Мы публикуем текст лекции, прочитанной доктором физико-математических наук, ведущим научным сотрудником Отделения теоретической физики Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), переводчиком, членом жюри премии «Просветитель» Алексеем Семихатовым 9 сентября 2012 года в рамках цикла «Публичных лекций «Полит.ру» на книжном фестивале под открытым небом BookMarket в парке искусств "Музеон".
Текст лекции
Алексей Семихатов: Здравствуйте, и большое спасибо всем, кто пришёл сюда! Я Алексей Семихатов, и я хочу рассказать вам о том, как я понимаю, где мы находимся из-за открытия бозона Хиггса. Как нечто, возникшее практически на уровне курьёза, после вложения каких-то 10 млрд. долларов превратилось в главные новости последнего года.
Иллюстрации: http://www.slideshare.net/borisdolgin/ss-1...
Зачем Хиггс? Вот здесь изображена граница Франции и Швейцарии – угол Швейцарии, который вдаётся во Францию. Справа на фотографии Женевское озеро, видна полоса аэропорта, то есть масштаб довольно большой, а слева - горы Юра. Это то самое место, где история Европы была изменена Юлием Цезарем, который вмешался в распри галльских племён, начал завоевание Европы и превратил мир в Pax Romana.
Здесь показано кольцо; окружность кольца почти 30 километров. И для того, чтобы нам увидеть Хиггс (“увидеть” - в очень больших кавычках), находящийся внутри пучок пролетает это кольцо (27 км) 11400 раз в секунду. За то время, что я говорю, он десятки тысяч раз пролетел эти 30 километров. Вот так выглядит этот туннель, где находится сверхпроводящий магнит, и всё отъюстировано с невероятной точностью, а вот там внизу человек заметен - к сожалению, он не в контрастной одежде. Вот так выглядят детекторы, которые должны увидеть этого Хиггса, которого увидеть нельзя. Одни транспортные расходы составили не так мало. Вот так этот детектор везли, потом закапывали под землю, он наполнен электроникой немножко больше, чем все наши с вами мобильные телефоны и другие устройства вместе взятые, – самой современной электроникой. Это ещё один детектор, который должен объяснить, что происходит. А происходит примерно следующее: молотком очень сильно бьют по грецкому ореху. Для того чтобы узнать, было ли внутри этого грецкого ореха хоть что-то, огромное количество детекторов изучает осколки – как они разлетаются? из-за чего? было ли там что-нибудь, какая-нибудь малюсенькая штучка, в этом грецком орехе, или нет?
Коллайдер – это молоток, а вовсе не скальпель. Это молоток, которым очень сильно и более или менее наугад бьют - а потом вот эти компьютеры за 60 миллисекунд решают, был ли шанс, что вот в этом грецком орехе внутри что-то хранилось – только из анализа осколков, – или там ничего не было? Если шанс был, то они записывают это на диск, а если нет, то немедленно начинают обрабатывать следующее событие. На самом деле они изучают даже не осколки этого ореха, они изучают часто осколки осколков и осколки осколков осколков. Называются они “продукты распада”. Наш несчастный Хиггс совершенно не успевает долететь ни до какого детектора, и если он рождается, то исчезает практически мгновенно, рождает другие частицы, которые тоже исчезают, оставляя вокруг себя ливни и всплески, бегущие во все стороны. Вот эти компьютеры должны одновременно собрать эти осколки - вот я бью молотком по грецкому ореху, а вы все ловите эти осколки и очень быстро говорите, как именно к вам прилетел данный осколок. А компьютер очень быстро решает: если они вот таким образом разлетелись, то было ли вообще что-нибудь внутри этого грецкого ореха (ну, как если вы выходите из китайского ресторана и смотрите, какую записку вам туда положили)?
Для чего нужен хиггсовский бозон? Хиггсовский бозон нужен как попытка преодолеть то, что воспринималось как кризис в науке, – он примиряет два взаимно противоположных утверждения. 1. Мир вокруг нас симметричен. Да, мир вокруг нас симметричен, мы не живём в хаосе. Мы можем выйти из дома и самостоятельно добраться до работы, при этом мы передвигаемся по более или менее предсказуемому миру. Этот мир немножко меняется день ото дня, но всё-таки мы не встречаем каждый раз, выходя из дома, совершенно новые вещи. 2. При этом мир не симметричен. Тупая симметрия не имеет никакого содержания, это тупое повторение одного и того же. Один бесконечно повторяющийся тупой орнамент не несёт в себе никакой информации.
Рассмотрим теперь тот самый удар молотка по грецкому ореху. Это разлетающиеся осколки. Что же значит “увидеть бозон Хиггса”, который вроде бы как увидели? Можно ли его в каком-то смысле вообще увидеть? Ни в каком. Представьте себе, что ваша любимая кошка по каким-то причинам – например, вдруг начал действовать такой закон природы – стала невидимой и исчезла. И вы живёте, а кошки не видно. И закон природы состоит в том, что вы не можете ее увидеть или услышать. Вы хотите узнать, здесь она или нет? Смотрите вокруг – никакой кошки. Вы начинаете думать: а может быть, если я положу еду, и кто-то её заберёт, – то это будет это моя кошка?
Вы кладёте еду, кошку вы при этом не видите, поскольку таков закон природы, еду действительно кто-то забирает. Могла ли это быть ваша кошка? Могла! Но это мог быть кто-то другой? Ну конечно, мог! Мышки, крыски, бродячие коты. Чтобы это проверить, вы начинаете класть её любимую еду, а рядом - её нелюбимую. Заметьте: бозон Хиггса можно “увидеть” только в том случае, если вы хорошо знаете его (предполагаемые) свойства. Точно так же вы должны знать повадки вашей кошки! И вот вы видите, что кто-то забирает именно любимую еду вашей кошки, а вот нелюбимую берёт только тогда, когда ничего другого нет, и этот кто-то совсем помирает с голоду. И вы думаете: ну, вообще, может быть, это и есть моя кошка. Но, вообще-то, это может быть, конечно, и кто-то другой. Потом вы вспоминаете, что она любит обдирать ваше любимое кресло, – и выставляете именно это кресло. Закон природы, повторяю, таков, что саму кошку вы не видите. И кресло оказывается ободрано именно там, где его обдирала ваша любимая кошка.
