24 октября 2016 г. в Центральном Доме журналиста прошла очередная постановка ProScience Театра. С темой «Загадки физики микромира» выступил Дмитрий Казаков — известный физик, доктор физико-математических наук, профессор, сотрудник Объединенного института ядерных исследований. Вечер вел журналист Никита Белоголовцев.

Никита Белоголовцев:

— Добрый вечер, уважаемые дамы и господа! Я рад приветствовать вас на очередном представлении нашего ProScience Театра, уникального формата, мы можем позволить себе такое слово. Где мы разговариваем о науке и не только о науке. Сегодня у нас второе представление осеннего сезона, и я благодарен тем, кто сегодня здесь, с нами. Сегодня мы будем говорить о физике микромира, точнее, говорить будет Дмитрий Казаков, и под ваши аплодисменты он выходит на сцену! Дмитрий Игоревич, прошу вас, выходите к нам. Для того чтобы понять, что нас сегодня ждет, несколько фактов о главном герое сегодняшнего вечера.

Мария Блохина:

— Дмитрий Игоревич Казаков родился в 1951 году. В 1974 году он окончил физический факультет Московского государственного университета, спустя три года защитил кандидатскую диссертацию, а в 1988 году стал доктором физико-математических наук.

С 1975 года Дмитрий Казаков работает в Лаборатории теоретической физики Объединенного института ядерных исследований в Дубне, свою научную карьеру он начал с должности младшего научного сотрудника, а сейчас возглавляет отдел теории фундаментальных взаимодействий. Также он заведует лабораторией фундаментальных взаимодействий в Институте теоретической и экспериментальной физики имени А.И. Алиханова и кафедрой фундаментальных и прикладных проблем физики микромира в Московском физико-техническом институте.

Никита Белоголовцев:

— Огромное спасибо. Дмитрий Игоревич, все ли верно? Прекрасно. Первый вопрос, который я хотел вам задать уже давно: практически всю вашу научную карьеру вы провели в Дубне, легендарном для российской науки месте. С появлением других научных центров, того же Сколково, изменился ли статус этого места? Стало ли вам проще или сложнее работать, можно ли говорить о какой-то конкуренции научных центров в России или это журналистские штампы, а вы, ученые, на них не очень-то обращаете внимание?

Дмитрий Казаков:

— Видите, какое дело. Наука все-таки специализирована. В Дубне у нас — ядерный центр, в Сколково — нанотехнологии и что-то другое. Мы не конкуренты друг другу, скорее, дополняем друг друга. Но молодые люди, которые приходят либо к нам, либо к ним — вот тут мы боремся.

Никита Белоголовцев:

— А насколько активно боретесь? Какие аргументы у вас есть кроме некоторого легендарного статуса, бэкграунда и всего остального?

Дмитрий Казаков:

— Мы пытаемся привлечь молодых людей теми исследованиями, которыми мы занимаемся, тем пафосом, который еще остался в физике высоких энергий и физике элементарных частиц, и тем, что мы являемся по-настоящему международной организацией. Сейчас, конечно, кого-нибудь уже трудно удивить каким-то международным статусом, но, поверьте мне, когда ваш институт является частью сети научных исследований, когда вы сегодня можете работать в Дубне, завтра — в СЛАК в США, послезавтра — в Женеве, а потом еще где-то, и все это крутится вместе — это совершенно нестандартная жизнь, мне кажется, она очень привлекательна. И это то, чем мы привлекаем людей.

Никита Белоголовцев:

— Немного наивный вопрос: если сегодня ты можешь работать в Вашингтоне, завтра — в Женеве, то зачем послезавтра работать в Дубне?

Дмитрий Казаков:

— Дело в том, что, когда мы едем куда-то на работу, это связано с научной командировкой. С выполнением каких-то научных исследований. Вы едете работать или сотрудничать, а потом возвращаетесь в свой родной институт. Почти у всех физиков, которые работают в этой области, есть свой родной институт. И мы просто друг к другу ездим, сотрудничая. Экспериментаторы ездят на большие установки и работают на них. Теоретики ездят с более короткими визитами, общаются друг с другом. Это такая нормальная научная жизнь.

Никита Белоголовцев:

— Еще вопрос к вам как к человеку, который видел и работал и с советскими, и с российскими учеными: есть ощущение, что изо всех сил нам, людям, которые наблюдают за наукой немного со стороны, стараются создать ощущение некоторого ренессанса российской науки. Что молодые люди не уезжают, молодые люди снова заинтересовались фундаментальной наукой, снова туда идут, научные центры снова выигрывают конкуренцию на рынке труда… Есть ли у вас ощущение, что это так?

Дмитрий Казаков:

— Нет, у меня нет ощущения ренессанса. Мне кажется, что степень уважения к науке во времена, когда я начинал работать еще в СССР, была выше. Мне кажется, что сейчас это не так.

Никита Белоголовцев:

— Это обратимый процесс или так сложилось и по-другому уже не будет?

Дмитрий Казаков:

— Это международная ситуация такая. Даже в странах, которые мы считаем благополучными, отношение к науке тоже несколько изменилось. Часто говорят о материальной составляющей, что зарплаты ученых не сильно высоки, но мне кажется, что это не самое главное. Все-таки отношение общества несколько потребительское стало. Даже от науки стали требовать быстрого выхода чего-то прикладного. И в той области, которой я занимаюсь, остаться фундаментальным, когда мы не обещаем, что завтра это будет в вашем доме, стало больше требований. Статус науки несколько упал. Конечно, это очень обидно для ученых, но, с другой стороны, к этому надо приспосабливаться.

Никита Белоголовцев:

— Хорошо, давайте, приспособимся к сегодняшнему нашему формату. Я бы хотел попросить вас коротко сформулировать — о чем у нас пойдет речь в сегодняшнем представлении?

Дмитрий Казаков:

— Сегодняшнее выступление свое я озаглавил «Загадки физики микромира». Что я понимаю под микромиром, потому что биологи, например, понимают под словом «микромир» мир букашек. Для меня микромир — это то, что начинается в глубине атома. Атом и мельче.

Никита Белоголовцев:

— Правильно ли я понимаю, что в физике микромира произошло же довольно важное событие, когда ваши коллеги сформулировали более-менее полно всю Стандартную модель? Некоторый поиск, которым занимались многие поколения до, если не завершился, то, по крайней мере, приостановился?

