Откроют ли телепортацию, есть ли параллельные миры, и где «атом Бога»: Ученый дал ответ

Смартфон нельзя починить, только заменить блок на блок. Блоки, платы, словно спускаются к нам с неба, от каких-то богов

Фото: Shutterstock.

А вам не страшно жить? Не страшно ли вам от того, что вы окончательно перестаете понимать, как устроен мир вокруг?

Те из вас, кто постарше, в детстве собирали радиоприемники. Радио – сложная технология, но школьник в состоянии понять, как оно работает, собрать приемник и даже починить заводской. И вот перед вами смартфон. В нем «зашиты» достижения квантовой механики, теории относительности и куча других вещей, о которых вы даже не подозреваете. Смартфон нельзя починить, только заменить блок на блок. Блоки, платы, словно спускаются к нам с неба, от каких-то богов (часто это китайские боги). И все это в самом деле жутко, потому что мы теряем почву под ногами. Мы критически зависим от вещей, на которые не можем повлиять.

И что делать? Короткого ответа на этот вопрос, конечно, нет, но мы решили пойти на необычный шаг. Мы решили побеседовать с физиком о том, как устроена материя, и чем вообще «дышит» современная высокая наука. Мы уже не научимся собирать смартфоны на коленке. Но хотя бы понимать, кто такие мы, что есть сознание, и куда идет наука – мы просто обязаны, потому что именно знание спасало человечество в самые трудные времена.

Итак, научный обозреватель KP.RU Евгений Арсюхин беседует с Игорем Волобуевым, доктором физико-математических наук, профессором, сотрудником отдела теоретической физики высоких энергий НИИ Ядерной физики МГУ.

СПРАВКА КП

Игорь Волобуев окончил физфак МГУ. Изучает «темную материю», дополнительные измерения пространства-времени, его структуру, «кротовые норы», которые ведут в иные миры, и прочие, столь волнующие любителей науки, вещи. Автор более 100 научных работ.

РОБОТЫ БУДУТ СМОТРЕТЬ НА СВОИХ СОЗДАТЕЛЕЙ С ПРЕЗРЕНИЕМ

- Мы будем говорить об очень сложных вещах.

- Это правда.

- Почему нельзя людям на «пальцах» объяснить, что да как в современной науке?

- Понимаете, наше сознание, наши органы чувств заточены на то, что можно непосредственно увидеть и пощупать. Человек весом 70 кг состоит из примерно 10^28 атомов (единица с двадцатью восьмью нулями – КП). Мы не микроскопические, а макроскопические существа, и нам не дано «видеть» один атом из этих триллионов триллионов триллионов. Мы видим сразу все атомы нашего тела – когда смотрим в зеркало.

Далее, самая большая скорость, с которой мы имеем дело в быту – скорость звука. Скорость света в миллион раз больше скорости звука, и свет для нас «мгновенный», мы такие скорости не в состоянии ощутить. Человек – нерелятивистское существо (релятивистский – движущийся со скоростями около скорости света – КП).

Веками наука оперировала вещами, на которые можно «показать пальцем». Вот колба, вот минерал, вот Солнце и Луна. Но в какой-то момент наука вышла за пределы прямого осязания. Мы видим только то, что показывают нам приборы. Один мой коллега так описал процедуру анализа элементарной частицы в ускорителе: представьте наручные часы на расстоянии десятков тысяч километров; вы в них стреляете, и по деталям, которые из часов вылетают на такое же расстояние, судите, из чего они состоят. Но в действительности все еще сложнее: если из часов вылетают шестеренки, значит, они в часах были. Из элементарных частиц может вылетать то, чего там и не было, потому что одни осколки моментально превращаются в другие.

- Итак, мы должны верить приборам и машинам, которые анализируют данные (ИИ). Я ни минуты не сомневаюсь, что ученые знают, что делают, но мир не состоит только из ученых. Сегодня я верю навигатору в выборе дороги, завтра я всю жизнь доверю алгоритму.

- У писателя-фантаста Роберта Хайнлайна есть роман «Пасынки Вселенной». Запустили корабль к Проксиме Центавра, летят, и на борту происходит восстание. Ученых убивают, а невежественный экипаж начинает поклоняться капитану-помазаннику, который для сохранения своей власти по-своему интерпретирует для экипажа оставшиеся на корабле научные книги. Он не понимает их истинного смысла и представляет их как священное писание. При этом все системы корабля продолжают нормально работать и поддерживают жизнедеятельность невежественного экипажа. Если люди перестанут понимать, что происходит вокруг, рано или поздно человек окажется как бы в зоопарке, а умные машины будут на нас смотреть и думать, «надо же, ОНИ когда-то нас создали».

