Происхождение Вселенной, темная материя и энергия, черные дыры – это только несколько тем, занимающих умы современных физиков-теоретиков. Какие вопросы сегодня стоят на острие фундаментальной науки и кто их решает? Какие прикладные разработки появляются в результате, казалось бы, совершенно отвлеченных исследований? Об этом рассказал профессор кафедры физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ Сергей Рубин.
— Насколько велика вероятность того, что Земля попадет в поле притяжения черной дыры?
— Очевидно, что, если подлететь к черной дыре на небольшой скорости, она вас в себя втянет, и вы оттуда уже никогда не сможете выбраться. Но нам на Земле бояться особенно нечего.
Наблюдаемые черные дыры бывают двух типов. Первые образуются при взрыве крупных звезд, с массой в десяток раз больше нашего Солнца. Само Солнце взорвется примерно через 5 миллиардов лет, но оно имеет недостаточную массу, чтобы превратиться в черную дыру, поэтому такой тип черной дыры нам не угрожает.
Второй тип – это черные дыры в центрах галактик. Они гораздо более массивные. К примеру, масса черной дыры в центре нашей галактики Млечный путь – несколько миллионов солнечных масс.
Но это тоже не очень страшно, потому что все, что могло упасть в эту черную дыру, уже упало. А всё остальное, за небольшим исключением, вращается вокруг нее по далеким орбитам с большими радиусами, и, с нашей точки зрения, мы туда никогда не упадем.
Правда, происхождение черных дыр не до конца понятно. На этот счет ученые разработали несколько научных моделей, и некоторые из них говорят, что могут существовать еще очень мелкие черные дыры, с размером меньше атома, но с большой массой, порядка 1016 грамм. Этих черных дыр может быть много, они могут летать в пространстве и, в частности, сталкиваться с Землей. Но это настолько плотные и маленькие объекты, что они пройдут сквозь Землю, и мы с вами их просто не почувствуем. Как придут, так и уйдут.
— Какие вопросы теоретической физики сегодня занимают ученых?
— Происхождение тех же черных дыр. Может оказаться, что они появились раньше, чем галактики, тогда это поставит существующие теории с головы на ноги.
Есть и другие вопросы. Что такое темная материя и темная энергия? Все понимают, что они существуют, но никто точно не знает, что это такое. Каждый уважающий себя космолог может создать модель темной материи, и сейчас их не меньше сотни. Нужны дополнительные экспериментальные события, которые позволят отделить зерна от плевел.
Темная энергия — тоже нечто не очень понятное. Основная модель говорит о том, что в космическом вакууме нет частиц, но есть поля, которые в состоянии равновесия могут иметь энергию — вспомним про энергию электрического поля, запасаемую в конденсаторах. Возможно, энергия гипотетического поля и есть темная энергия. Есть и другие модели, и неизвестно, какая из них подтвердится.
Кроме того, в стандартной модели элементарных частиц масса нейтрино полагается равной нулю. Но некоторое время назад выяснилось, что нейтрино имеет массу, отличную от нуля, хотя и на несколько порядков меньше массы заряженных частиц.
— И в чем же здесь загадка для ученых?
— Не очень понятно, каким образом природа ухитрилась образовать частицы такой маленькой массы. Потому что, если у вас есть молоток и клещи размером 15 см, то вам будет сложно сделать с их помощью деталь размером 1 мм. Но, похоже, природе это удалось, и хотелось бы понять, как. Может быть, образно говоря, у нее есть не только молотки и клещи, но и плоскогубцы?
Есть еще несколько проблем. На мой взгляд, самая важная и недооцененная — проблема тонкой настройки параметров Вселенной. Оказывается, все физические параметры Вселенной – массы, плотность темной материи, энергии, заряды частиц и так далее — нельзя сильно менять. Если представить себе, что хотя бы один параметр ненамного изменился, то сразу окажется, что и звезды не смогли бы образоваться, и разумная жизнь не возникла бы.
Единственное объяснение для физиков состоит в том, что, по-видимому, существует очень много вселенных разного типа. Мы живем в одной из них. И важно понять, какой механизм и каким образом может создавать эти вселенные.
Не хочу вдаваться в детали, но помогает в этом идея наличия дополнительных пространств. Предполагается, что мы эти пространства не видим, потому что они очень маленькие по размерам, меньше чем 10-18 см. В частности, их пытаются находить на коллайдере в CERN.
Вообще говоря, дополнительные пространства помогают объяснить очень много явлений, например, откуда берутся симметрия, частицы Хиггса и так далее.
— Вы хотите обнаружить нечто новое в физических законах?
— Это цель фундаментальной физики. Кстати, сейчас перед физиками, теоретиками и экспериментаторами, встал еще один вопрос. Как я уже говорил, Стандартная модель не объясняет ни массу нейтрино, ни темную материю, ни темную энергию, ни гравитацию.
Значит, возможны отклонения от этой Стандартной модели, красивой и относительно простой. На ускорителях в CERN ученые интенсивно проверяют наличие этих отклонений, но пока ничего не находят.