Дмитрий Казаков:

— Приостановился — не то слово. Завершился очень важный этап, который открыл новые перспективы, можно так сказать. Вообще, действительно, в течение последних 50 лет — трудно сказать, откуда отсчитывать — произошло грандиозное событие, потому что, по сути дела, была сформулирована современная теория микромира. Я почти все застал — когда я был студентом, ее еще не было. Сейчас она есть. Она завершилась, как принято говорить, открытием бозона Хиггса, но еще осталось много загадок и тайн. Вот об этих загадках и тайнах я бы хотел сегодня поговорить. Потому что оказалось, что несмотря на то, что мы очень много чего узнали и поняли, перед нами открываются фантастические вещи, и главным сегодняшним моментом, как мне кажется, оказалось объединение физики микромира и космологии, то есть теории эволюции всей Вселенной. Одна бесконечность — это плод микромира, до масштабов 10^–16 см, если мы в состоянии понять, что это такое, потому что обычно люди меньше микрона не могут себе представить, до галактических расстояний.

Никита Белоголовцев:

— Ну что же, давайте начинать. Я заранее благодарю вас, Дмитрий Игоревич. Вы сделали треть работы ведущего, фантастически озаглавив разделы вашего выступления.

Дмитрий Казаков:

— Я хотел сказать, что знания, которые мы почерпнули за последние годы, получены в основном из опытов, которые состоят в том, что мы сталкиваем разные частицы. Удивительная вещь: если мы хотим узнать, как устроены ваши часы, например, их можно разломать и посмотреть, что там внутри, как устроено. Когда мы сталкиваем разные частицы — например, два электрона — рождаются сотни частиц. Эти сотни частиц не находятся внутри электрона. То, что есть в часах — вы это можете найти. А того, что туда не вложили, вы не найдете. Внутри электронов эти сотни частиц не находятся. Практически единственный источник наших знаний — столкнуть какие— нибудь частицы, чтобы оттуда что-то родилось. То, что рождается, рождается из энергии. Знаменитая формула Эйнштейна E=mc² здесь как раз работает. M — это масса тех частиц, а е — это та энергия, с которой мы столкнули два электрона. И вот так мы все познаем. Сталкивая частицы, мы изучаем продукты их распада. И дальше ставится огромнейший детектор, который либо кто-то видел, либо присутствовал на лекции моего коллеги Михаила Владимировича Данилова в этом же зале, который рассказывал про экспериментальную сторону всей этой картины физики микромира. Рассказывал, как Стандартная модель создавалась экспериментаторами. Он прекрасно все это рассказал о том, как это экспериментаторы делают. Мы с ним обычно пикируемся — он говорит «экспериментаторы», а я говорю «теоретики»…

Никита Белоголовцев:

— Друзья, все архивные выпуски ProScience Театра есть на сайте «Полит.ру», можете насладиться постфактум заочным противостоянием экспериментаторов и теоретиков.

Дмитрий Казаков:

— Я это очень рекомендую. Он как раз все это рассказывал — как, сталкивая, дальше все это изучают. Частицы детектируются в огромных детекторах, современный Большой адронный коллайдер в Женеве работает, буквально сейчас работает. Есть детекторы, которые больше этого зала по размеру. И когда мы что-то хотим узнать, мы обращаемся к этим данным. Дальше это все нужно осмыслить, а сначала это все нужно придумать. И тут как раз наступает черед теоретиков. И первая загадка, которая стоит перед теоретиками, состоит в том, что природа зачем-то создала три копии нашего мира. Мы живем в нашем мире, видим все, что есть вокруг нас. Все это, как было известно еще древним грекам, сделано из атомов. С начала прошлого века стало известно, как устроен атом — внутри него есть ядро и электроны, которые вращаются вокруг него. Ядро состоит из протонов и нейтронов. Казалось бы, мы знаем, из чего состоит весь наш мир — из этого. А оказалось, что — нет. Что природа создала три копии. Все эти протоны, нейтроны, электроны — это все первая копия. Первое поколение. Но есть еще второе и третье. Зачем-то есть копии. Кстати, тут надо отдать должное — теоретики об этих копиях не думали. А экспериментаторы открыли вдруг новую частицу. Это была копия электрона — тяжелый электрон, назвали его мюоном. Открыли его в 1936 году. И никто не понимал — зачем? А потом оказалось, что всё имеет копию. Вот вам первая загадка: зачем природа сделала копию?

Мы говорим о том, что была создана стандартная теория физики элементарных частиц. Вот она здесь представлена. Я выбрал картинку, которая больше всего похожа на таблицу Менделеева, как ее показывают в школе — есть элемент, есть масса этой частицы, есть ее так называемые квантовые числа. Одно из этих чисел — электрический заряд. Вот вы видите все частицы, которые нам известны. На самом деле их не так уж много. Так вот, первая копия — то, из чего мы с вами состоим, — это вот эта первая колонка. Тут кварки, u- и d-кварки, из них сделаны протоны и нейтроны. Вот ту два кварка — верхний и нижний, их называют «up» и «down», здесь — электрон, есть еще частица — нейтрино, я о ней, может быть, немного расскажу. Все, что вокруг нас — это вот тут, больше нам ничего не нужно. Но природа почему-то сделала еще одну копию и еще одну. Если мы движемся в этом направлении, то оказывается, что каждая последующая частица ничем не отличается от предыдущей, кроме массы. Например, возьмем этот электрон, а вот это — мюон. У него все те же самые свойства, который у этой частицы, просто он в 200 раз тяжелее. А вот это — частица τ (тау), она еще в 300 раз тяжелее. Спрашивается, зачем природе это нужно? Еще возник вопрос: а вообще сколько этих копий? Исторически так и получалось — что эти копии набирались постепенно.

