"Теория проигрывает эксперименту": новый кризис в физике высоких энергий?
Сегодня теоретическая физика не в состоянии сформулировать ясную картину того, что происходит в природе за пределами так называемой Стандартной модели физики частиц, многократно подтвержденной экспериментами на БАКе и других установках.
Почему это вызывает беспокойство и близки ли мы к "новой физике", рассказывает Андрей Старинец, известный физик-теоретик, научный сотрудник Центра теоретической физики Оксфордского университета.
В минувшие выходные он выступил с лекцией в рамках московского фестиваля "Наука 0+", проходившем в стенах МГУ. Теоретик рассказал о том, как связаны между собой черные дыры и кварк-глюонная плазма - фаза первичной материи Вселенной, которую сегодня ученые воссоздают, сталкивая тяжелые ионы на мощнейших ускорителях частиц.
Можно ли говорить, что нам придется создать "новую физику", которая заменила бы и то, и другое, или же пока об этом рано рассуждать?
- Безусловно, соблазн такой есть, он очень большой. Прежде чем говорить о "примирении" квантовой механики и общей теории относительности, то есть о формулировке квантовой гравитации, давайте затронем вопрос о суперсимметрии.
У физиков были серьезные надежды на то, что Большой адронный коллайдер обнаружит частицы-суперпартнеры при тех энергиях, на которые он был изначально рассчитан, 7-13 ТэВ. Этого не произошло. Конечно, когда мы наберем больше статистики и данных, может оказаться, что суперсимметрия там где-то прячется.
Но с каждым сезоном работы БАК надежды на это становится все меньше и меньше. С одной стороны, с точки зрения теории, ничего страшного не происходит, так как никто не предсказывал, что суперсимметрия должна существовать именно на этих энергиях.
Вполне возможно, что она проявляется, скажем, при 20 или при 50 ТэВ. С другой стороны, это говорит об определенной слабости современных теоретических представлений. На предыдущих этапах, например, при создании квантовой хромодинамики и теории электрослабого взаимодействия в 1960-70-е годы, теория довольно четко предсказывала, как, где и что следует искать - к примеру, W или Z-бозоны или тяжелые кварки, или тот же бозон Хиггса, хотя масса последнего теоретически варьировалась в довольно широком интервале.
Отсутствие подобной ясности в вопросе суперсимметрии, на мой взгляд, очень ярко характеризует ситуацию в современной теоретической физике высоких энергий. Тот факт, что мы не можем предсказать подобные вещи, говорит о слабости общей теории, о плохом понимании физики за пределами Стандартной модели.
В рамках энергий, описываемых Стандартной моделью, все хорошо, но и здесь очень много работы: нужно постоянно повышать точность экспериментов и точность расчетов, сравнивать одно с другим, искать возможные отклонения от предсказаний. Но в целом пока все измерения совпадают с теоретическими выкладками.
О судьбе суперсимметрии трудно сейчас сказать что-то определенное. Может быть, ее вообще нет в природе. Может быть, она будет открыта на новом суперколлайдере, который, возможно, построят в Китае. Суперсимметрия важна для теории струн, но наличие суперсимметрии в природе само по себе не означает, что последняя - правильная физическая теория.
У теоретиков есть еще чисто психологические моменты. Люди, которые никогда не изучали суперсимметрию, могут относится к ней скептически, но они же, изучив предмет, с трудом готовы поверить, что природа обходится без такой красоты.
Конечно, на суперсимметрии или на теории струн свет клином не сошелся - ученые разрабатывают и другие подходы к физике за пределами Стандартной модели. Но мне кажется, что в целом состояние отрасли, если иметь в виду теорию, довольно плачевное. С другой стороны, несмотря на все усилия, понимания того, как устроен мир на энергиях, превышающих типичные значения для Стандартной модели, у нас по-прежнему нет.
Можно сравнить эту ситуацию с тем, как развивалась фундаментальная физика в 1950-е - 70-е годы: сначала вел эксперимент, все более мощные ускорители постоянно открывали большое число новых частиц, и совершенно непонятно было, как все это описывать и классифицировать. Старые подходы не работали.
В 1959 году, выступая на конференции по физике высоких энергий в Киеве, Лев Ландау объявил, что прежний, гамильтонов, подход к теории поля умер, и остается лишь организовать ему достойные похороны. Возникли новые методы, в которых было очень много красивой математики, но не так уж много физического содержания.