И так далее, и так далее. И каждый раз – могла ли это быть ваша кошка? Могла! А мог ли это быть кто-то другой? Мог! Но вы продолжаете раз за разом, зная кошкины повадки, ставить всё более изощрённые эксперименты. Именно поэтому в декабре 2011, еще до открытия Хиггса, люди собрались и сказали: вы знаете, мы что-то видим, но пока не знаем наверняка, что это такое. Нельзя сказать: вот, вот, Хиггс пролетел! Знание нарастает очень постепенно. И в какой-то момент происходит следующее: набирается масса статистики: и вот это происходит, и там вот это ободрано, и вот здесь она любит пролезать, если очень повезёт – можно найти какую-нибудь шерстинку, и т.д. В конце концов вы перестаёте валять дурака, созываете пресс-конференцию и говорите: “Да, каждое из этих событий могло бы объясняться чем-то другим. Я по-прежнему не вижу моей кошки, но, в общем, я больше не буду делать вид, что я не понимаю, что происходит. Поскольку все указывает на то, что это она!”
Кошка здесь! Вот она! По этим крупицам я собрал о ней знания - и теперь я уверен, что это именно моя кошка. Именно это и произошло в июне, когда объявили, что Хиггс найден. Ну, что-то очень похожее на Хиггс. Это примерно как если бы знали, что ваша кошка-то уже здесь, но, может быть, она уже с котятками, или кота привела, или что-то еще. Нужны дальнейшие такие же косвенные исследования для того, чтобы собрать очень-очень много статистических данных и постепенно узнать дополнительные подробности. Увидеть пролетающий Хиггс нельзя. Он распадается до того, как попадёт в одно из этих колоссальных устройств для детектирования. Эти устройства поэтому такие колоссальные, что охватывают всю сферу вокруг того места, где бьются, как молотком, протоны о протоны.
Значит, с кошечкой мы воссоединились, а теперь хочется знать - зачем?! Поскольку любовь к кошке у каждого из вас явно больше, чем любовь к Хиггсу, зачем тратить такие усилия на поиски Хиггса? Как я уже сказал в качестве введения, бозон Хиггса примиряет непримиримое: два наблюдения, которые верны одновременно. И я сейчас поясню точнее, что это значит: мир симметричен - и мир не симметричен. То, что мир симметричен, как я уже сказал, вообще позволяет нам ориентироваться. Модное слово: паттерны. Люди склонны искать паттерны, и вообще нам нужны паттерны в жизни! Ну, хотя бы имена, лица людей, какие-то распознавания образов – вот на слайде прекрасный пример того, что люди ищут паттерны даже там, где их нет: на самом деле на небе ничего не нарисовано.
А здесь картина прямо противоположная. Это хаос, он неприятен не только тем, что здесь погибли люди, он неприятен полным лишением содержания. С другой стороны – вот абсолютно идеальный орнамент, повторяющийся абсолютно одинаково. Но если бы Вселенная была устроена в виде бесконечного повторения одной и той же ячейки, мы бы умерли со скуки.
Совершенно ясно, что нас гораздо больше радуют ситуации, когда, с одной стороны, симметрия есть, а с другой стороны – она не тупая, не банальная, она нарушается, из какого-то орнамента вырастает жизнь, вырастает что-то интересное и достойное внимания. Вроде бы, не сильно отличающееся от фона, однако вполне себе содержательное, как на этих двух картинках. Это была самая интересная часть моей лекции, дальше будет чистая физика.
Ну, в физике, собственно, как в анекдоте про бабочек, примерно так же всё и обстоит. Вот перед вами этакая диаграмма Венна, мы не будем вникать во все эти надписи, тем более что их плохо видно. В чём здесь идея? Имеются четыре взаимодействия: всё, что нас окружает, вообще всё, участвует в четырёх видах взаимодействия. Одно из них, за неимением лучшего названия, назвали сильным взаимодействием, оно ответственно за ядерный взрыв, вот когда сильно бабахает – это сильное взаимодействие. Есть ещё слабые взаимодействия, они страшно важны, они ответственны за радиоактивные распады. Электромагнитные взаимодействия, благодаря которым вы меня слышите через микрофон, да и, собственно, видите. Ну, и гравитационные взаимодействия – это то, благодаря чему мы не улетаем в космос: всё падает, всё притягивается, Земля летает вокруг Солнца и так далее.
О гравитационных я не буду говорить вовсе; все остальные взаимодействия – три: сильные, слабые и электромагнитные – это то, что лежит в основе мира. При этом первый паттерн, который мы сейчас наложим на мир, – это то, что мир состоит из материи и из частичек, переносящих взаимодействие. Вот электромагнитные волны – это фотоны – это не частицы материи, а то, что переносит взаимодействие. Кстати, отвлекаясь от картинок, я хочу сказать, что слово бозон – оно чисто техническое – из моего фонарика сейчас вылетает огромное множество бозонов! От Солнца прилетает несметное количество бозонов. Их можно было бы, несколько условно, назвать бозонами Максвелла-Эйнштейна – это по поводу объяснения слов «бозон Хиггса». Вообще все частицы делятся на два класса: бозоны и фермионы. И бозоны как раз занимаются тем, что переносят взаимодействия.
Итак, всё сделано из двух типов частиц: переносчиков взаимодействия и собственно материи. Это устройство мира, которое помещается на одной страничке. Здесь нарисованы кварки, из кварков сложены протоны и нейтроны, здесь нарисованы электроны, ну, и ещё их некие копии, которые по каким-то причинам существуют, но для нас с вами совершенно не важны: мы из них не сложены, но они несомненно где-то присутствуют. Часто говорят, что вся эта физика помещается на футболке. Действительно, каждый может заказать в интернете вот такую футболку, к которой я приделал свою голову, - и тогда вы будете точно знать, из чего вообще состоит весь мир. Хиггсовского бозона здесь, кстати, ещё пока нет; надо узнать, обновили ли они уже эти футболки, выпустили ли они уже футболки с хиггсовским бозоном?
