная плотность. Другими словами, если взять небольшой объем воды, то его плотность будет постоянна во времени, при условии что температура и давление не будут меняться. А вот в критической точке появляются очень большие флуктуации плотности, большие скачки по времени и по пространству. Есть такое явление, называется критическая опалесценция, им еще Эйнштейн занимался. Оно заключается в том, что из-за флуктуаций плотности вода становится похожей на молоко, перестает быть прозрачной, потому что свет рассеивается на флуктуациях и до наблюдателя не доходит. Интересно, что у этих флуктуаций нет характерного размера, есть маленькие флуктуации, есть большие – математически это называется масштабной инвариантностью. Так вот цель теории – предсказать распределение этих флуктуаций. Грубо говоря, если вы будете смотреть на флуктуации вдвое большего размера, то их интенсивность уменьшится в два в какой-то степени раз. И вот эта степень – она называется критическим показателем – абсолютно универсальна, одинакова для всех жидкостей.
– В жидкостях происходят флуктуации плотности, а в магнитах что?
– В магнитах флуктуирует локальный магнитный момент. В нормальном магните все спины либо повернуты вверх, либо повернуты вниз. Если вы магнит очень сильно нагреете, они будут хаотично повернуты – какие-то вверх, какие-то вниз, никакой системы не будет. А вот при критической температуре будут островки спинов, повернутых вверх, и островки спинов, повернутых вниз. И эти островки – как и флуктуации в жидкости – будут самых разных размеров, будет такой суп из островков.
– И распределения размеров островков в магнитах и флуктуаций плотности воды в критической точки похожи?
– Да, показатель степенного распределения этих островков и флуктуаций – универсальная константа, как число Пи или постоянная Эйлера е. Ну, строго говоря, этих констант несколько, например, есть некоторое конечное число классов магнитов, для каждого из которых константа своя. И эти константы нужно вычислить – в этом состоит задача теории.
– Они подсчитаны хотя бы приближенно?
– Как раз суть моего достижения и была в том, что я нашел новый метод приближенного подсчета этих констант, хотя эта работа еще не окончена. Были другие методы подсчета, в частности, знаменитый метод ренорм-группы в квантовой теории поля, с его помощью люди худо-бедно научились считать эти константы. Но у меня была другая идея, она использует так называемый конформный бутстрап. Словом “бутстрап” физики вообще любят злоупотреблять, оно означает шнурки, есть выражение “вытянуть себя самого за шнурки из болота”, то есть речь идет о некоем самовоспроизводящемся процессе.
Идею конформного бутстрапа высказали еще в 70-е годы Александр Поляков и независимо от него группа итальянских физиков, Гатто, Грилло и Феррара. Но в то время ничего хорошего из этой идеи по разным причинам не вышло. Задача, к которой ее пытались применить, была решена другими методами, мотивация пропала. Потом конформный бутстрап проявился в двумерной теории поля, но мало кто думал, что его можно заставить работать в трех и четырех измерениях. А нам это удалось. Интересно, что, в отличие от метода ренорм-группы, бутстрапный подход более прямой, он связан с непосредственным описанием критической точки.
– То есть вы взяли идею, в которую никто не верил, и использовали ее для задачи, к которой уже был другой подход, но, на ваш вкус, недостаточно хороший?
– Во-первых, наш метод более точный. Сложность вычисления критических показателей с требуемой точностью по методу ренорм-группы растет экспоненциально быстро. То, что было в пределах человеческих возможностей, посчитали, потом эта деятельность закисла. Наш метод дал здесь прорыв. Но самое главное, яснее видна структура того, что, собственно, мы считаем, за деревьями вырисовывается лес. Пока что нам пришлось много что делать численно. Потому что в задаче возникают уравнения, про которые долгое время считалось, что их решить вообще нельзя. Первым делом нужно было показать, что на самом деле это сделать можно – и для этого решить их хотя бы численно. Ну вот, теперь мы убедили всех, что эти уравнения нужно воспринимать всерьез. Было бы интересно найти и аналитическое решение. Это задача на будущее.
– Не могу не задать стандартный журналистский вопрос: есть ли у этой деятельности прикладное значение? Вещество в критических точках может обладать какими-то полезными свойствами?