Но уже через десять лет в рамках старого, уже, казалось бы, похороненного подхода, появилась теория сильных взаимодействий, квантовая хромодинамика, и Стандартная модель, появились соответствующие предсказания, которые затем были блестяще подтверждены в новых экспериментах. Последнее из этих подтверждений - обнаружение хиггсовского бозона, это, так сказать, теоретический привет из шестидесятых.
Сейчас мы опять в теоретическом тупике, поэтому, наверное, неудивительно, что снова процветает жонглирование восхитительными математическими конструкциями. Само по себе это нормально, но вопрос о том, сменится ли эта фаза реальным прогрессом в понимании природы, остается, на мой взгляд, открытым.
Прошлые успехи не гарантируют успеха в будущем. Кроме того, сейчас имеется серьезная объективная трудность: в отличие от 1950-х годов, у нас сейчас не так много экспериментальных данных. Вот если бы БАК или другой ускоритель нашли бы "новую физику", тогда дело бы пошло веселей.
А так, в основном, мы имеем только косвенные подтверждения, что новая физика есть. По сути, мы сейчас идем за экспериментами - мы строим коллайдер, он, к счастью, находит бозон Хиггса, но не открывает микро-черные дыры или какие-то другие новые и интересные объекты, вроде суперпартнеров.
Теоретики задыхаются от недостатка новых данных и у них, образно говоря, начинаются разнообразные сугубо математические галлюцинации... И это все при том, что острые нерешенные вопросы еще у нас есть. Мне, теоретику, ситуация, в которой теория становится ведомой, совсем не по душе. Мне кажется, что вопрос "нужно ли идти дальше?" будет серьезно рассматриваться всегда, вне зависимости от состояния экономики и политики. Я верю в то, что тяга к фундаментальному знанию будет существовать до тех пор, пока существует человечество.
Не думаю, что апокалиптическая картина "общества всеобщего потребления", которую нам часто рисуют футуристы, будет воплощена в жизнь до такой степени, что фундаментальная наука станет никому не нужна и ее полностью прекратят финансировать.
С другой стороны, есть немало примеров саморазрушительной динамики на уровне индивидуумов и сообществ, поэтому гарантий тут нет. Что касается чисто технической стороны, то в последнее время большое внимание уделяется разработке новых принципов ускорения частиц.
Если прогресс в этом направлении будет достигнут, вовсе необязательно строить ускоритель размером с половину континента. В любом случае, пока экспериментаторы ведут в изучении физики частиц, мы будем двигаться в этом направлении.
За пределами Стандартной модели сейчас находится своеобразная "полоса незнания", побуждающая экспериментаторов строить новые машины и копаться в ней. Это копание проявляется в двух вещах - мы сталкиваем частицы на все более высоких энергиях, надеясь найти что-то новое, и более точно промеряем параметры их взаимодействий.
Это тоже очень большая работа, которая, может быть, не принесет каких-то громких фундаментальных открытий, но крайне важна для понимания общей картины устройства мироздания. Иными словами, я пока не готов окончательно хоронить ни экспериментальную, ни теоретическую физику высоких энергий.
При этом меня очень раздражает то, что мы уже несколько десятилетий топчемся на одном месте и так и не можем сформулировать убедительного обобщения всего, что было открыто за последние годы и того, что лежит за пределами Стандартной модели. Я бы сказал, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе, причем достаточно серьезном. С чем они связаны?
- Некоторое давление на сообщество струнных теоретиков есть, но тут, скорее, играют роль определенные социологические эффекты. Когда развитие замедляется, то, как правило, начинаются поиски "злодеев", которые довели нас "до такой жизни".
Нужно разделять теорию - феноменологию частиц и теорию струн, чье отношение к "реальной физике" пока не до конца определено. Есть огромное число моделей, которые никак с ней не связаны, и многие практические вопросы тоже ее не затрагивают и не зависят от нее. Ожидает ли нас такая же революция, сопоставимая по масштабам с созданием квантовой физики?
- Многие надеются на то, что нечто подобное произойдет. В каком-то смысле современная ситуация и то, что происходило в конце 19 века, очень похожи друг на друга. В то время мы достигли пределов классической физики, но еще не начали замечать квантовых эффектов.
Всем казалось, что фундаментальная наука закончилась, и что остались лишь различные мелочи и прикладная физика. Но потом появился Планк и его открытия, и ситуация резко изменилась.