Еще пара слов о том, что изображено на слайде. Это — поколения. Первое, второе и третье. Это как бы материальные частицы, из них все сделано. На самом деле все сделано только из первого поколения. Но кроме этого есть так называемые силы. На обыденном уровне мы понимаем, что сила на что-то действует, что-то толкает, притягивает. Но на самом деле есть как базовые, фундаментальные силы, так и силы вторичные. Например, сила трения — это вторичная сила. И оказалось, что базовых сил очень мало, их еще называют фундаментальным взаимодействием. И оказалось, что сила связана с другими элементарными частицами. Сила — это есть обмен частицами. И таких вот базовых сил — четыре или пять, как считать. Вот тут частицы, которые переносят силы — вот это вот фотон переносит электромагнитное взаимодействие, глюон переносит сильные, вот эти частицы, их называют промежуточные векторные бозоны, они переносят слабые взаимодействия, это вот хиггсовский бозон и гравитоны. И вот это — материальные частицы, а это — частицы, переносчики сил. На самом деле, этот «зоопарк» очень маленький.

Так вот, возвращаясь к поколениям — как их открывали? Вот кварки. Сначала было три кварка, и люди думали, что все состоит из трех кварков. К первым двум — u- и d- — добавился еще один, он был очень странный кварк, его так и назвали «странный кварк». Вообще, кварковая модель была рождена людьми, которые любили не только физику, но и вообще культуру. Термин «кварк» возник из творчества Джеймса Джойса — в «Поминках по Финнегану» были строчки «Три кварка для мастера Марка, / Три кварка, три кварка, три кварка». Напоминает совсем другое, правда? Другой автор модели назвал их «тузами». И было как раз «три карты, три карты, три карты». Было «три туза», но прижилось «три кварка». Кстати, эту работу не опубликовали в журнале, сказав: «Что это за карточная игра?»

Так вот, было три кварка, и все было прекрасно, пока не открыли четвертый, с-кварк. Его назвали «charm» — «очаровательный» или «очарованный» кварк. И тогда на ум пришли другие литературные строчки, уже из Мандельштама: «Играй же на разрыв аорты / С кошачьей головой во рту, / Три чорта было — ты четвертый, / Последний чудный чорт в цвету». Последний очарованный цветной кварк.

Никита Белоголовцев:

— Здесь хочется спросить после этого фантастического литературного буйства: кто же был тот зануда, кто развал «верхний» и «нижний» кварки?

Дмитрий Казаков:

— Просто, чтобы их как-то различать. Один — верхний, другой — нижний. А потом началось это буйство. После четвертого «очарованного» пятый назвали «бьюти» или «bottom». А последний назвали «Т», или «top», или «truth». Вот они тут, все шесть. Эти кварки принадлежат к трем поколениям. Они абсолютно одинаковы, кроме массы. Массы у них различаются колоссально, кстати сказать. Последний кварк открывали и закрывали несколько раз, потому что все думали, что вот-вот откроем, и никак не могли открыть, пока не построили специальный ускоритель в Америке, с которым его все-таки открыли. Данилов как раз про это рассказывал. Но я все про другое: зачем природе это все нужно? Эти три поколения кварков? И нет ли четвертого и пятого, и вообще — как это все устроено? Надо сказать, что у лептонов история похожа. Лептоны тоже находятся в разных поколениях. Это электрон, мюон и таон. И есть три нейтрино. Нейтрино — это частица — партнер электрона, такая неуловимая, с очень маленькой массой, про которую мы не знаем, какая она. Эту неуловимую частицу придумали, чтобы не нарушать закон сохранения энергии. Просто придумали, что есть такая частица. Вообще, в те времена, 1930-е годы, ввести новую частицу в обиход — это было безумием. А сейчас — сколько хочешь можно такого делать. Вообще, совершенно поменялся подход к этому делу.

Так вот, нейтрино, которые раньше не могли наблюдать, а сейчас наблюдают, оказалось, что их тоже три. Все замкнулось. Три поколения кварков, три поколения лептонов. Кстати сказать, нейтрино, вроде бы никому не нужное, оказалось чрезвычайно важно для нас с вами. Потому что ядерные процессы в Солнце, благодаря чему Солнце горит, идут благодаря нейтрино. Оказалось, все в тему.

Любопытно посмотреть, как эти частицы экспериментаторы открывали и что предсказывали теоретики. Надо сказать, что с-кварк, открытый в 1974 году, был совершенной неожиданностью, ни один теоретик просто так его не предсказывал. Хотя были те, кто говорил, что с тремя кварками дело не пойдет, теория будет плохой. Почему «плохой» — я еще поговорю.

А дальше началось: одно открытие за другим. 1974, 1977, потом потребовалось почти 20 лет, чтобы «достать» до тяжелого кварка. А последняя частица открыта в 2000 году — прошлый век завершился с открытием всех частиц.

А переносчики взаимодействия — вот они, это частицы нового века. Фотон мы всегда знали, гравитон до сих пор не открыт, и вот хиггсовский бозон. Это частица нового века. С ее открытием говорят, что мы открыли все, что есть. Но всегда стоял вопрос: а может, есть какие-то новые частицы, которые еще почему-то не открыты? И тогда теоретики задумались — может, есть какой-то принцип, который говорит: «Частиц должно быть столько-то». Вообще, когда создается теория, она создается не с бухты-барахты, а из каких-то принципов. Например: экспериментально мы знаем, что электрический заряд сохраняется. Если происходят какие-то процессы, то заряд никуда не девается, атом нейтрален. У него заряд протона компенсируется зарядом электрона. И мы знаем, что атом как был, так он и есть, никуда этот заряд электрический не убегает. Заряд — это сохраняющаяся величина, это экспериментальный факт. Спрашивается, можно ли придумать принцип, который объясняет, почему электрический заряд сохраняется и из этого принципа что-то предсказать? Оказалось — да, и очень просто. Из курса школы вы знаете, что есть комплексные числа. Знаете?