— Насколько трудно ученым продвигаться в области, где экспериментальная проверка той или иной гипотезы невозможна? Как вы выходите из положения?
— Это замечательный вопрос, при ответе на который расходятся мнения многих ученых. Ведь что означает непосредственная проверка? Если рассуждать поверхностно – если вы посмотрели и увидели, как что-то летит, значит, вы это считаете истиной. Но если рассуждать глубже… Скажите, электрон кто-нибудь непосредственно видел?
— Нет.
— Однако все уверены, что он существует, и он есть в таблицах элементарных частиц. Почему же люди считают, что электрон все-таки существует?
— Потому что его существование дает объяснение многим наблюдаемым явлениям.
— Вот именно! Теория предполагает, что электрон существует, что позволяет сделать различные выводы.
Вначале была высказана идея: «Электрон должен существовать», и большинство ученых стали смотреть на этого человека с недоверием. Но постепенно фактов, опосредованно подтверждающих, что электрон существует, стало появляться все больше и больше, миллионы фактов. Каждый раз, включая электрический ток, мы проверяем эту теорию, и для нас вероятность того, что электрон существует, равна 100%.
С другими теориями то же самое. Например, с черными дырами в центрах галактик. Я высказал мнение подавляющего большинства физиков о том, что они существуют. Но есть и другие физики, которые говорят: «Нет там ничего. У меня своя теория». И так они спорят друг с другом. Однако фактов, подтверждающих наличие таких черных дыр, становится все больше.
Насчет массивных черных дыр тоже не все еще понятно на 100%. Но с годами вероятность точного знания повышается. Ученые предлагают и проводят проверки, которые подтверждают: да, это — черная дыра.
Точность наших приборов все время увеличивается, а диапазон длин волн, которые они могут улавливать, расширяется. Поэтому скоро мы сможем «разглядеть» черную дыру уже совсем близко, «рассмотреть» ее до деталей, и вероятность нашего знания еще повысится. Хотя почти для всех ученых она уже и так близка к 100%.
— Область вашей работы – это исключительно фундаментальные исследования или существует возможность их прикладного использования?
— Тут есть три аспекта. Первый ответ достаточно стандартный: сейчас мы работаем на будущее, и когда-нибудь наши открытия примут осязаемую форму. Правда, интервал между научным открытием и созданием нового прибора на его основе все увеличивается.
Второй момент заключается в следующем: когда ученые на пределе своих возможностей пытаются что-то обнаружить или открыть, они придумывают новые технологии. Например, в нейтринной физике очень нужна была жидкая среда с колоссальной точностью очистки, с предельно малым количеством примесей. Была разработана специальная технология очистки. Сейчас, насколько я знаю, она используется в фармацевтике.
Более известный пример – это интернет. Всемирная паутина была изобретена как средство общения между учеными CERN. Таких примеров много, сюда можно отнести и развитие ядерной медицины.
— Можно сказать, что это побочные продукты фундаментальных исследований?
— Именно так. И есть еще одна вещь, может быть, наиболее важная. Я понял достаточно давно, что ни одна из групп живых существ, таких как пчелы, муравьи, собаки и люди, не могут жить без разведчиков. У пчел есть разведчики, и у муравьев тоже. Они отправляются в разные места, выискивают что-то съедобное и рассказывают в улье или в муравейнике, что именно они нашли и где это находится. Если бы у пчел не было разведчиков, они бы все умерли, когда съели бы все ближайшие ресурсы, и не знали бы, что делать дальше.
То же самое и с людьми. Что гнало в старые времена путешественников на кораблях в далекие моря, в бури, открывать новые земли? Конечно, любопытство, хотя и желание обогатиться тоже.
В любой группе организмов нужны особи разной специализации, в частности, наделенные чрезмерной любознательностью или любопытством. Ученые – как раз такие особи у людей.
Конечно, заниматься наукой — достаточно тяжелое дело. Это только при социализме можно было удовлетворять свое любопытство за счет государства, а сейчас это затруднительно. Поэтому, в среднем, ученые живут менее богато (хотя тут есть варианты), чем другие умные люди, которые пошли в другие профессии.
— Мешает ли это молодым людям избирать науку своей профессией?
— Да, это одна из проблем. Чтобы состояться в науке, есть два обязательных условия: надо быть умным и любопытным.
Раньше умные ребята шли в науку. Сейчас у них есть выбор — можно, например, заняться созданием компьютерных игр, это интересно и прибыльно. Поэтому есть отток молодежи из науки. Но это, может быть, и неплохо: значит, молодые люди не настолько любопытны, как нужно. Поэтому я никого не уговариваю заниматься фундаментальной наукой.
Было несколько раз, когда ко мне приходили за советом: «Стоит ли мне заниматься фундаментальной наукой, ведь мне предлагают пойти директором магазина?». Я в таких случаях говорю: «Что бы ты ни решил, это будет правильно». Если молодой человек перейдет в коммерческую организацию, значит, он не очень любопытный. Если он останется в науке, это значит, что деньги для него не на первом месте. Поэтому в науке остаются самые любопытные.
По материалам РИА Новости