Можно ли ожидать какого-то эпохального открытия в экспериментальной физике или, что не менее важно и возможно, в космологии? Не стоит забывать, что космос - это гигантская лаборатория по изучению физики частиц на самых высоких энергиях. Вполне возможно, что гравитационные волны помогут нам заглянуть в самые ранние эпохи жизни Вселенной, когда она еще не была прозрачной для света.
Может быть, наши коллеги найдут там что-то, что перевернет не только космологию, но и выведет физику частиц на новый уровень. Как показывают примеры темной материи и темной энергии, проблемы макро- и микромира неразрывно связаны между собой.
Есть, конечно, и более пессимистический сценарий - не исключено и то, что мы просто достигли пределов человеческого знания и способности познавать мир. Кто-то из великих физиков, кажется, Леонард Сасскинд, любит говорить, что коту можно объяснять квантовую механику до посинения, но он никогда не поймет, как решать уравнение Шредингера.
Мне вот кажется, что котик просто отлично понимает, что его покормят колбаской и без всякого уравнения Шредингера. Лично я, как простой советский человек, усердно конспектировавший "Материализм и эмпириокритицизм", верю в бесконечность познания и неисчерпаемость наших возможностей расширять пределы науки. К сожалению, этого не произошло и не понятно, произойдет ли в будущем. Вероятность этого, на мой взгляд, крайне мала, но экспериментаторы скрипят зубами, но продолжают эти поиски.
Что касается гравитационных волн от астрофизических черных дыр, ситуация тут сложнее, так как эти волны больше касаются классической физики, нежели квантовой гравитации. Могут ли они дать нам что-то принципиально новое в смысле обобщений теории гравитации, я не знаю.
Их изучение было бы интересным, однако тут мы столкнемся с теми же ограничениями и проблемами, которые накладываются теорией струн и отсутствием надежных предсказаний.
К примеру, если попытаться оценить космологическую постоянную Эйнштейна из соображений размерности - она обратно пропорциональна квадрату планковской длины, то у нас получится значение, на 120 порядков превышающее то, что мы наблюдаем в реальности. Это, как часто говорят, худшее предсказание теоретической физики за всю ее историю.
Почему это так, и почему космологическая постоянная так мала, но не равна нулю, мы не знаем, и это еще одна из демонстраций того, что теоретическая физика высоких энергий находится в кризисе.
Кстати, в этом году Кумрун Вафа, знаменитый физик-теоретик из Гарвардского университета, и его коллеги опубликовали работу, из которой вроде бы следует, что теория струн не совместима с существованием космологической модели с положительной космологической постоянной. К их числу относится и наша Вселенная. Правда, там есть разные допущения. Жаркие споры по этому поводу сейчас сотрясают научное сообщество. Этого не произошло, и сама судьба коллайдера сейчас стала довольно туманной. С другой стороны, сейчас в Дубне строится установка NICA. Почему ILC?
- Наш главный мотив в 2008 году заключался не собственно в идее постройки какой-то конкретной установки, будь то ILC или NICA, а в том, чтобы хотя бы одна из знаковых и нужных мировой науке установок появилась в России.
Иными словами, нам хотелось перенести хотя бы часть переднего края науки на территорию нашей страны. Сам факт существования подобной установки очень сильно стимулирует развитие науки и новых технологий. В последние 30 лет сложилась ситуация, при которой во многих отраслях научного знания реальные открытия и их обсуждение происходит где-то "там", а не здесь, в России. Это демотивирует всех и прежде всего молодых ученых.
Наши молодые специалисты, получив великолепное базовое образование, поступают в аспирантуру и обнаруживают, что реальная научная работа на "переднем крае" происходит не в их институте, а где-то в Калифорнии. Естественно, что они уезжают - не потому, что они Родину не любят, а ради работы на этом самом переднем крае научных поисков.
Поэтому крайне важно, чтобы хотя бы в некоторых отраслях этот "передний край" находился здесь. Постройка коллайдера представлялась нам одним из самых удобных и надежных способов заполучить подобное лидерство.
Если говорить о научной стороне вопроса, я думаю, что ILC рано или поздно построят, так как такая машина позволяет очень чисто, лучше, чем на БАКе, промерить параметры взаимодействий частиц, о которых я говорил выше.
Даже если его не построят в Японии, вполне возможно, что он появится в США, в ЦЕРНе или Китае. Конечно, его можно было бы построить и в Дубне за эти десять лет, но и NICA, несмотря на ее более скромные масштабы и несколько иные задачи, полезна и критически важна для выживания и развития российской науки.