Никита Белоголовцев:

— Аккуратно отвечу — ну да…

Дмитрий Казаков:

— Комплексное число можно записать как модуль и фазу. Оказывается, что в физике наблюдаются только модули. Квантовая механика, которая пришла на смену классической, сказала нам, что амплитуда вероятности процесса есть квадрат модуля волновой функции. Надеюсь, что эти научные термины не страшные. Так вот, модули наблюдаются, а фаза не наблюдается. Это означает, что если вы меняете фазу, это никак не сказывается на наблюдаемых. У нас есть некий принцип, состоящий в том, что нужно построить такую теорию, в которой можно менять фазу — это некое преобразование — не меняя наблюдаемых. Что значит, что вы меняете фазу? Это значит, что эту фазу можно менять по кругу, это такая периодическая функция. У нас наблюдается, выражаясь научным языком, инвариантность наблюдаемых относительно изменения фазы по кругу. Изменения по кругу — это группа симметрий, опять же научный термин. Это преобразования движения по окружности, от них ничего не зависит. Отсюда следует, что надо написать такую теорию, в которой можно делать эти преобразования и ничего не будет меняться в уравнениях. Зададимся вопросом: давайте потребуем, чтобы сохранялся электрический заряд, то есть чтобы была инвариантность относительно изменения фазы, потребуем, чтобы наша теория в пределах маленьких скоростей не противоречила обычным уравнениям Ньютона F = ma. Потребуем, чтобы специальная теория относительности выполнялась. Эти три принципа туда заложены. Спрашивается, можно ли написать теорию? Говорю — да, это теория Максвелла. Он выводил ее довольно сложно, обобщая все эксперименты, какие-то конструкции рисовал… Теперешний молодой человек может сказать: нет, давайте потребуем, чтобы работали уравнения Ньютона, чтобы специальная теория относительности работала и чтобы относительно этой фазы ничего не менялось. И пожалуйста — вот вам сходная теория Максвелла. То есть принцип, заложенный в этом, выдает нам сразу уравнение и строит нашу модель. Сохранение электрического заряда — это есть следствие этой инвариантности относительного движения по кругу. То есть мы заложили инвариантность, получили сохранение заряда. Стандартная модель вся построена так. Только мы ее обобщили. Мы сказали: не только электрический заряд сохраняется, сохраняются еще и другие заряды, которые связаны с другими видами взаимодействия частиц друг с другом. И все они построены по этому принципу. Все они инвариантны относительно какого-то преобразования. Только преобразование чуть-чуть более сложное. В случае, например, слабых взаимодействий это не один круг, а как бы три преобразования. А в случае сильных взаимодействий — восемь преобразований. Значит, ключевым вопросом становится: а какие преобразования выбрать? И априори это непонятно. И вот теоретики ломают головы, предлагают разные варианты, а потом пытаются сделать расчеты, чтобы проверить выводы. И если они совпадают с экспериментом, говорят — да, мы угадали, все правильно. Стандартная модель так и рождалась: пытались подбирать разные преобразования, говоря строгим языком — группы преобразований, чтобы построить теорию элементарных частиц. Стандартная модель элементарных частиц основана на трех видах взаимодействий — сильном, слабом, электромагнитном, — каждое из которых описывается определенной симметрией. Вообще, язык симметрии — это главный язык, который используется физиками элементарных частиц. Слово «симметрия» бытовое, вы можете смотреть симметрию отражений, например. В зеркале мир такой же, как не в зеркале? Кстати, вопрос к вам: если поставить зеркало, там такой же мир или нет?

Ответ из зала:

— Нет.

Дмитрий Казаков:

— Правильно, оказывается, электромагнитные взаимодействия — такие же, что в зеркале фотон летит, что не в зеркале, все то же самое. И сильные взаимодействия совершенно одинаковые. А в слабых взаимодействиях — нет, там частиц налево вылетает больше, чем направо. А в зеркале — наоборот. Оказалось, что зеркальный мир несимметричен. А кто бы мог подумать! Например, Ландау верил, что мир симметричен. А потом ему подсунули результаты эксперимента — смотри, не симметричен! Он думал пару дней и придумал: «Знаю, что надо сделать! Надо в зеркале частицу заменить на античастицу. И все будет симметрично». Когда в зеркале отражение то же самое, это называется четностью. А мир оказался нечетным. А вот если заменить частицу на античастицу, тогда все будет так. Это называется комбинированная четность. Но эта хитрость с частицей и античастицей прожила недолго, экспериментаторы пришли и говорят: «Нет, и это нарушается!» Вот, кстати, чего природе надо, почему она так все нарушает? Что-то ей не нравится. Но оказалось, что это важно для нашего с вами существования.

Так вот, про симметрию. Симметрия — это основа того, как мы все это пишем. И спрашивается: а все эти поколения, если я сказал, что есть поколения, может, тоже нужно придумать какую-то симметрию, которая сказала бы: да, для этой симметрии нужно, чтобы было три поколения, четыре. Мы говорим — глюон. Глюоны — это переносчики сильных взаимодействий. Их восемь штук. Почему столько? Потому что группа симметрий su(3), а оттуда сразу говорится — восемь штук. А вот фотон — один, потому что группа u(1) — все логично. А вот поколений — три. Спрашивается, нет ли такой симметрии, которая даст нам поколение? Не нашли. Сколько ни ищут — не получается. И получается, что экспериментаторы находят поколение, а теоретики сидят и репу чешут — как же так? И загадка остается: так сколько их? И оказывается, что это можно проверить.

Не знаю, стоит ли говорить про бозон Хиггса? Потому что, с точки зрения того как я рассказываю, он связан с тем, что группа симметрий нарушается. Оказывается, что наш мир не идеален. Наверное, это даже и неплохо — вроде все симметрично, но где-то немножко скособочено. Человеческий глаз так даже лучше смотрит, когда немного симметрия нарушена. На лицо вот так смотришь — вроде не симметрично, но что-то в этом есть. В природе на Модильяни похоже — что-то немного скособочено. И бозон Хиггса эту симметрию слегка нарушает. Оказалось, что это очень интересное явление, когда симметрия нарушается. Недаром Нобелевскую премию дали людям, которые это явление придумали.

Теперь — силы, которые есть в природе. Я говорил, что есть четыре силы: гравитация, электромагнитная, сильная и слабая. Теперь обмен хиггсовским бозоном тоже можно представить как некую пятую силу в природе. Люди иногда ищут разные силы в природе — и хиггсовский бозон играет большую роль в физике элементарных частиц, в частности, как и силы в природе.

А силы, как я сегодня уже говорил, это обмен. Представьте себе, что вы стоите и кидаете друг другу мячик. Если у вас легкий мячик — у вас слабое взаимодействие, мячик потяжелее — сильное взаимодействие. И частицы «кидают» друг другу «мячики» — кванты этих сил. И оказывается, что фундаментальные силы так устроены, и все проистекают из принципа симметрии. Все можно предсказать. Вот тут нарисованы пять этих сил в виде красивых картинок, которые называются диаграммы Фейнмана.