Я скажу страшную вещь, но мне кажется, что правительства, особенно Запада, этого и хотят. Управлять глупыми людьми легче. Школьные программы упрощаются. Писать, читать, и хватит. Школы растят «квалифицированного потребителя». На науку выделяется намного меньше, чем в 1960-1970-е годы.

Наука вышла за пределы прямого осязания. Мы видим только то, что показывают нам приборы

Фото: Shutterstock.

- Но всегда ли можно верить ученым?

- К сожалению, развелось немало проходимцев. Однажды на основании подтасованных данных чуть не получили Нобелевскую премию. Современный мир основан на коммерции. Сенсационные результаты хорошо продаются, под них выдают гранты и прочие виды финансирования. Отрицательные результаты, может быть, очень полезные для науки, никому не нужны. Если недобросовестный ученый получает отрицательный результат, он его замалчивает. В свое время отрицательный результат эксперимента Майкельсона-Морли дал нам теорию относительности. Заигравшись в гранты, мы можем проморгать новую «теорию относительности».

И все же в массе своей научное сообщество состоит из ответственных людей. Результаты бесчисленное количество раз проверяются. От новых теорий или гипотез требуют объяснения всего массива данных, а он накоплен наукой огромный. Если теория сделать этого не в состоянии, она не признается. Система в целом работает.

ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ТО, ЧТО ЗНАЕМ?

- Я сейчас задам неприятный вопрос. Да, наука вышла за пределы «пощупать, увидеть». Но тем самым она вошла в фазу произвола, что ли. Элементарным частицам приписываются свойства, за которыми нет физического смысла. Зато «циферки сходятся».

- Например?

- Например, спин. Школьников учат, что спин- «вращение» элементарной частицы, допустим, электрона в проводах. И тут же говорят, что электрон и другие частицы не вращаются.

- Не вращаются.

- То есть в самом деле выдумали?

- Конечно, нет. Дело было так.

В 1922 году Отто Штерн и Вальтер Герлах пропускали нейтральные атомы серебра через неоднородное магнитное поле. К их удивлению, атомы вылетали из поля двумя пучками. То есть один «сорт» атомов реагировал на поле так, а другой «сорт» иначе. Это означало, что у нейтральных атомов есть магнитный момент. Но такого не должно было быть.

Тогда предположили: магнитный момент создают электроны, вращаясь вокруг ядра атома. Затем, в 1925 году, Джордж Уленбек и Сэмуэль Гаудсмит на основе анализа спектроскопических данных предположили, что электрон тоже обладает магнитным моментом и связанным с ним собственным механическим моментом, т.е. как бы представляет собой «вращающийся волчок». Это свойство и назвали «спин», то есть «вращение».

Годом раньше Вольфганг Паули сформулировал свой фундаментальный принцип «запрета»: два электрона в атоме не могут находиться в одинаковых состояниях, т.е. иметь одинаковые значения квантовых чисел. При этом в дополнение к квантовым числам, отвечающим движению электронов в атоме, он ввел еще одно квантовое число, принимающее всего два значения.

Но кто им «запретил»? Издали указ, «запрещаем»? Оказалось, «запрещает» именно то свойство, которое выявилось ранее в эксперименте и которое окрестили «спином»: введенное Паули новое квантовое число было отождествлено с двумя возможными проекциями спина электрона на некоторое выделенное направление. Эти проекции могли принимать значения плюс-минус ½ в единицах постоянной Планка. Именно это полуцелое значение спина и запрещает двум электронам, и любым другим двум частицам с полуцелым спином, находиться в одном состоянии. Но это свойство никак с вращением не связано, оно просто есть. И уже в 1928 году Поль Дирак вывел свое знаменитое уравнение, из которого свойство спина вытекало само собой.

- Я не все понял, но суть уловил. Думали, что вращается. А он не вращается. Но термин оставили.

- Термин оставили, хотя электрон не вращается. Студентам говорят так: если для описания частицы без спина нужна одна функция (ее называют волновой), то для описания нерелятивистского (медленного – КП) электрона – две. Они принадлежат двумерному комплексному пространству, в котором происходит вращение, что и порождает свойство, которое мы называем «спин». Конечно, это не вращение чего-то физического в пространстве.