– И да и нет. В большинстве случаев, критическое состояние нестабильно, для его достижения и поддержания нужны лабораторные условия, экспериментатор, который аккуратно задает нужные параметры, например, подстраивает температуру магнита к критической. Вот если бы найти материал, который сам по себе находится в критическом состоянии... Хочется надеяться, что такие материалы существуют. По крайней мере, нет закона, который бы запрещал их существование. Более конкретно, есть одно загадочное явление с гигантским возможным полем применений – высокотемпературная сверхпроводимость. Полного понимания этого эффекта нет, в отличие от сверхпроводимости низкотемпературной, где все давно известно. Есть, однако, гипотеза, что свойства высокотемпературных сверхпроводников объясняются как раз тем, что они находятся в состоянии, рядом с которым есть критическая точка. Здесь могла бы пригодиться наша теория. Но пока это открытый вопрос. На данный момент из критических явлений напрямую ничего, что продается и покупается, не извлекли, посмотрим, что будет в будущем.
Мы публикуем большое интервью с сотрудником CERN, профессором физического факультета Университета Пьера и Марии Кюри (Париж VI) физиком Вячеславом Рычковым, который стал в этом году одним из трех победителей премии Fundamental Phisics Prize в категории "Новые горизонты", лауреатами которой становятся самые многообещающие молодые исследователи, работающие в области фундаментальной физики. Размер приза в этой категории составляет 100 тысяч долларов.
В разговоре с научным обозревателем Радио Свобода Вячеслав Рычков объяснил, что происходит с теорией струн и зачем строить новый коллайдер, ответил на обвинения в необъективности Fundamental Physics Prize и рассказал о своей научной работе.
1. Монотонность познания: струны и петли
– То, чем вы занимаетесь сейчас, – достаточно традиционная область физики. А до этого вы работали в том числе и в теории струн. Почему вы поменяли область деятельности?
– В прошлом я занимался и теорией струн, и квантовой гравитацией [квантовая гравитация – теория, которая должна объединить квантовую механику и общую теорию относительности, иногда квантовую гравитацию еще называют “единой теорией всего”. Теория струн – один из главных претендентов на то, чтобы стать единой теорией всего, но экспериментальных подтверждений она пока не нашла, в том числе, на Большом адронном коллайдере. – Прим. С.Д.]. Но потом увидел, что есть непочатый край задач более "общечеловеческих", в частности, связанных с квантовой теорией поля, которые ждут своего решения. Более того, существующие методы не способны эти задачи решить. В теоретической физике бытует точка зрения, что есть некие в принципе нерешаемые задачи, на которые можно просто махнуть рукой. Часто принимаются упрощающие предположения о строении мира, например, что в нем есть суперсимметрия, что-то еще. За счет этого была накоплена какая-то интуиция, но она не конвертируется в решение конкретных задач.
Вот есть так называемое AdS/CFT-соответствие, грубо говоря, мостик между теорией струн и квантовой теорией поля, оно известно уже много лет, но конвертирования этих методов в конкретные результаты теории поля, предсказания, которые можно проверить и подтвердить на эксперименте, пока так и не произошло. Но это не значит, что сложные математические методы, которые были разработаны в той же теории струн, никуда не годятся. Нужно просто пытаться их переинтерпретировать, как-то расширить. В этом состоит моя философия: стараться применить любые методы, без всяких предрассудков, все, что только сгодится, но при этом держать в фокусе, что в конце концов нужно довести ответ до числа, которое можно было бы сравнить с экспериментом.
– Можно сказать, что вам повезло – многих разочаровали результаты работы Большого адронного коллайдера (БАК), на котором помимо бозона Хиггса ничего особенно нового не нашли, а на вашей работе это никак не сказалось, для ваших задач не требуется найти какие-то новые частицы или виды взаимодействий.
– Действительно, можно сказать, мне повезло, что у меня была такая параллельная деятельность, на которую я смог переключиться.
– Что вы думаете о перспективах и нынешнем состоянии теории струн? Нужно строить еще более мощный коллайдер, чтобы найти какие-то ее экспериментальные подтверждения? Или уже можно махнуть рукой?
– Давайте сразу оговоримся, что мы сейчас говорим об области деятельности, в которую я был погружен 5-10 лет назад, хотя, конечно, и сейчас продолжаю за всем этим следить.