Вот эта желтая частица — частица материи, например, электрон. Они обмениваютсяфотоном. Вот так описывается электромагнитная сила. А если они обмениваются этими частицами — это слабое взаимодействие, а это — сильное. Видите, все устроено похоже, одинаковым образом. И оказывается, что это все, что есть в природе. Все многообразие явлений описывается такими простейшими картинками. На основе единого принципа все это достигается. Но мы все равно не ответили на вопрос: зачем природе понадобились эти копии? И оказывается, можно экспериментально проверить, сколько копий существует.

На ускорителе рассеиваются электрон и позитрон, они сталкиваются, и рождаются нейтрино — эти самые легкие частицы. И можно посчитать, сколько этих нейтрино рождается. Это связано с так называемой шириной распада, не буду объяснять, что это такое. И оказывается, что число рожденных частиц имеет определенную ширину. Вы измеряете ширину и получаете число рождающихся сортов нейтрино. Ширина имеет совершенно конкретный вид, который экспериментально находится. Получается, что поколений — три, и мы их все уже открыли. И четвертого нет. И теперь мы знаем, что их три, нет ничего дальше, и теперь возникает вопрос: как объяснить, что их три? Позже скажу, давайте прервемся.

Никита Белоголовцев:

— Хорошо! После этого блестящего выступления я не могу не задать вам вопрос. Мы знаем, что поколений три, мы заполнили недостающую клеточку, открыв в 2012 году бозон Хиггса. Понятно, что есть еще некоторые вопросы, мы поймем, наверное, когда— нибудь массу нейтрино, закроем недостающие клеточки. Но если мы понимаем модель, если мы понимаем, как оно работает, зачем нам изучать все это дальше? Для того чтобы удовлетворить любопытство в деталях, или мы ждем чего-то, что все равно изменит наше представление об этой науке?

Дмитрий Казаков:

— Прежде всего, если ничего другого не находится, а только уточняются детали, то это какой-то пессимистический сценарий, вроде как скучновато становится.

Никита Белоголовцев:

— Нет, можно же удовлетворенно выдохнуть, сесть и сказать, что мы все сделали!

Дмитрий Казаков:

— Можно, конечно, так сказать. Но для молодого поколения исследователей услышать «ребят, мы за вас все уже сделали» — это конец. Ну, мы думаем, конечно, что это не так. Почему мы так думаем? Те загадки, которые остались, вроде бы подсказывают нам, что это не конец. Забегая вперед, скажу, что самым сильным ударом по нам оказались данные, которые поступили лет пять назад, когда мы узнали, что есть темная материя, которой в четыре раза больше, чем обычной материи. И которая не вписывается в нашу Стандартную модель.

Никита Белоголовцев:

— Перед тем как перейдем к следующей части, вопрос, который и вас тоже, наверное, занимает, и он не может не возникнуть: есть ощущение, что чем больше узнают ученые о том, как все устроено вокруг нас, тем сложнее это хоть как-то использовать, и оно все больше и больше становится некоторой «вещью в себе». Если понятно, как жизнь человека могут менять какие-то базовые открытия, то чем дальше мы уточняем, например, Стандартную модель, тем больше стоит вопрос: а зачем мы это делаем и может ли в этом быть что-то еще, кроме удовлетворения человеческой жажды познания? Нет у вас ощущения, что чем дальше наука движется, она парадоксально становится тем более далекой и не такой, может быть, востребованной у 99% процентов человечества, которые этим не занимаются?

Дмитрий Казаков:

— Этот вопрос дискутируется все время, и на него трудно дать однозначный ответ. Я попробую дать несколько ответов. Первый ответ такой: предвидеть очень трудно, «как ваше слово отзовется». Когда делали опыты с электричеством, еще два века назад, никто не мог представить, что это такое. Есть известная история, когда к какому-то ученому пришли налоговики и стали спрашивать, чем это он тут занимается. А тот ответил, что, мол, погодите, вы с этого электричества еще будете налоги собирать.

Никита Белоголовцев:

— По-моему, это был Фарадей.

Дмитрий Казаков:

— В общем, кто-то из великих. Я хочу сказать, что неизвестно, чем это все отзовется. Когда рождалась квантовая механика, никто не мог подумать, что изобретут какие-то лазеры и так далее. Вполне может быть, что те открытия, которые сейчас кажутся никому не нужными, вскорости очень даже понадобятся. Во-вторых, это процесс познания, который движется любопытством людей. Мы же смотрим на галактики и не думаем, что это очень важно для нас, для того, как мы здесь сейчас живем. Нет, мы просто наводим телескопы и пытаемся понять, как это все устроено, потому что это чрезвычайно любопытно. Так же, как и микромир — он любопытен. Вообще, наукой движет любопытство, а не материальные выгоды. Это просто любопытно, и тогда вопрос «Зачем это нужно?» не ставится. Нет, я понимаю, что общество должно ставить перед собой такой вопрос: «Содержать ли этих ученых, которые такими делами занимаются?». Побочный продукт производства научного знания во много раз окупает затраты на содержание ученых. Я приведу пример: в Женеве работает огромнейший ускоритель. Вообще, там существует огромный международный центр ядерных исследований. ЦЕРН — это Европейская комиссия ядерных исследований, организованная в 1954 г европейскими странами, поскольку ни одной стране невозможно было это сделать в одиночку. Кстати, в 1956 году в СССР был организован аналогичный центр. Это Дубна, такой же международный центр, чуть-чуть с другими задачами, но очень близкими. Каждая страна платит часть своего валового продукта в ЦЕРН. Деньги уходят на постройку Большого адронного коллайдера, он стоит несколько миллиардов долларов. И выяснилось, что за время работы института побочный технологический продукт во много раз окупил бюджет этой организации. Потому что научные исследования всегда требуют прорывных технологий, они стимулируются — а раз так, то промышленность работает, и это все окупается. Так что не надо упрекать ученых, что они занимаются невесть чем. Но любопытство все равно движет учеными, и жизнь показывает, что сегодня об этом никто не знал, а завтра это уже становится совершенной реальностью в жизни. Например, темная материя.

Никита Белоголовцев:

— Прежде чем мы перейдем к разговору об антиматерии: понятно, когда вы отсылали нас к школьным знаниям, это всегда сложный для больших ученых момент, потому что никогда не известно, когда упадет планка и знания закончатся. Но тем не менее как вам кажется, наступят ли когда-нибудь времена и должны ли они наступить, когда бозон Хиггса, например, попадет в школьные учебники по физике или в учебники по теории познания? Или человечество — в широком смысле слова, обыватели — остановились на каком-то уровне представления о том, что вокруг, и дальше ему идти не надо, может, это лишнее?