Сейчас я нарисую ту же самую табличку, только положу её набок, чтоб было удобнее подписать: вот бозоны, которые переносят взаимодействия, а вот фермионы, которые являются материей. Это два типа частиц с абсолютно противоположными свойствами. Вот эта диаграммка внизу – самая главная картинка того, о чем я хочу сегодня сказать: это частички с противоположными свойствами.
Бозоны, которые красные, ужасно любят кучковаться вместе. Если бы вы были бозонами, вы бы все сидели на одном кресле. Все без исключения! Не спрашивайте как – таковы свойства бозонов в квантовой механике. Они группируются намного более тесно, чем каждый из нас может себе это представить. Фермионы же – индивидуалисты – это очередь людей, каждый из которых сильно неприятен другим, – они поддерживают некоторое расстояние и даже не дышат друг другу в затылок! Благодаря этому существует мир. Если бы вот эти электроны, которые у нас показаны синим цветом (фермионы), были бы бозонами, то было бы ужасно: они бы все сидели на самой близкой к ядру орбите. И не было бы различных свойств физических элементов, не было бы нас с вами! Не из чего было бы создать всё, что нас окружает.
Мир существует благодаря тому, что фермионы терпеть не могут друг друга. А бозоны – это частички, которые переносят взаимодействия. Фотоны, переносящие электромагнитное взаимодействие, совершенно не жалуются на перенаселённость, летят к нам от Солнца, например. Переносчики слабого взаимодействия называются W-бозоны – человеческие названия быстро кончаются, кто-то когда-то обозначил эти частицы на бумаге как W и Z, так стали и говорить.
Какую же проблему решает Хиггс? А вот какую: Переносчики взаимодействий, то есть эти бозоны, должны быть безмассовыми, они должны иметь нулевую массу. Но любой экспериментатор скажет вам, что в природе это не так, ну и, собственно, есть масса косвенных причин, по которым видно, что это не так.
Вы наверняка потребуете от меня пояснения, что значит - должны в применении к элементарным частицам, которые ничего о нас не знают? Смотрите: когда взаимодействуют два фермиона, они обмениваются бозонами. Например, кварки, из которых созданы атомные ядра, обмениваются друг с другом другими частичками-бозонами, которые называются глюоны, которые не дают им разлететься, склеивают их страшно сильно. И вот проблема: как только вы решаете узнать: вот этот электрон здесь и вот тот электрон там – обмениваются ли они друг с другом фотонами, сколькими фотонами обмениваются? Одним? Двумя? Тремя? Что происходит с этими фотонами по дороге? Они обмениваются ими, как хотят, они выпускают их столько, сколько угодно? И каждый раз, когда вы пытаетесь в теоретической физике получить ответ на простой и безобидный вопрос: с какой вероятностью случится вот это, или какова будет сила притяжения вот этого к этому, вы делаете вычисление – и получаете в ответе бесконечность. Это связно с тем, что фермионы могли обменяться друг с другом любым, сколь угодно большим, числом переносчиков взаимодействия. Теоретическая физика последних 70 лет – это практически непрерывная борьба с бесконечностями. Вы вроде бы имеете понятную теорию, которая должна вам помочь объяснить и предсказать свойства мира. Вы делаете вычисления – и получаете дурацкий, бессмысленный, бесконечный ответ на самые простые вопросы.
Бесконечность получается снова и снова, от неё никуда не деться. Вот, кстати, иллюстрация к распаду Хиггса: здесь может быть сколько угодно глюонов “по дороге”, да еще эти испущенные глюоны могут сами кого-то родить. Вы должны сложить все эти возможности, а ведь их бесконечное количество. Борьба с этими бесконечностями обсуждалась в одной из серий “Теории Большого взрыва”, может быть, даже в нескольких сериях (я знаю, здесь в аудитории сидит эксперт по “Теории Большого взрыва”).
Итак, эта борьба с бесконечностями с помощью перенормировки – это очень важная вещь. Придуман способ, который позволяет убрать эти бесконечности таким образом, что остаётся конечный, точный, абсолютно осмысленный ответ, причём этот ответ проверяется экспериментально, как ничто другое в науке. Точность экспериментальной проверки квантовой электродинамики на несколько порядков превосходит все остальные проверки, которые когда-либо были сделаны. Люди научились устранять бесконечности, но только для высокосимметричных теорий, для специального класса теорий, который мы придумали и в которых умеем получать отличные конечные ответы.
В этих теориях, однако, переносчики взаимодействий должны иметь нулевую массу.
Вот я и объяснил, что значит «должны», но продемонстрировал при этом потрясающую наглость: ведь может быть, это мои мозги ограничены, я не могу придумать другую теорию, которой на самом деле управляется мир. Я изобрёл способ борьбы с бесконечностями только в определённом классе теорий и довольно самонадеянно хочу, чтобы мир действительно описывался этими теориями. А мир не хочет.
Итак, если я в этот замечательный прекрасный класс теорий пытаюсь руками внести массу и сказать: Ага! Пусть они у меня несут такую массу, которая наблюдается в эксперименте. Однако при этом ничего не получается. Теория теряет смысл. Та теория, которая осмысленна, – нереалистична, попытки сделать теорию реалистичной – лишают её всякого смысла. Она теряет предсказательную силу и становится каким-то дурацким изобретением, не имеющим никакого отношения к реальности.
Развитие науки привело к тому, что это положение люди стали считать не своей проблемой, не проблемой своих мозгов, а проблемой мироздания. Выход найден был следующим образом: нужно допустить существование того, что никогда не наблюдалось, и что, более того, имеет странные свойства. Это была цена снятия этого противоречия. Нужно допустить существование ещё одного поля, ещё одной частицы – Хиггса, конечно! – которая взаимодействует со всеми другими полями и имеет очень необычное выражение для энергии. Нельзя спрашивать почему: когда-то Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения; он не мог ответить на вопрос “почему”, но с тех пор с помощью этого закона мы не только рассчитываем затмения Луны, которые выполняются гораздо точнее, чем расписание электричек, мы посылаем космические корабли, мы хорошо знаем, как всё летает в Солнечной системе, рассчитываем это с фантастической точностью, и за прошедшие 300 лет мы (почти) перестали задавать вопрос “почему”.