Я думаю, что по крайней мере еще один коллайдер стоит построить. Дело в том, что на БАКе открыли бозон Хиггса, свойства которого по всем параметрам хорошо описываются Стандартной моделью, он относится к так называемым скалярным частицам. До настоящего времени все скалярные частицы, которые мы наблюдали, были составными, то есть состояли из других, более мелких частиц. Но мы не знаем, является ли и бозон Хиггса составной частицей или элементарной. Более того, на БАКе ответ на этот вопрос с достаточно большой точностью получить нельзя. БАК – это именно адронный коллайдер, он хорош для того, чтобы открывать новые частицы, а не чтобы производить с ними точные измерения. Для точных измерений нужен коллайдер другого типа, лептонный. Как раз таким, но недостаточно мощным, был электрон-позитронный коллайдер [LEP – Large electron-positron collider. – Прим. С.Д.], который до БАКа располагался в том же самом тоннеле здесь, в ЦЕРНе. Мне кажется, есть достаточная научная мотивация для того, чтобы построить новый электрон-позитронный коллайдер, который смог бы исследовать с хорошей точностью свойства бозона Хиггса, чтобы мы смогли проверить, действительно ли это элементарный скаляр, а не составной.
– Если он окажется составным, это станет неожиданностью?
– Это будет неожиданностью, приятной, так как элементарный бозон Хиггса – это в некотором смысле надгробный памятник Стандартной модели, а если он окажется составным, то это может стать ключом к ее пониманию. Все идет к тому, что он элементарный, но пока мы это знаем с небольшой точностью, на уровне 20 процентов достоверности. Это в принципе не исключает возможности, что у бозона Хиггса все же есть какая-то внутренняя структура, просто мы ее не замечаем, ее проявления замаскированы обломками других частиц, которые производит БАК. Если еще раз в 10-100 повысить точность, и по-прежнему окажется, что никаких отклонений нет, тогда точно можно будет ставить памятник.
– Вы рассказали о мотивации строить новые, более мощные коллайдеры. Но помогут ли они найти экспериментальные подтверждения теории струн?
– Это сложный вопрос. Надеяться на экспериментальный сигнал сложно, потому что любая теория квантовой гравитации в случае общего положения устроена так, что все ее эффекты подавлены колоссальной энергетической шкалой. Чтобы эти эффекты увидеть, нужен коллайдер такой мощности, добиться которой мы просто не можем. Поэтому речь обычно идет о проверке эффектов теории при очень специфических условиях, т.е. рассчитывая на определенное везение, что при этих условиях эффекты окажутся заметны и на доступных нам мощностях. Пока нам не повезло. Конечно, нельзя исключить, что кто-то когда-нибудь придумает, как обнаружить эффекты общего положения.
– Но если не придумает, теория струн так и останется теорией на бумаге?
– Тут вот что важно. Как я уже сказал, эффекты квантовой гравитации априори очень сложно увидеть на эксперименте, каким бы теоретическим подходом вы ни пользовались. Нужно сравнивать теорию струн с альтернативными подходами по другим параметрам. Есть, например, конкурирующая теория, которая называется петлевой гравитацией, одним из ее главных проповедников является Ли Смолин. Люди, работающие в петлевой гравитации, тоже строят какие-то фантазии, стараются придумать, как увеличить вероятность наблюдения эффектов, доказывающих правильность их подхода. Но, естественно, у них тоже ничего не наблюдается.
При этом, исследования в теории струн – это деятельность, которая не пропадает впустую. Изучается какая-то самосогласованная система уравнений. Познания об этой системе постепенно расширяются, находятся связи с другими областями физики. Это монотонный рост познания, и если когда-то в будущем окажется, что из этого знания науке что-то нужно, не придется начинать разрабатывать все сначала.
– А в других подходах к квантовой гравитации процесс познания не идет?
– Когда я был моложе, любопытство меня заставило разобраться в других подходах. И я увидел, что там этот процесс не является монотонным. Он идет примерно по такому сценарию: через каждые пару лет или месяцев происходит нажатие на кнопку reboot, и все начинается с начала. Происходит просто генерация белого шума. А теория струн – это 30 лет нетривиальных результатов, огромная и ценная работа. Другие подходы – там толчется вода в ступе, никакого интеллектуального прогресса я не вижу.