Дмитрий Казаков:

— Ну, как же не надо. Сейчас в школе дети сидят и на кнопочки нажимают, а ведь раньше в школе по счетам учили. Все движется вперед, знания движутся.

Никита Белоголовцев:

— Это понятно! С появлением компьютеров или заменой старой черной доски на электронную современные дети не стали больше знать про устройство атома, вот я о чем.

Дмитрий Казаков:

— Люди, которые занимаются популяризацией науки, задумываются над тем, как должна меняться система преподавания науки в школе. Новые знания, которые достигаются, должны ли проникать в школьную программу? Ответ — да, должны. Хотя это очень трудно. Но необходимо. Потому что останавливать науку на том, что знали еще древние греки — что мир состоит из атомов, — это, извините, безнравственно по отношению к молодому поколению. Надо двигаться дальше. И это не только в физике. Вы же должны рассказывать про генетику? Надо же двигаться дальше. А вот как — это сложно.

Никита Белоголовцев:

— Иначе все боятся ГМО.

Дмитрий Казаков:

— Не знаю, чего они будут бояться, если не рассказывать. Говорить надо!

Никита Белоголовцев:

— Хорошо, давайте двигаться к антиматерии.

Дмитрий Казаков:

— Хорошо. Да, я еще забыл сказать, что число поколений можно вычислить, наблюдая космический микроволновой фон. Оказывается, что из космологии тоже можно вычислить, сколько поколений Стандартной модели существует, и ответ — тоже тройка. Так что знания, которые мы приобрели, изучая рассеивания частиц на Большом адронном коллайдере и на его предшественнике — электрон-позитронном коллайдере, и знания из космологии сомкнулись на том, что этих поколений три.

Другая загадка — антиматерия. Раньше люди про это ничего не знали. Когда я говорю «раньше», это где-то 1900 год. Антихрист был, антиматерии не было. И английский физик Поль Дирак написал свое уравнение при описании электрона, оно называется «уравнение Дирака». Он написал это уравнение где-то в 1920 году и обнаружил, что нем есть решения с отрицательной энергией. Чего у частицы быть не может. И тогда он сказал, что это не частица с отрицательной энергией, а античастица. Он первым предсказал существование антиматерии, сказав, что есть античастица как решение уравнения, которое он написал для электрона. Сначала решили, что это протон. Потому что у электрона электрический заряд «минус», а у протона — «плюс». Но другие умные люди сказали — нет, это не протон. Потому что у частицы и у античастицы одинаковая масса, если выполняются некие базовые принципы. Протон не годится. Стали искать, и в 1931-м был открыт позитрон, античастица к электрону. И потом поняли, что у всех частиц есть античастицы, это общее свойство. Тогда возникает вопрос: а куда это все подевалось? Почему мы с вами не видим античастицы? Можно сказать, что, может быть, мы их видим, но не обращаем внимания? Я возражу: нет, мы их не видим. Потому что если частицы и античастицы друг с другом встретятся, то они с помощью магнитного взаимодействия провзаимодействуют и превратятся в фотоны, ничего больше не останется. Возникнет колоссальная вспышка света. Поскольку мы этих вспышек не наблюдаем, то это означает, что мы не наблюдаем античастиц. А уверены ли мы, что они все-таки есть в природе? Конечно, уверены. На ускорителях мы все время их наблюдаем, и из космоса к нам летят космические лучи, где полно частиц и античастиц. Все это есть. Но мы с вами, мир вокруг — все состоит только из частиц. Никаких античастиц здесь не наблюдается. И возникает вопрос: если теория их предсказывает, и они наблюдаются в разных космических лучах, то почему вокруг нас их нет? Куда они подевались все, где антиматерия?

Никита Белоголовцев:

— Провоцируете задать драматически вопрос: «И где же они?!»

Дмитрий Казаков:

— Да, и где же они? В стандартной модели должны быть антикварки, антилиптоны, должна быть зеркальная симметричная картинка. А что мы знаем про кварки? Они образуют протоны, а протоны образуют атомные ядра. Значит, если у нас есть антикварки, они должны образовывать антипротоны, а антипротоны должны образовывать антиядра, и должны быть антиатомы, антилюди, антиземляне, анти— Солнце… Но их почему-то нет. И куда все подевалось?

Если мы говорим, что при столкновении частицы и античастицы получается фотон, то во Вселенной можно оценить число фотонов и число частиц материи и посмотреть, какое между ними соотношение. Это число является загадкой, его толком никто объяснить не может.

Возможны два ответа на вопрос, куда все подевалось. Один ответ такой: материя полетела туда, а антиматерия полетела туда. Наш мир состоит из материи, а где-то там он состоит из антиматерии. И вроде все ничего, но вопрос такой: «А что, они никогда не встречаются друг с другом в космосе? А что было бы, если антиЗемля встретилась бы с Землей?» Ну, был бы сумасшедший взрыв. А мы его не наблюдаем. Объяснить, что все это разлетелось так, что теперь не встречается, тоже довольно странно.

Поэтому физики принимают такое объяснение: когда произошел Большой взрыв и рождались частицы, то по какой-то причине число родившихся частиц и античастиц не равнялось друг другу. Потом они встречались друг с другом, аннигилировали, но, поскольку их было не одинаковое число, то какое-то количество осталось. И мы — это то, что осталось. Как в песне: «Потому что на десять девчонок по статистике девять ребят». На десять частиц — девять античастиц, одна частица выжила.

Никита Белоголовцев:

— А почему космические лучи приносят нам остатки антиматерии?

Дмитрий Казаков:

— Когда частицы сталкиваются, они опять рождаются, частицы и античастицы. Точно так же как и на ускорителях. Но в совершенно мизерных количествах.

Никита Белоголовцев:

— И вот эти остатки и долетают в космических лучах?