Разрешение противоречия с массами требует от нас бозона Хиггса. Принять то, чего никогда не наблюдалось! Математическая игрушка? Я сказал, что у бозона Хиггса странное выражение для энергии; иллюстрацией этого является утверждение о том, что бозон Хиггса является бозоном “бутылки шампанского”. Если вы когда-нибудь разглядываете бутылки, то вы знаете, что бутылки шампанского, впрочем, и некоторые другие тоже, имеют донышко вот такой интересной формы, как нарисовано здесь внизу. У всех остальных частиц, которые когда-либо наблюдались до этого, донышко – это такой вот тазик. “Донышко” - очень условное слово; здесь написано: энергия частицы, энергия поля в зависимости от его (поля) величины. Ну, самое маленькое поле имеет самое маленькую энергию. Что ж тут странного?! Увеличиваю поле, двигаюсь вдоль одной из этих осей – энергия растёт, я получаю такую чашу.
Хиггс устроен не так, и не спрашивайте почему. Такое выражение для его энергии написали, почти на коленке, 6 человек, одним из которых был Питер Хиггс. В честь их всех бозон Хиггса назвали именем Хиггса. Это уже неплохо, потому что могли бы назвать именем человека, который не имеет к этому никакого отношения, такое в науке встречается очень часто.
Итак, если я после того, как расправлюсь с бутылкой, начну вот так кидать металлический шарик точно в центр дна, то согласитесь, что исключительно маловероятно, чтобы шарик остался лежать точно на этом месте, то есть на самой верхушке: он обязательно куда-то скатится. Бутылка симметрична относительно вращений? Да! (Мир симметричен.) Но шарик скатится куда-то под воздействием флуктуации, которая находится вне моего контроля. Он скатится куда-то и выберет себе какое-то место в этой ложбинке. (Мир не симметричен.)
Бозон Хиггса выбрал для себя что-то несимметричное в симметричном мире. Часто приводят еще такую аналогию: представьте себе, что вы сели за большой круглый стол, накрытый на много персон. Перед вами прибор и салфетка, и вы не очень знаете, какую салфетку выбрать - справа от вас или слева, и выбираете, например, справа. После этого человек, сидящий справа от вас тоже должен выбрать салфетку справа, потому что левая салфетка уже занята. Таким образом вы немедленно переиначиваете устройство мира этого большого круглого стола, сделав один жест. Первый же севший делает один-единственный выбор, не оставляя другим никаких шансов. Примерно то же делает Хиггс, когда скатывается куда-то в своём потенциале. Имея такой потенциал (это называется потенциал - вот эта вот энергия), поле Хиггса спонтанно (это ещё одно научное слово здесь) выбирает себе какое-то положение. Таким-то образом, не нарушая основы симметрии мира, мы, тем не менее, можем как бы её нарушить. Этот выход из положения выражается словами мягкое нарушение симметрии; мир остается “в общем симметричным”, но частицы делаются массивными.
Это математическое упражнение было проделано в середине 60-х годов, и некоторое время математическим упражнением и оставалось. Прошло 50 лет колоссальных исследований на переднем крае вообще всего, что можно, в том числе и вычислительной техники, и экспериментальной науки, и изучения повадок этого самого Хиггса. Вот его-то теперь и нашли. Он есть вещь, изобретённая на бумаге, как игра ума, не требующая ничего, кроме ручки и листка. А это донышко, по-существу, - школьная кривая, биквадратная парабола. И вдруг оказалось, что он существует в природе. Это то, что меня изумляет в Хиггсе больше всего.
Что дальше? Что ещё, быть может, удастся найти, куда дальше нас поведут коллайдер и другие приборы подобного рода? Следующий номер нашей программы - Волшебное Зеркало.
Когда мы смотримся в зеркало, мы понимаем, что там не совсем мы. Это видно, когда мы смотрим не в зеркало, а смотрим видео, где мы сняты. Мы удивляемся тому, что мы на самом деле выглядим не как в зеркале. Тем не менее, зеркало обладает таким свойством: оно, в общем, ничего нового не добавляет и, в частности, если мы представим себе, что в каком-то смысле то, что отражено в нём, материально, то, отразившись второй раз, мы снова получим самих себя. Мы совершенно не сомневаемся в том, что вот это вот такая операция, которая один раз что-то меняет, а потом меняет обратно: применяем двойное зеркало - и оно отражает нас обратно в нас же самих.
Предположим, что в мире имеется “зеркало”, за которым находится ещё один мир, в котором частицы в некотором смысле симметричны всему, что мы наблюдаем, но только это очень и очень странное зеркало, например, при обратном отражении мы не получаем ровно то же, с чего мы начали. Это зеркало называется суперсимметрией, и это то, что, быть может, будет следующей новостью с коллайдера - а может быть, и не будет; собственно, на эту тему делаются ставки, существенно более серьёзные, чем одна бутылка шампанского или даже чем ящик шампанского.
Как устроено это зеркало? Мы живём в пространстве, у которого есть три измерения. Каждая точка в пространстве определяется тремя числами. Любой из вас скажет мне: выберите вот этот угол в качестве начала отсчёта и отсчитайте 2 метра вправо, 70 см вверх и 33 см в глубину – там будет точка! Каждая точка – это три числа. Мы с вами живём в пространстве, которое состоит из точек, нумеруемых числами, причём тремя. Свойство трёхмерности этого пространства означает, что чисел нужно ровно три, не больше и не меньше.