– Хорошо, но вы раньше уже сказали, что конвертация математического аппарата теории струн в результаты в других областях физики пока практически не происходит. Вот, скажем, в конформной теории поля, которой вы сейчас занимаетесь, методы теории струн применяются?
– Я применяю методы конформной теории поля. И теория струн тоже применяет методы конформной теории поля. Благодаря последнему обстоятельству, на волне интереса к теории струн конформная теория поля смогла очень сильно развиться. Если бы не теория струн, мне было бы гораздо сложнее работать в своей области, потому что пришлось бы много чего самому переоткрывать. А так я могу воспользоваться результатами, которые другие люди, с другой мотивацией, уже получили. Я хочу еще раз подчеркнуть, что даже если методы самой теории струн сегодня напрямую не используются, в ней все равно достигнуты железобетонные результаты. Если понадобится, я могу и через 10 лет и через 20 взять статью по теории струн и пустить ее в дело.
– Потому что теория самосогласована.
– Да. Если уметь читать между строк, эта математика оказывается очень полезной в других областях физики.
На самом деле, "теория струн" – это в некотором смысле акроним. В интернете есть известный сайт, на котором размещаются научные статьи – arхiv.org. Там по теоретической физике высоких энергий есть две категории, hep-th (High energy physics – theory) и hep-ph (High energy physics – phenomenology). Вторая категория – это работы, непосредственно связанные с физикой коллайдеров, с физикой частиц, в них делаются предсказания и анализируются результаты текущих экспериментов, предлагаются новые эксперименты. Это называется феноменология. А hep-th называют "теорией струн" в широком смысле этого слова, хотя на самом деле здесь публикуются работы по самым различным областям: по формальной теории амплитуд рассеяния, по непертурбативной теории поля, по квантовым черным дырам, по AdS/CFT, собственно по теории квантованных струн и т. д. Эти работы объединяет отсутствие прямого контакта с экспериментом, которое компенсируется математической самосогласованностью. Всех людей, работающих в этих направлениях, критики скопом относят к теории струн. Например, про известного физика Александра Полякова, который был моим научным руководителем в Принстоне, часто говорят, что он специалист по теории струн. На самом деле, Поляков большую часть своей жизни занимался теорией поля, у него, как и у Виттена [Эдвард Виттен, американский физик-теоретик, обладатель медали Филдса. – Прим. С.Д.] много открытий, которые относятся к Стандартной модели. В какой-то момент они, видимо, решили: все, Стандартную модель мы более-менее понимаем, эту задачу можно оставить младшим коллегам, теперь можно заняться тем, что пока никому не по зубам, например, квантовой гравитацией. Хотя у Полякова основной интерес к теории струн связан не с квантовой гравитацией, а с возможными применениями к теории сильных взаимодействий.
Про себя я пока не могу сказать, что понимаю теорию поля так же хорошо, как Поляков и Виттен, и продолжаю ей заниматься. Может быть, когда стану мудрее, тоже займусь квантовой гравитацией.
– Нужно заслужить право заниматься теорией струн?
– Несомненно. Вообще, если заниматься квантовой гравитацией, не понимая теории поля, то всю такую продукцию можно прямиком направлять в мусорное ведро.
2. Фундаментальная объективность: “стоп” и “главная дорога”
– Как вы относитесь ко все чаще звучащей критике мильнеровской премии, что она регулярно вручается специалистам в теории струн, пусть и в более широком смысле, как вы и сказали. Лауреаты очередного года входят в жюри и снова вручают премию коллегам с близкими научными интересами. Многие пишут, что из-за этого создается предвзятое представление, что фундаментальная физика – это именно теория струн, и ничего больше.