- А я ведь собирался стать студентом-физиком. Корпел бы над «комплексными пространствами». В общем, что я понял: вращение одной абстракции вокруг другой абстракции.

- Да я бы не сказал. Еще в XVI веке пытались сделать «робота» - автомат, который с помощью только рычажного механизма, без оси вращения, подает на стол условному герцогу тарелки, а потом их со стола убирает. И оказалось: чтобы «робот» взял тарелку, донес и поставил ровно, а затем, не переворачивая, вернул ее на то же место и при этом сам вернулся в исходное состояние, его механизмам надо выполнить не один полный оборот, а два оборота. Ну вот так получалось, а иначе никак. Механики взяли это правило на вооружение и просто стали жить с этим. Так вот, электрону и описывающим его функциям, которые вы назвали «абстракциями», тоже нужно совершить два полных оборота, чтобы вернуться в исходное состояние. И это поразительно, где механический «робот» с его примитивными колесиками, и где элементарные частицы.

- То есть «увидеть, пощупать» нельзя, но законы везде одни, и «тот мир» не так уж безнадежно отделен от нашего?

- Получается что так. Вообще, если что-то подтверждается экспериментом, это более чем наглядно.

-Хорошо, со спином вроде разобрались, но я еще планировал спросить вас о таком свойстве элементарных частиц, как «странность». Всякий раз, как натыкаюсь на него, думаю, «ну и название». Если уж не знаете, что это такое, так и скажите. Расскажете?

- В конце 1940-х начале 1950-х годов в космических лучах нашли частицы, которые окрестили «К-мезоны». Заметили, что они всегда рождаются парами с другими частицами, которые назвали лямбда-гиперонами. Это тяжелые частицы, но при своей большой массе они жили намного дольше, чем предсказывала в то время теория. Это казалось очень странным, и частицы назвали странными.

То, что они всегда рождались парами, наводило на мысль, что у них есть какое-то новое квантовое число, какой-то новый заряд, и его-то назвали «странностью». Затем появились ускорители, стали там экспериментировать, и в самом деле: там, где ожидалось, что у некой частицы есть «странность», она рождается в паре с другой странной частицей. То есть теория работает.

А что такое странность, мы теперь хорошо понимаем: это присутствие в частице странного кварка, также называемого s-кварком, или его антикварка.

- Массу я понимаю, заряд наверное тоже (током бьет – есть заряд), а странность все равно не понимаю.

- Вот вы скажите, что такое масса?

- Ну, это когда тяжелое что-то.

- Сами понимаете, что это не ответ. Нам кажется, что, ну массу-то мы понимаем. Странность, спин не понимаем, а массу – вот же она. На самом деле мы с массой на бытовом уровне сталкиваемся, и как бы знаем, что это такое. А со спином и странностью не сталкиваемся, и поэтому не знаем. Вот и вся разница.

СПРАВКА КП

Античная физика не знала массы, но знала «тяжесть». Ей противостояла «легкость». Ядро тяжелое, дым легкий. Галилей ввел понятие веса, Ньютон – массы, и все выглядело так: много вещества – много массы. Почему одна масса притягивает другую, Ньютон даже объяснять не стал. Свойство, и все. В начале ХХ века Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности. На бытовом уровне он означает, что сила, которая прижимает вас к креслу в разгоняющемся автомобиле, ничем не «хуже» силы притяжения к Земле. Также Эйнштейн показал, что гравитация – не только «сила», но еще и искривление энергией пространства-времени. Энергия материального тела, согласно теории относительности, зависит от его массы и скорости (а вовсе не от «количества вещества») и при нулевой скорости равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Это огромная энергия! В ядерных реакторах удается извлечь меньше 1% этой энергии, и все равно это в миллион раз больше, чем энергия, выделяющаяся в химических реакциях. В то же время фотон несет энергию, но массы у него нет, и поэтому остановиться, замереть он не может.

Астрономы, анализируя движение звезд во внешних областях галактик и некоторые другие, более тонкие, эффекты, видят, что темная материя существует

Фото: Shutterstock.

ГДЕ ОН, «АТОМ БОГА»?

- Что все-таки лежит в основе материи? Есть ли там, в глубине, неделимая частица?