Наше пространство состоит из точек: это то, где мы живём, это по нашу сторону моего волшебного зеркала. Вот здесь - школьные формулы, говорящие о том, что если я начинаю мои три числа попарно перемножать, то всё равно, в каком порядке их умножать друг на друга. А за волшебным зеркалом существует то, что называется суперпространство. Это пространство, в котором нечто подобное числам есть, а точек нет. Нельзя задать разные точки, они не задаются тремя числами. Это пространство может иметь измерения, но у него одна единственная точка. Это математический курьёз, я чуть подробнее попозже скажу о том, как он был открыт - кстати говоря, в Москве. “Числа”, которые исполняют здесь роль координат, обладают странным свойством: если вы перемножите в прямом порядке, а потом перемножите в обратном порядке, то результаты этих двух действий будут различаться знаком.
А дальше выясняется, что по математическим причинам наше с вами обычное пространство – это бозонное пространство, его свойства – это те свойства, которыми обладают бозоны. А странное пространство без точек по математическим причинам тяготеет к тому, чтобы описывать фермионы. Идеи эти зародились в середине 70-х годов в Москве. Её открыли два человека, один из которых, Е. Лихтман, был аспирантом Юрия Абрамовича Гольфанда, а тот работал ровно в том же институте, где я работаю сейчас, – в теоретическом отделе Физического института Российской академии наук. Правда, через год или два после открытия суперсимметрии его уволили – он переживал некий кризис в жизни, был “недостаточно продуктивен”, и т. д.
Он сделал гениальное открытие, которое оставалось без внимания, пока к нему не вернулись, когда та же суперсимметрия была переоткрыта в Европе. И вот тогда наступил настоящий бум! Все стали изучать “волшебное зеркало” – суперсимметрию. В физические модели стали встраивать суперсимметрию; каково бы ни было содержание вашей теории – электроны, фотоны, глюоны, кварки – вы удваиваете мир и говорите, что у каждой из этих частиц есть суперпартнер, находящийся за волшебным зеркалом. И главное: оказывается, то, что находится по разные стороны от моего волшебного зеркала, производит бесконечности с разными знаками. Одно производит бесконечности с плюсом, другое – с минусом. Эти бесконечности имеют сильную тенденцию сокращаться, они уничтожают друг друга, пожирают. И бозоны, и фермионы по отдельности ведут себя плохо. Но когда вы берёте их вместе и настаиваете на том, чтобы между ними было нечто подобное отражению, выясняется, что мир устроен гораздо лучше, чем вы могли бы на это рассчитывать. Вы получаете осмысленные ответы куда проще.
В течение последних 30-40 лет быстро развивалась новая область математики – суперматематика. Те как бы числа, которые меняют знак при перемножении, оказались практически ничем не хуже наших обычных чисел. Да, им не соответствует пространство в нашем понимании, ну и что? Всё остальное для них можно устроить. И то, что было нарисовано на футболке, возможно, имеет двойника, – нужно нарисовать ещё что-то на спине этой футболки, а именно, мир, отражённый в этом волшебном зеркале. Наше понимание математической структуры физических теорий говорит о том, что, весьма возможно, мир устроен супергармонично.
Волшебное зеркало называется суперсимметрией, потому что она потрясла современников. Она работала таким непостижимым образом, который по ряду причин казался вообще невозможным до, собственно, его открытия.
Как мы видели, в случае с Хиггсом был колоссальный успех, вызванный чисто математическими потребностями согласовать одно с другим. В случае суперсимметрии целый ряд вещей согласуется друг с другом ещё лучше. Только это позволяет нам считать, что, может быть, мир на самом деле суперсимметричен, и стоит поискать следы супшерсимметрии на коллайдере. В суперсимметричной стандартной модели Хиггс будет не совсем один, и примерно это я имел в виду, когда сказал вам, что ваша кошка пришла с котятками или привела кота. Их там 5, и то, что нашли сейчас на коллайдере, требует уточнения. Да, это Хиггс, но нужно точнее понять, из какой точно модели, нужно набирать ещё статистику, проводить ещё эксперименты.
Вот здесь – второй по важности график на сегодня. Вот эти три линии – это интенсивности трёх взаимодействий: сильного, слабого и электромагнитного – тех, которые переносятся глюонами, W- и Z-бозонами и фотонами. Эти взаимодействия значительно различаются по своей силе. Но если вы начинаете подогревать Вселенную, то есть возвращаетесь во времена, близкие к Большому взрыву, когда Вселенная была очень горячая, вы выясняете, что то взаимодействие, которое было сильным, делается более слабым, а то, которое было более слабым, при повышении температуры делается более сильным. И они имеют тенденцию сойтись в одном и том же месте. Слиться в одно.
Это сильное указание на то, что когда мир родился после Большого взрыва, в нём было одно-единственное взаимодействие. По мере его остывания в осадок по очереди выпадали разные фазы. Одна из них взаимодействовала слабым образом, другая – сильным. Третья – электромагнитным. Исходно, при высокой температуре, когда симметрия восстановлена, это было одно взаимодействие. На самом деле, более внимательный анализ показал, что эти кривые сходятся, но не совсем точно. Но если вы добавляете к вашим вычислениям вычисления для того, что находится за волшебным зеркалом, выясняется, что кривые сходятся точно.
И это сильнейшее указание на то, что наш мир исходно был, во-первых, в 2 или в 4 раза больше, что исходно он был очень симметричен и, в частности, суперсимметричен. Зеркало суперсимметрии – это примерно зеркало как на этом рисунке. Я затрудняюсь назвать все фрукты, которые здесь есть. Возможно, суперсимметрий несколько, и тогда они выполняют отражения таким вот образом. При повторном отражении я не получаю себя самого. Я получаю себя, перемещённого в пространстве. Это не совсем отражение, это довольно волшебное зеркало. И это зеркало заменяет бозоны на фермионы и фермионы на бозоны.