– Давайте определим, что вообще такое фундаментальная физика, чем она отличается от прикладной. Мы говорили с Юрием Мильнером, он звонил поздравить меня и рассказал, что идея премии была в том, чтобы противостоять тенденции: человечество все больше и больше концентрируется на вещах, которые дают сиюминутную выгоду. Ведь в каждом интервью у ученого обязательно спросят: “А как это можно применить?” Когда подаешь на европейский грант, в заявке нужно указать, какой эффект от исследований будет для благосостояния Европейского сообщества. Наверное, в России тоже есть пункты такого рода, хотя надеюсь, что нет. А во времена Эйнштейна люди были вдохновлены просто самим фактом, что сила человеческого разума смогла предсказать поведение лучей, проходящих возле Солнца, на какой угол они будут отклоняться [это стало первым экспериментальным подтверждением ОТО. – Прим. С.Д.]. Какая от этого тогда была польза? Но когда этот эффект был обнаружен экспедицией, наблюдавшей солнечное затмение, и это подтвердило, что Эйнштейн был прав, это стало главной новостью во всем мире [это случилось в 1919 году. – Прим. С.Д.]. А ведь только много лет спустя оказалось, что эффекты теории относительности важны, например, для GPS. Идея Мильнера – привлечь внимание публики к исследованиям, которые имеют своей целью понять микроскопическую структуру мира, ее законы, пусть в данный момент они и не имеют практических применений. Я бы так и определил фундаментальную физику.
– Я вас спрашивал, не слишком ли субъективно жюри премии Мильнера, которое определяет ведущих исследователей в фундаментальной физике.
– Конечно, оно субъективно по определению. Должно быть сообщество экспертов, защищающее свою точку зрения. По моей области, квантовой теории поля, в состав жюри премии входят несколько физиков-теоретиков, которые для меня лично являются наивысшими авторитетами.
– А не могло бы существовать альтернативное, но не менее авторитетное жюри в принципе? Которое бы имело свое представление о том, что считать фундаментальной физикой?
– Это сложно обсуждать абстрактно. Вы кого-то конкретно можете предложить?
– Я никого назвать не берусь, мне не хватает компетентности. Я говорю о том, что обычным людям, которые не могут соревноваться в научном авторитете с лауреатами Fundamental Physics Prize, может показаться, что раз за разом призерами становятся специалисты в одной и той же, причем в каком-то смысле довольно сомнительной, области.
– Ну давайте тогда, что ли, по полочкам разберем. Вы говорите – люди из одной и той же области. Но там есть специалисты по космологии и инфляции, есть по квантовой информации, есть один из крупнейших специалистов по физике за пределами Стандартной модели. Что, все это многообразие дисциплин мы назовем теорией струн? Это будет просто несправедливо.
– Хорошо, давайте поговорим о более общих вещах. Вам не кажется, что с развитием физики появляется слишком много размахивания руками, теорий, которые слишком далеки от опыта, более того, которые экспериментом в принципе проверить невозможно?
– Почти все теории, где происходит размахивание руками, не стоят никакого внимания, и специалисту это сразу ясно. Типичный пример – Гаррет Лиси [американец, предложивший в 2007 году скандальную “исключительно простую теорию всего”, о Лиси и подобных истриях мы писали. – Прим. С.Д.], про него было много шума несколько лет назад. Он вообще-то специалист в первую очередь по серфингу, а раструбили – единая теория, унификация... Человек, который знает, что такое квантовая теория поля, сразу же понимал, что в одну калибровочную группу засунуть калибровочный бозон и гравитон просто невозможно. Шум, конечно, через какое-то время сам затих, но первое время для журналистов это было очень горячей темой.
– Но разрыв между теорией и экспериментом все же растет?
– Конечно, разрыв есть, и он гигантский. Хотя мне кажется, он уже не растет – достиг максимума. Спекулировать больше, чем уже было наспекулировано, по-моему, невозможно. Может быть, эксперименты на БАКе даже приведут к уменьшению количества спекуляций, может быть это заставит людей вернуться к каким-то важным нерешенным задачам, атаковать их с новыми силами. Проблема нашего интеллектуального поля в том, что количество интеллектуальной энергии в нем более-менее постоянно, это 1000-1500 людей. Если они все занимаются квантовой теорией поля, происходит застой в квантовой гравитации. Появится возможность прогресса в квантовой гравитации – будет застой в теории поля.
– А нет опасности, что из-за ограниченности интеллектуальной энергии какие-то важные новые идеи просто оcтанутся незамеченными?