Дмитрий Казаков:

— Они долетают, но могут родиться где-то в другой галактике и прилететь сюда. Земля состоит из огромного количества частиц, но здесь нет античастиц. Есть остатки. Интересно посчитать: экспериментально известно, что во Вселенной приблизительно 400 фотонов в кубическом сантиметре. А барионов — это протоны и нейтроны по сути дела –0.25*10^{— 6}. То есть в одном кубическом сантиметре — одна миллионная. Число фотонов — огромное, число барионов — очень мало. То, что у нас здесь сконцентрированы эти атомы, означает, что остальная Вселенная пустая. Потому что Солнце, планеты, газ, водород, который занимает межгалактическое пространство, по отношению ко всему объему Вселенной — это совершенный мизер.

Никита Белоголовцев:

— Правильно ли я понимаю, что вы толкаете меня, а я упираюсь, к выводу: материи и антиматерии было невероятно много, и она аннигилировала в каких-то невероятных масштабах?

Дмитрий Казаков:

— Совершенно верно.

Никита Белоголовцев:

— А симметрия была какой-то крохотулечной?

Дмитрий Казаков:

— Дисбаланс между материей и антиматерией — одна на 10^{— 10}. Я забыл, как это число на человеческом языке называется. Меньше миллиардной. Оказалось, что такая вот вещь произошла. Спрашивается: как природа с такой точностью организовала такой дисбаланс между материей и антиматерией? Откуда вообще взялся этот дисбаланс? По идее, Стандартная модель должна ответить на этот вопрос. Как материя и антиматерия стали вести себя по-разному? Над этой проблемой многие думали и думают. Про некие условия первым написал Андрей Дмитриевич Сахаров в 1967 году. Он сказал, что для того, чтобы материи и антиматерии стало неодинаковое количество, нужно, чтобы выполнилось одно из условий: чтобы во Вселенной нарушилось тепловое равновесие. Что это такое? Когда все остывает или нагревается, одинаковые процессы идут и туда и сюда. Если какое-то превращение идет в одном направлении, то и в обратном оно идет. Пока есть тепловое равновесие, то все идет во всех направлениях. Это называется инвариантность относительно обращения времени. Эта симметрия по отношению ко времени должна нарушиться. Второе условие, о котором он сказал: должно не сохраняться барионное число. Действительно, если бы число барионов и антибарионов было одинаковым, ничего бы не произошло. Но это перекос какой-то будет. А в стандартной модели барионное число сохраняется. И мы не понимаем, почему. Ведь надо, чтобы нарушалось. То есть чего-то не хватает. И третье условие, которое придумал Ландау: нарушение этой комбинированной симметрии. Надо, чтобы она тоже нарушалась. И эксперимент говорит, что она таки нарушается. И как бы это осмыслить и описать? Нужно выполнение этих трех условий, чтобы была барионная асимметрия Вселенной, которая есть, никуда не денешься. Но думается, что ответ на эти вопросы лежит не в стандартной теории, а в теориях, которые идут гораздо дальше, чем она. Эти теории называются красиво: теории Великого объединения.

Кто с кем объединяется? Максвелл объединил электричество и магнетизм, сказав, что это одна сила и называется она электромагнитной силой. Еще у нас есть слабые и сильные взаимодействия. Люди думают о том, что раз они построены по единому принципу, неплохо было бы, чтобы они тоже объединились. В единую силу. А дальше мы думаем, что еще неплохо с гравитацией объединиться. И чтобы вообще возникла единая теория всех сил. И в этой теории, которая все объединяет, все условия выполняются: барионное число не сохраняется, комбинированная четность нарушается, и интересно, как это все проявляется на ускорителе, когда мы пытаемся найти ответ на вопрос — есть ли теория общего объединения? Оказывается, что мировые константы, с которыми мы привыкли иметь дело, в физике элементарных частиц не являются константами. Потому что их надо измерить, а измерять надо при определенных условиях, и это зависит от того, как мы функцию измеряем. И получается, что вместо констант у нас получаются функции, которые зависят от того расстояния, на котором мы измеряем. А то, что мы называем константами, есть их значение в какой-то точке. Ну, вот так все устроено, что у нас есть всякие кривые. И всякое взаимодействие характеризуется силой этого взаимодействия, мы это называем константой взаимодействия. Эта константа именно такая, зависит от того, с какого расстояния мы ее померили. И очень интересно построить график того, как она меняется в зависимости от расстояния. И константы трех взаимодействий здесь нарисованы: это взаимодействие сильное, это — слабое, а это — электромагнитное. Если их измерять на таком вот расстоянии, а потом двигаться вглубь, на все меньшие расстояния, то они начинают двигаться и потом объединяются в одну точку. Это мы можем теоретически рассчитать и это можно экспериментально проверить. И получается, что все константы трех взаимодействий, сливаются в одну точку, что говорит нам о том, что, может быть, это просто есть единая сила? А потом она расщепилась? Как ветка дерева, когда вы от ствола двигаетесь к листьям и мелким веткам, а можете от листьев двигаться к стволу. Так вот, мы пытаемся двигаться к стволу и найти эту единую силу.

Никита Белоголовцев:

— Я правильно понимаю, что нахождение этой единой силы позволит смоделировать ситуацию Большого взрыва?

Дмитрий Казаков:

— Энергия, при которой это происходит, или расстояние, это уже почти расстояние или почти энергия, где происходил Большой взрыв. Осталось дотянуться еще пару порядков. Конечно, на ускорителе до таких энергий не дотянуться, поэтому, если мыслить себе такие энергии, то только во Вселенную надо идти. Но сам факт наличия такой единой теории говорит о том, что у нее есть экспериментальные следствия. И таким экспериментальным следствием является распад протона. Оказывается, протон, из которых мы с вами сделаны, в этих теориях распадается. Распадается, но живет примерно 10³² лет. Для сравнения: возраст Вселенной — это примерно 10⁹ лет. То есть он живет — можно не беспокоиться.

Никита Белоголовцев:

— Небольшой запас у нас есть.

Дмитрий Казаков:

— Да. Но как это проверить, ведь ждать 10³² лет невозможно, правда, пока этот протон распадется? Поэтому поступают другим образом: берут 10³² протонов — весь этот зал если наполнить водой, то столько протонов в нем и будет — и за год должен распасться один. Мы берем бочку размером с этот зал, наливаем чистейшей воды, обкладываем детекторами и год ждем, и смотрим, чтобы один распался. Он распадается на пи-мюзон и позитрон, а это — бочка. Я в ней стою внутри. Эта бочка закопана глубоко под землю в Японии, 40 метров в высоту, 15 в диаметре, туда налита чистейшая вода, японцы искали там распад протонов — и можете себе представить, не нашли! Зато они нашли там нейтринные осцилляции и получили Нобелевскую премию, тоже неплохо. Теперь хотят бочку сделать больше, время жизни отодвинуть.