Бозоны, которые находятся здесь, за зеркалом отражаются в фермионы, а фермионы, которые у нас здесь, – в бозоны. Мир, который там, не похож на наш настолько, насколько это возможно. Помните картинку с бозонами и фермионами? Одни любят сидеть все на одном стуле, а другие стоят на почтенном удалении друг от друга. Так вот, наш мир так прекрасно устроен, потому что он сложен из фермионов, потому что фермионы не хотят садиться все вместе в одну точку, не хотят слипаться, они выдерживают дистанцию. А бозоны, которые переносят взаимодействие, как раз не беспокоятся из-за перенаселённости. После преобразования суперсимметрии за этим волшебным зеркалом всё наоборот. Там частички, которые как бы материальны, оказываются бозонами и слипаются в одну, а частицы, которые переносят взаимодействие, оказываются страшными индивидуалистами, поэтому ничего типа луча света там представить себе невозможно.
Исходя из косвенных признаков, примерно такого же сорта, что когда-то “породили” бозон Хиггса, мы можем догадываться о том, что наш мир ровно в два раза больше.
И та табличка, которая была нарисована на моей футболке, - вот здесь она же, вместе с суперпартнерами. Где же находятся суперпартнеры? Конечно, рядом с нами, просто они все оказываются такими тяжёлыми, что мы не можем их родить, произвести даже в самых сильных соударениях, по крайней мере, не могли до сих пор. Одна из возможностей, которую, быть может, способен протестировать адронный коллайдер, – это рождение суперпартнёров.
Суперпартнеры – частицы со взаимно противоположными свойствами. Это полные противоположности, которые уравновешивают друг друга, хотя каждый из них ведёт себя довольно противно. Этот порождает бесконечность, и этот порождает бесконечность, но вместе они прекрасная и гармоничная пара – такая, знаете ли, система сдерживаний и противовесов, идеал семейной жизни.
Если мир суперсимметричен, то удивительно, насколько он математичен в своей основе. В момент создания мира суперсимметрия могла быть в него встроена, потом нарушилась, как нарушились все остальные симметрии. Так оно или нет – решительно неизвестно. Можете делать ставки, но не спрашивайте меня, если вы хотите подзаработать: никто не знает, на что нужно ставить. Мне лично исключительно приятна суперсимметрия. Но не этим нужно руководствоваться, когда вы хотите заработать немного денег.
Вторая вещь, которую, быть может, удастся разглядеть на коллайдере, – это многие измерения. У меня в голове прекрасно существуют пространства, в которых нужно 4 числа для характеризации положения точки – четырёхмерное пространство, 5 – пятимерное пространство, 6 - шестимерное пространство. Физический мир делается абсолютно прекрасным в десятимерном пространстве. Он там настолько прекрасен и гармоничен, что – руководствуясь той же логикой, которая была с бозоном Хиггса, – хочется предположить: а наверное, мир родился десятимерным, а потом по каким-то причинам, когда Вселенная расширялась, часть измерений сделалась маленькими-маленькими, остались только три нам доступных. Можно ли узнать про эти измерения? Здесь нарисован четырёхмерный куб, штука замысловатая. Другая его проекция выглядит так. Богатство и многообразие того, что происходит в многомерных пространствах, велико, и почему-то на цифре 10 это богатство и многообразие делается особенно гармоничным. А у нас в трёхмерном – так, знаете, тени, отбрасываемые из этого десятимерного пространства.
Одна из идей состоит в том, что наш мир с его переносчиками взаимодействий представляет собой вот такую вот диаграммку: всё, что вокруг нас с вами, – это такой вот лист, болтающийся в чём-то большем. Мы все живём на “листе бумаги”, вложенном во что-то, только трёхмерном. Рядом, быть может, есть ещё один, который, быть может, подходит близко, а может, они как-то скручиваются, может быть, наш лист накручивается таким образом, что вот по этой траектории нужно лететь 100 тысяч лет световых лет, а вот так – каком-то смысле очень близко.
Если это так, то картина такова: три взаимодействия, о которых мы только и говорили сегодня, которые составляют Стандартную Модель, ограничены одним из этих листов. По историческим причинам лист называется “браной”, что есть сокращение от слова мембрана. Вот нарисован мир как брана. А рядом, может быть, ещё одна брана, и только гравитация, та самая сила, которая меня притягивает и которую мы сегодня не рассматривали вообще, только гравитация чувствует соседнюю брану. А узнать, есть ли такое, можно двумя способами: вы можете увидеть, что галактика вращается вокруг чего-то массивного, а в центре ничего нет, даже чёрной дыры. Это значит, что массивное тело находится на другой бране, но через гравитацию материя чувствует её – то, что находится вне досягаемости всех других наших средств восприятий. И это в прямом смысле слова параллельные вселенные. Они болтаются где-то рядом друг с другом, но чувствуют друг друга только гравитационно. А гравитационное взаимодействие самое слабое из всех: мы притягиваемся в Земле так сильно, как нам кажется, только потому, что Земля чудовищно большая. И только гравитоны обладают способностью чувствовать соседние браны.
Узнать о существовании браны можно было бы, продолжая изучать высокоэнергетические столкновения на коллайдере или на более тонко устроенном ускорителе. Нам хочется, чтобы лишние измерения были, потому что если их исходно было 10, то мир прекрасен настолько, насколько вообще себе можно вообразить, – в нём очень гармонично реализована суперсимметрия. Лишние измерения, лишние 7 измерений, могли скрутиться во что-то маленькое, что мы не можем почувствовать. Законы квантовой механики таковы: чтобы увидеть маленькое, вам нужно очень сильно разогнаться, вы не можете пролезть в это маленькое измерение, не разогнавшись очень сильно. Так вот, если вы сильно разгоняете два протона и ударяете их друг о друга, и ваши детекторы, те самые, которые были на моих первых слайдах, анализируют энергию каждого-каждого осколка, и вы обнаруживаете недосдачу чего-то, то, возможно, что-то ускользнуло “в сторону” от нашего пространства. Вы должны много раз получить такой результат, так же, как и с вашей любимой кошечкой, получить кое-какие и другие косвенные свидетельства, тогда вы скажете: наверное, часть энергии уходит в дополнительные измерения; возможно, это сигнал того, что наш мир более чем трёхмерен.
К сожалению, ситуация с ускорителями довольно печальная – и на этой печальной ноте я и хочу закончить. За последние 50 лет, с 1960-го по 2010 год, они развивались вот так. На этой картинке – логарифмическая шкала: то, что наверху, в 10 тысяч раз больше, чем энергия, представленная здесь, и в 100 тысяч раз больше, чем энергия вот здесь. Так возросли энергии, доступные коллайдерам.