– Все идеи, которые появляются на горизонте, проходят проверку. У каждого физика со временем вырабатывается система знаков “стоп”. Если он видит что-то, что не лезет ни в какие ворота, то просто не станет тратить на это время. Это первая причина, почему идеи могут игнорироваться. Второй случай, даже если знаков “стоп” нет, но идея кажется слишком спекулятивной, то хорошо, раз ты ее предложил, иди, поработай-ка над ней несколько лет сам и покажи, что из этого что-то можно получить. И все новые теории проходят через это горнило. Моя работа тоже через это прошла: я написал первую статью, в которой предложил новые идеи, в 2008 году. А первая независимая работа коллег из Гарварда, которая подтвердила правильность нашего подхода, появилась только через два года. И эти два года мне было довольно одиноко. Я, конечно, общался с несколькими своими сотрудниками, но мне нужно было продираться, доказывать сообществу, что моя идея дельная. Так что те люди, которые жалуются, что их хорошие идеи игнорируют, на самом деле либо ленятся, либо их идеи просто ничего не стоят. Не нужно плакаться, нужно доказывать.
– Как когда-то доказывал ценность своих идей Питер Хиггс, ставший только что Нобелевским лауреатом.
– Да, Хиггс как раз бил в одну точку. Он ведь не только предсказал новую частицу – бозон. Через два года после выхода первых статей он написал новую работу, в которой детально исследовал свойства этого гипотетического бозона. Частица названа именем Хиггса совершенно заслуженно. Питер Хиггс в свою идею верил, и он ее дожал.
– Вы знаете историю, как советские физики Александр Мигдал и Александр Поляков, будучи юными студентами, в начале 60-х написали работу с идеями, близкими к идеям Хиггса, причем предложили их почти одновременно с ним. Они представили ее на семинаре Ландау, но там их особенно никто и слушать не стал.
– Да, я эту историю знаю. Действительно на семинаре Ландау теория поля тогда была в загоне, Поляков с Мигдалом подверглись критике, публикация была задержана. В их статье идет речь о механизме Хиггса, хотя современному читателю это может быть несколько сложно распознать из-за обозначений, которые сейчас вышли из употребления.
– В любом случае, теперь ведь стало ясно, что знаки “стоп” у участников семинара Ландау тогда стояли явно в неправильных местах.
– Да, в этом случае, пожалуй, они стояли неправильно. Хотя следует напомнить, что у участников семинара Ландау была серьезная причина быть настроенными скептически к теории поля вообще и к работе Мигдала и Полякова в частности – так называемая проблема "нуль-заряда", открытая за десять лет до этого Ландау, Абрикосовым и Халатниковым. Только вот впоследствии оказалось, что эта проблема не имеет отношения к механизму Хиггса.
– Любая большая премия, такая как Нобелевская или Fundamental Physics Prize, расставляет не знаки “стоп”, а наоборот, знаки “главная дорога”, по которым в сторону этой большой премии начинает ехать очень много ученых. И тут тоже знаки могут стоять неправильно.
– Трудно сказать, как премия может повлиять на социологию исследований. Моя-то точно ни на что не повлияет, я не получил какой-то астрономической суммы. Ну а основная премия... понимаете, проблема ведь не в том, что есть теория струн, а есть что-то альтернативное. Проблема в том, интересуется ли в принципе публика такими вопросами. Или заплатить 2 миллиарда долларов за стелс-бомбардировщик это нормально, а 10 миллиардов за ускоритель – уже дороговато, притом что таких бомбардировщиков у США десятки. Если молодежь решит заниматься физикой, пока она выучится, пройдет целое поколение, кто знает, чем именно они станут заниматься.
3. Критические явления: магнит и вода
– Расскажите, как вы сами пришли к тому, чем занимаетесь сейчас?
– Я закончил московский Физтех, дипломный проект у меня был по чистой математике, хотя базовой физике, конечно, меня тоже научили. Потом я попал в Принстон, в аспирантуру, тоже на математический факультет, и там познакомился с крупнейшим физиком Александром Поляковым. Узнав, чем я занимаюсь, он довольно безапелляционно заметил, что это наука 19-го века, и предложил заняться теорией струн. Так я переключился на теорфизику. Первый постдок у меня был в Амстердаме, там была в это время популярна топологическая теория струн, это чрезвычайно математизированная область. Я подумал: не для того я ушел из математики в физику, чтобы снова заниматься математикой. К счастью, на следующий постдок я попал в Пизу, в группу Риккардо Барбьери, он занимается феноменологией элементарных частиц, в частности тем, что называется “за пределами Стандартной модели” – beyond the Standard model. Это был 2005 год, эпоха, когда все ждали запуска Большого адронного коллайдера, когда казалось, что вот-вот откроются новые неведомые дали. Мы занимались тем, что делали прогнозы, что же все-таки Большой адронный коллайдер может открыть. Все надеялись, что там будет не только бозон Хиггса, но и что-то еще, может быть, суперсимметрия, может быть, новый тип сильного взаимодействия.