- Смотрите, вот есть Стандартная модель,- это такая теория. Она прекрасно описывает экспериментальные данные. В 2012 году нашли бозон Хиггса, «атом Бога», который она предсказала. Это была последняя из недостающих частиц. С ней теория обрела стройность и законченность.

Так вот, Стандартная модель говорит, что в основе мироздания лежат такие, далее неделимые, частицы, как лептоны, кварки, калибровочные бозоны и бозон Хиггса. Эти объекты мы видим как точечные. Может, они и есть точечные. Может, мы просто пока не знаем, как их «расколоть». Единственное взаимодействие, которое пока не удается включить в Стандартную модель, т.е. объединить с другими, это гравитация.

СПРАВКА КП

Лептоны – семейство частиц, как известных широкой публике (электрон, нейтрино), так и малоизвестных (мюон). Кварки – «кирпичики», из которых созданы более сложные частицы (не лептоны) вроде протонов и нейтронов, а из пар кварков и антикварков состоят различные мезоны. Под загадочным термином «калибровочные бозоны» скрывается хорошо известный нам фотон и еще три переносчика слабого взаимодействия. Наконец, раскрученный прессой бозон Хиггса – это частица, поле которой порождает физический вакуум и массу. Частицы, которые взаимодействуют с этим вакуумом, как бы тормозятся им и становятся массивными. Фотон вакуума «не замечает», и массы у него нет. Так говорит Стандартная модель, по крайней мере.

- Стандартная модель победила, физикам остается только пожинать лавры?

- Да рановато пожинать. Много данных, что за рамками Стандартной модели что-то есть.

Во-первых, это темная материя. Астрономы, анализируя движение звезд во внешних областях галактик и некоторые другие, более тонкие, эффекты, видят, что она существует, но больше никаких ее проявлений мы не наблюдаем. Она взаимодействует с «нашим» веществом только гравитационно. Причем, если «нашей» материи во Вселенной – примерно 4,9%, то темной материи – 26,4% (остальное – темная энергия). Скорее всего, она состоит из каких-то частиц, каких, мы не знаем. Она «размазана» по Вселенной неравномерно. В спиральных галактиках (наша Галактика – спиральная), ее много, и она образует как бы «атмосферу», по-научному называемую «гало темной материи», в которую Галактика погружена, а в галактиках другого типа ее нет.

Во-вторых, Стандартная модель не может объяснить, куда делось антивещество. Отдельные античастицы мы видим, но в целом нет ни антиматерии, ни галактик и звезд, состоящих из антивещества. А ведь в момент рождения Вселенной, скорее всего, вещества и антивещества получилось равное количество. Но потом антикварки и антилептоны почему-то распадались быстрее, и вот результат. Стандартная модель тут пасует.

- Но ведь появляется полно теорий, которые все это объясняют?

- Теории появляются! И, например, рассказывают, куда делось антивещество. Но более ничего объяснить не могут.

Понимаете, если вы предлагаете новую теорию, вы в первую очередь не должны нарушить объяснение того, что мы уже знаем. И только потом уже объяснять то, чего мы не знаем. То есть от физика требуется, чтобы теория была универсальной. Пока, к сожалению, получается «лапы вытащили – хвост увяз», нестыковки.

Было бы хорошо, если бы какой-то эксперимент прямо указал на явление, которое в Стандартную модель не укладывается. Тогда было бы понятно, что и где искать, и дело пошло бы веселее. Но эксперименты, как назло, Стандартную модель идеально подтверждают.

Случаются иногда сенсации. Вот, например, около семи лет назад сразу две группы исследователей на Большом адронном коллайдере сообщили о возможном обнаружении нового скалярного состояния с массой около 750 гигаэлектронвольт, что очень напоминало бозон Хиггса (его масса 125 гигаэлектронвольт; в физике массу частиц принято записывать не в «граммах», а в единицах энергии – электронвольтах - КП). Сразу покатился вал теоретических работ, в которых давалось объяснение этому состоянию. Мы с коллегами тоже написали статью - о том, что в рамках современных теоретических представлений такого не может быть. И в самом деле, позже экспериментаторы не подтвердили свои предварительные результаты. Все такие «сенсации» пока оказываются ошибками эксперимента.

Это первая часть интервью с Игорем Волобуевым. Во второй части физик-теоретик приоткрыл новые тайны Вселенной. В частности, он ответил на вопросы: что мешает телепортации и как попасть в параллельный мир.