Но дело подходит к логическому концу. Не только в смысле энергии – в смысле множества различных технических соображений: размеры магнитов, которые там установлены, мощность, которую они потребляют, предохранение их от расплавления от этой мощности, и т.д. Энрике Ферми в своё время пошутил таким образом: давайте построим ускоритель, опоясывающий Землю. Его стоимость по самым скромным современным данным – 22 трлн. Более или менее неважно чего, долларов или евро. В общем, наступает большой “Стоп”, и мы, изучая дальше структуру мира, вынуждены всё меньше бить молотком, а всё больше применять мозги.
Мы вынуждены по необходимости всё больше и больше доверять логическому анализу; мы выводим из наблюдений над нашим миром какие-то факты, подвергаем их рафинированному логическому анализу, который называется математикой, и делаем предсказания о том, как устроен мир в уголках, недоступных для нас. Открытие бозона Хиггса – это колоссальный успех такого рода, но каждый раз, когда такое происходит, мы чувствуем себя примерно как человек на этой известной гравюре, который, высунув голову за пределы своего мира, выясняет, что за его пределами находится ещё один, причем совершенно непознанный. Спасибо.
[Аплодисменты]
Обсуждение лекции
Вопрос из зала. Зачем нам знать больше о мире? Уже есть сотовый телефон, ядерную бомбу сделали. Кто в очереди стоит? Какое производство? Какое практическое применение новых знаний?
Алексей Семихатов: Эдисон однажды ответил министру финансов в Соединённых Штатах, который спросил его примерно так: “Чего нам сдалось это электричество?” Тот ему ответил: “Однажды, сэр, вы будете получать с него налоги”. Ответ на ваш вопрос: это абсолютно незачем, это чистое любопытство. Для меня лично это означает узнать, что мир устроен примерно так, как его способна представить моя голова, – это некоторое чудо. Я начинаю думать, что мир исходно был рождён математически, и эта же математика была заложена в наши головы. И по мере того, как мы всё больше и больше живём, мы видим, что не только полезно считать скот и не только полезно вычислять проценты и сложные проценты и заниматься финансовыми спекуляциями с помощью математики, но вообще структура, ткань Вселенной на самом базисном уровне – по каким-то непостижимым причинам, тоже, в общем, та же самая математика. Но столь масштабные проявления любопытства когда-нибудь закончатся…
Борис Долгин: А с чего вдруг они должно когда-то закончиться?
Алексей Семихатов: Я – о финансировани. А с другой стороны – что такое $10 млрд.? Это неделя, что ли, войны в Ираке, или 2 недели.
Борис Долгин: В чём проблема, собственно? Разве мы изучаем что-то только для того, чтобы благоустроить мир вокруг себя?
Алексей Семихатов: Был интересный эпизод, когда классики науки, включая Бора и Эйнштейна, утверждали, что цепную ядерную реакцию создать нельзя. И вот в журналах публиковались открытые статьи, в которых люди обсуждали возможности ядерных процессов, в начале 30 годов и середине, и вышла, забыл авторов, статья – первая из двух, было даже заявлено, что именно будет рассмотрено во второй. Но вторая часть не вышла. Никогда. Вдруг стало ясно, что до того понимали неправильно, что может долбануть, можно сделать так, чтоб долбануло. Я хочу сказать, что мы идём на поводу у устройства собственных мозгов. Мы изучаем то, что нам доступно, и в меру любопытства проникаем всё глубже и глубже. Это довольно глубокое проникновение и довольно изощрённое любопытство. Невозможно предсказать, к чему оно приведёт.
Борис Долгин: Но пока что опыт показывает, что это любопытство обязательно к чему-нибудь приводит. Ещё, коллеги.
Вопрос из зала: Когда появится более или менее полное собрание книг, в которых таким же человеческим языком, каким умеете говорить вы, но без потери смысла и содержания, кто-нибудь…
Алексей Семихатов: Я переадресую свой вопрос к уважаемым коллегам. Да, кстати, Борис, я так разволновался вначале, что забыл сказать большое спасибо «Полит.ру» за организацию и за возможность выступить здесь. Спасибо!
Борис Долгин: Ответ, видимо, прозвучит следующим образом: конечной библиотеки такой никогда не будет и быть не может, потому что знание развивается; в то же время мы знаем о том, как самые разные проекты пытаются поддерживать развитие просветительства. Мы знаем о фонде «Династия», скажем, которое поддержало во многом научно-популярное книгоиздание в России. Цикл «Публичные лекции «Полит.ру» существует с 2004 года и постоянно в этом смысле работает. Расшифровку этой лекции, как и расшифровку прошлых лекций, по мере согласования текстов можно будет на «Полит.ру» найти. Нужно ли их издавать бумажными книгами? Я, честно говоря, не уверен. Я думаю, что в онлайне сейчас читают большинство.
Алексей Семихатов: Они – “Полит.ру” – подарили мне перед началом лекции диск с предыдущими лекциями. Там прекрасные выступления. Это во-первых. А во-вторых, как Борис уже сказал, имеется замечательное российское начинание, благодаря Дмитрию Борисовичу Зимину и фонду «Династия», – это премия за научно-популярную литературу, институция, которая не просто выдаёт премии: вот бери премию и пошёл, что тоже хорошо, но она делает и другое. Она стимулирует издателя и распространение книг, получавших высокую оценку жюри. Книги распространяются по библиотекам, лауреаты ездят с лекциями, и это прекрасное начинание.
Борис Долгин: Да, наш сегодняшний лектор обычно бывает членом жюри этой самой премии, насколько я понимаю. Вот. Ещё?
Вопрос из зала: Если честно, мне просто непонятно, почему бозон Хиггса называют частицей Бога.
Алексей Семихатов: Ледерман, который придумал это слово, потом отшутился, сказав, что это с таким же успехом может быть “goddamn’s particle”. В переводе на русский – скорее проклятая частица, ну, просто потому, что она делает то, что казалось невозможным, а с другой стороны – её так трудно найти!