– Но в итоге вы занимаетесь тем, что не выходит за пределы Стандартной модели.
– Дело в том, что вся эта деятельность мне очень сильно помогла разобраться в физике частиц и в теории поля, понять, как работает мир. Четыре года в Пизе я занимался теориями, сценариями того, что может скрываться за Стандартной моделью. Один из таких сценариев называется "конформный техницвет", он был предложен в 2004 году. Это был агностический сценарий, то есть для того, чтобы он работал, нужно было бы, чтобы в квантовой теории поля выполнялись какие-то условия, которые находились за пределами познания – в области, про которую ничего не известно. Так что можно было делать любые предположения, даже самые невероятные. Как писали на старых картах, hic sunt leones, hic sunt dracones [здесь живут львы, здесь живут драконы. – Прим. С.Д.]. А мне вместе с моим коллегой Риккардо Раттацци удалось с помощью методов конформной теории поля, показать, что этот сценарий невозможен, что этих континентов с драконами просто нет.
– А потом эксперименты на коллайдере показали, что и про другие сценарии пока ничего определенного сказать не получается.
– Да, Большой адронный коллайдер нашел бозон Хиггса, но пока больше ничего особенно нового не открыл. Так что сейчас в физике за пределами Стандартной модели определенный застой. Хотя люди не отчаиваются, надеются на прогресс в других экспериментах, скажем, в поиске темной материи. Для меня же, к счастью, оказалось, что те методы, которые я разработал для конформного техницвета, применимы к любой конформной теории поля, в частности, к теории критических явлений.
– Это, как я понимаю, и есть ваш нынешний основной научный интерес? Расскажите, пожалуйста, поподробнее.
– Критические явления – это вот что такое. Например, если взять магнит и его нагревать, в какой-то момент он перестанет быть магнитом. Когда температура превышает некоторый уровень, магнит размагничивается. Этот критический уровень зависит от магнита, у одного он один, у другого – другой. Но оказывается, что если взять температуру, в точности равную температуре размагничивания, то при ней свойства всех магнитов одинаковые. Интересно, что эти универсальные свойства распространяются за пределы физики магнитов. Например, у обычной воды тоже есть критическая точка. При каждом давлении есть температура, при которой вода кипит и переходит из жидкого в газообразное состояние. При некотором критическом давлении, это около 200 атмосфер, дома в кастрюльке такого не создать, и соответствующей температуре, достигается критическая точка, при которой пропадает разница между жидким и газообразным состоянием воды. Получается этакий флуктуирующий компот, и свойства этого компота одинаковы для любой жидкости, находящейся в критической точке, и они эквивалентны свойствам магнита при критической температуре. И вот эти все критические точки описываются квантовой теорией поля, той самой, которую мы используем в физике частиц. Только в физике частиц мы работаем в четырех измерениях – три пространственных измерения и одно время, – а в физике критических явлений мы работаем в трех измерениях. Но законы очень похожие.
– А что это за универсальные свойства, которые есть у разных компотов и магнитов?
– Например, это флуктуационные свойства. Если взять воду при обычной температуре, у нее есть какая-то более-менее постоянная плотность. Другими словами, если взять небольшой объем воды, то его плотность будет постоянна во времени, при условии что температура и давление не будут меняться. А вот в критической точке появляются очень большие флуктуации плотности, большие скачки по времени и по пространству. Есть такое явление, называется критическая опалесценция, им еще Эйнштейн занимался. Оно заключается в том, что из-за флуктуаций плотности вода становится похожей на молоко, перестает быть прозрачной, потому что свет рассеивается на флуктуациях и до наблюдателя не доходит. Интересно, что у этих флуктуаций нет характерного размера, есть маленькие флуктуации, есть большие – математически это называется масштабной инвариантностью. Так вот цель теории – предсказать распределение этих флуктуаций. Грубо говоря, если вы будете смотреть на флуктуации вдвое большего размера, то их интенсивность уменьшится в два в какой-то степени раз. И вот эта степень – она называется критическим показателем – абсолютно универсальна, одинакова для всех жидкостей.
– В жидкостях происходят флуктуации плотности, а в магнитах что?
– В магнитах флуктуирует локальный магнитный момент. В нормальном магните все спины либо повернуты вверх, либо повернуты вниз. Если вы магнит очень сильно нагреете, они будут хаотично повернуты – какие-то вверх, какие-то вниз, никакой системы не будет. А вот при критической температуре будут островки спинов, повернутых вверх, и островки спинов, повернутых вниз. И эти островки – как и флуктуации в жидкости – будут самых разных размеров, будет такой суп из островков.
– И распределения размеров островков в магнитах и флуктуаций плотности воды в критической точки похожи?
– Да, показатель степенного распределения этих островков и флуктуаций – универсальная константа, как число Пи или постоянная Эйлера е. Ну, строго говоря, этих констант несколько, например, есть некоторое конечное число классов магнитов, для каждого из которых константа своя. И эти константы нужно вычислить – в этом состоит задача теории.
– Они подсчитаны хотя бы приближенно?
– Как раз суть моего достижения и была в том, что я нашел новый метод приближенного подсчета этих констант, хотя эта работа еще не окончена. Были другие методы подсчета, в частности, знаменитый метод ренорм-группы в квантовой теории поля, с его помощью люди худо-бедно научились считать эти константы. Но у меня была другая идея, она использует так называемый конформный бутстрап. Словом “бутстрап” физики вообще любят злоупотреблять, оно означает шнурки, есть выражение “вытянуть себя самого за шнурки из болота”, то есть речь идет о некоем самовоспроизводящемся процессе.
Идею конформного бутстрапа высказали еще в 70-е годы Александр Поляков и независимо от него группа итальянских физиков, Гатто, Грилло и Феррара. Но в то время ничего хорошего из этой идеи по разным причинам не вышло. Задача, к которой ее пытались применить, была решена другими методами, мотивация пропала. Потом конформный бутстрап проявился в двумерной теории поля, но мало кто думал, что его можно заставить работать в трех и четырех измерениях. А нам это удалось. Интересно, что, в отличие от метода ренорм-группы, бутстрапный подход более прямой, он связан с непосредственным описанием критической точки.
– То есть вы взяли идею, в которую никто не верил, и использовали ее для задачи, к которой уже был другой подход, но, на ваш вкус, недостаточно хороший?
– Во-первых, наш метод более точный. Сложность вычисления критических показателей с требуемой точностью по методу ренорм-группы растет экспоненциально быстро. То, что было в пределах человеческих возможностей, посчитали, потом эта деятельность закисла. Наш метод дал здесь прорыв. Но самое главное, яснее видна структура того, что, собственно, мы считаем, за деревьями вырисовывается лес. Пока что нам пришлось много что делать численно. Потому что в задаче возникают уравнения, про которые долгое время считалось, что их решить вообще нельзя. Первым делом нужно было показать, что на самом деле это сделать можно – и для этого решить их хотя бы численно. Ну вот, теперь мы убедили всех, что эти уравнения нужно воспринимать всерьез. Было бы интересно найти и аналитическое решение. Это задача на будущее.
– Не могу не задать стандартный журналистский вопрос: есть ли у этой деятельности прикладное значение? Вещество в критических точках может обладать какими-то полезными свойствами?
– И да и нет. В большинстве случаев, критическое состояние нестабильно, для его достижения и поддержания нужны лабораторные условия, экспериментатор, который аккуратно задает нужные параметры, например, подстраивает температуру магнита к критической. Вот если бы найти материал, который сам по себе находится в критическом состоянии... Хочется надеяться, что такие материалы существуют. По крайней мере, нет закона, который бы запрещал их существование. Более конкретно, есть одно загадочное явление с гигантским возможным полем применений – высокотемпературная сверхпроводимость. Полного понимания этого эффекта нет, в отличие от сверхпроводимости низкотемпературной, где все давно известно. Есть, однако, гипотеза, что свойства высокотемпературных сверхпроводников объясняются как раз тем, что они находятся в состоянии, рядом с которым есть критическая точка. Здесь могла бы пригодиться наша теория. Но пока это открытый вопрос. На данный момент из критических явлений напрямую ничего, что продается и покупается, не извлекли, посмотрим, что будет в будущем.