Вопрос из зала: А вот сообщалось, что достоверность открытия частицы 5 сигма. Что это соответствует 99,99%, это более или менее понятно, а что такое сигма – не очень понятно. Поясните, пожалуйста.
Алексей Семихатов: Это измерения, предполагая нормальное распределение, вы измеряете остаток площади под гауссовым колокольчиком с боков.
Вопрос из зала: Не секрет, что многие физики после опубликования экспериментальных данных несколько разочаровались, что вообще что-то было найдено, потому что существуют интересные теории петлевой гравитации, теории Т-кварков, Т-антикварков, и вообще - революции не произошло. Мы опять вписываем бозон Хиггса в Стандартную Модель, которая не сочетается ни с тёмной материей, ни с гравитацией, и как будто бы не приблизило это нас к пониманию картины мира. Вот вы лично довольны? Рады?
Алексей Семихатов: Спасибо! Отличный вопрос! Вы затронули много важных тем, о каждой из которых можно говорить по отдельности. Значит, действительно ключевые изменения, ключевые революции проходили тогда, когда не находили того, что искали. Опыт Майкельсона-Морли: движение Земли относительно эфира – не нашли. Пришлось создать теорию относительности, чтобы объяснить. Здесь вроде нашли, что искали, но то, что искали, было придумано настолько на коленке и в течение десятилетий после своего изобретения воспринималось как игра ума, что, в общем, потрясающе, что именно это нашли, причём – там, где искали: это означает, что мы точно захватили некий плацдарм, мы не стоим на зыбком песке: то ли здесь строить здание, то ли здесь. Нет, мы теперь увереннее выбираем одну из дорожек, мы знаем, что здесь мы стоим вот здесь на твёрдой почве и можем упираться дальше. Здесь мы можем вбить сваи, построить фундамент и карабкаться выше. Насчёт того, сочетается или не сочетается с гравитацией и тёмной материей, – это мы ещё посмотрим. Суперсимметрия, кстати, имеет некий импакт на тёмную материю. Суперсимметричные партнёры могут оказаться тёмной материей. Это всё требует дальнейшего выяснения. Страшно приятно, что мы теперь гораздо увереннее в том, где мы находимся. Сначала это было просто предположение. Сейчас это факт, и теперь в этот факт будут вноситься маленькие уточнения, из которых вырастут большие новые направления.
Вопрос из зала: У меня такой несколько литературный вопрос: а мироздание как вообще реагирует на то, что вы пытаетесь его понять? Ну, памятуя Стругацких «Миллиард лет до конца света», там трагедия, которая с Сократом произошла, с Нильсом Бором, - вам насколько легко даётся всё это понимать, выстраивать?
Борис Долгин: А трагедия Сократа…
Алексей Семихатов: Его же в педофилии обвиняли, а проблема была в другом! Он доставал всех своими вопросам, как вы знаете. Он приходил и говорил: “Ты каменщик, ты строишь стену. А знаешь ли ты, что такое стена? А знаешь ли ты, что такое кирпич… а знаешь ли ты…” и так далее. И в конце концов он перестал всем нравиться. Мне кажется, что мироздание к нам несколько более благосклонно, чем жители греческого полиса к своему знаменитому соотечественнику, пока не жалуется, пока, по-моему, все довольны.
Вопрос из зала: Скажите, правильно я поняла, что теперь эта область физики практически потеряет связь с экспериментом? Или будут какие-то другие большие эксперименты?
Алексей Семихатов: Будут! Только одно слово, так как нас время поджимает. Коллайдер – это молоток. Есть скальпель, это так называемые лептонные коллайдеры, там вы ускоряете частицы без внутренней структуры, энергии там меньше, но частицы очень точно попадают в цель. Проекты обсуждаются. В Америке есть два конкурирующих проекта, которые оба воспринимаются как реалистические, им дали конкурировать на уровне Research and Development, чтобы выбрать из них тот, который окажется лучшим. Именно лептонный коллайдер – это скорее скальпель, чем наковальня, – для тонкого анализа того, что там происходит. Но, конечно, воссоздать Большой взрыв или там что-нибудь ещё мы у себя не в состоянии. Если мы этого хотим – это придётся экстраполировать силами ума. Чудо состоит в том, что это иногда удаётся.
Вопрос из зала: Вот вопрос: электромагнитное и гравитационное взаимодействия мы на себе очень хорошо ощущаем, а есть ли при комнатной температуре какие-то влияния двух других взаимодействий?
Алексей Семихатов: Мир стабилен, потому что сильные взаимодействия удерживают вместе протоны, которые заряжены электричеством, они бы иначе разлетелись бы…
Вопрос из зала: На макроуровне, информационно – определение сильного взаимодействия.
Алексей Семихатов: Атомная бомба, принцип действия которой основан на ядерных процессах, несомненно, является макропроявлением сильного взаимодействия.…
Вопрос из зала: Да, это тоже как бы не комнатная температура…
Алексей Семихатов: Ну, начинается-то это вот с чего: как сказал Фейнман про то, что такое цепная реакция: я держу в одной руке кусок урана и в другой руке держу кусок урана, когда я соединяю их вместе, получается нечто, совсем не похожее на два куска урана, – воронка в полкилометра в диаметре.
Вопрос из зала: Скажите, пожалуйста, вот вы сказали, что мир был рождён математически, это такое сильное мировоззренческое утверждение, а …
Алексей Семихатов: Это абсолютно безответственное утверждение. Абсолютно безответственное. Так это и нужно понимать.
Вопрос из зала: Вопрос в развитии движения… а что же является причиной нарушения симметрии в мире?
Алексей Семихатов: Прекрасный вопрос! Готов с вами поговорить в кулуарах после этого. После такого безответственного утверждения нельзя однозначно ответить на ваш вопрос, я готов это обсудить, это очень интересно. Спасибо. Это ключевой вопрос.
БРАВО!
http://polit.ru/article/2012/10/22/semikhatov/