Никита Белоголовцев:

— Дмитрий Игоревич, вопрос: если мы предполагаем, что все протоны появились более-менее в одно время, то у них и «срок годности» должен истекать более-менее в одно время?

Дмитрий Казаков:

— Нет, ну это же законы квантовой механики, есть только вероятность распада. «Время жизни» — это как у радиоактивных элементов, есть только вероятность распада. Это то время, за которое статистически должна распасться половина того, что есть. Мы можем говорить только о вероятности. Половина того, что есть, распадается. Это называется период полураспада. Время жизни — это период полураспада. Так что это было бы прямым подтверждением теории Великого объединения, но такого подтверждения не получилось.

Теперь про Стандартную модель хочу сказать. В Стандартной модели нужно, чтобы нарушалась комбинированная четность. И оказывается, что в Стандартной модели она нарушается только в одном месте. Когда заряженные частицы друг с другом взаимодействуют с помощью слабых взаимодействий, то они обмениваются так называемыми w- и z- бозонами. И происходит так называемое «перемешивание» — они начинают переходить один в другой, а формулы перехода выражаются через синусы и косинусы, такая простая формула. Синусы и косинусы — это какие-то функции. И оказалось, если предположить, что поколений не одно, а два или три, то матрица перемешивания все время увеличивается. И оказалось, что, начиная с третьего поколения, в этой матрице появляется некий комплексный параметр — фаза.

И эта фаза приводит к нарушению комбинированной четности. Нарушение происходит в третьем поколении. Это один из вопросов — зачем нам нужны эти три поколения. А чтобы комбинированную четность нарушить. Чтобы мы с вами жили. Если бы она не нарушилась, то не было бы барионной асимметрии Вселенной, все бы аннигилировало, и нас с вами тут бы не было. Так что, может быть, три поколения природа придумала таким хитрым образом. Кстати сказать, за эту матрицу люди тоже Нобелевскую премии получили.

Никита Белоголовцев:

— Тоже японцы?

Дмитрий Казаков:

— Тоже японцы. Ну, со второй загадкой я закончил. Повторяю, что попытка объяснить барионную асимметрию Вселенной приводит к тому, что, по всей вероятности, Стандартная модель все-таки недостаточна, нужно что-то новое. И вот это новое мы пытаемся найти. Попытка найти распад протона — один из примеров того, что люди пытаются найти. Но есть и другие следствия этих теорий, они очень интересные, но очень трудно экспериментально подтверждаемые, поскольку новые частицы, которые предсказываются этими теориями, очень тяжелые.

Никита Белоголовцев:

— Позвольте несколько простых вопросов и один сложный? Простые вопросы о популярных заблуждениях и о мыслях, которые возникают у обывателей всегда, когда они слышат об антиматерии в тех или иных ситуациях. Вопрос такой: не подходит ли человечество к какой-то опасной грани, за которую нельзя заступать? Это же сейчас мы можем производить какое-то очень малое количество антиматерии, но ведь может быть, очень скоро мы можем подойти к ситуации, когда произведем больше антиматерии и поставим себя на грань исчезновения? Насколько такие взгляды далеки от реальности?

Дмитрий Казаков:

— Когда наука развивается и создает что-то такое грандиозное, то каждый раз такие вопросы возникают.

Никита Белоголовцев:

— Но ведь эти вопросы не беспочвенные. Изобретение пороха, например, не давало человечеству возможности уничтожить себя целиком.

Дмитрий Казаков:

— Ну да, а потом химики придумали отравляющие газы, а ядерное оружие поставило всех на грань уничтожения. Иногда спрашивают, можно ли из кварков сделать бомбу похлеще водородной? Если рассуждать формально, то мы считаем, что энергия, которая заключена, скажем, в атомном ядре — она связана с энергией связей частиц в атомном ядре. В протоне кварки связаны еще сильнее, то есть там еще больше энергии заключено. Если ее оттуда освободить — вот вам еще новый источник.

Никита Белоголовцев:

— Здесь вопрос не в целенаправленном создании оружия на основе законов микромира, а в том, можно ли создать условия в процессе изучения, которые будут потенциально опасны для существования Вселенной?

Дмитрий Казаков:

— Ну вот мы сталкиваем на Большом адронном коллайдере два протона с колоссальной энергией. Они сталкиваются — и рождается масса всяких частиц. Мы как бы разбиваем этот протон, освобождаем эту энергию. Спрашивается, не может ли она высвободиться так, что будет неконтролируемой? Нет. Такого не происходит и не может произойти, потому что по закону сохранения энергии сколько вложили, столько и получили, тут природу обмануть нельзя. В этом смысле от того, что на коллайдере мы что-то сталкиваем, — если законы, которые мы знаем, правильные, а нам кажется, что они правильные, — ничего такого родиться не может. Недавно, когда БАК запускали, говорили, что родятся черные дыры, поглотят Землю и прочее. Надо сказать, что ученые восприняли этот вопрос всерьез. Стали делать расчеты и смотреть, что там может родиться. Существующие теории говорят о том, что никаких черных дыр там родиться не может. Но была идея, что, может быть, есть некие более интересные теории, которые могут привести к рождению этих самых дыр. И в этих теориях ученые попытались сделать расчеты и выяснили, что даже если в эти теории и поверить, то все безопасно. Все под контролем, и бояться нечего. Но, вообще говоря, познавая природу, мы можем наткнуться и на неожиданность. Поэтому, конечно, все делается аккуратно.

Никита Белоголовцев:

— Второй из простых вопросов: после создания Большого адронного коллайдера у обывателей стала популярной точка зрения, что надо просто подождать, будет построен еще Гигантский адронный коллайдер, научимся делать более четкие детекторы, сильнее сталкивать и рано или поздно все поймем. Вопрос только в том, как будут развиваться технологии. Вот здесь где ошибка?

Дмитрий Казаков:

— Современная ситуация в физике элементарных частиц такова, что, действительно, прогресс сейчас двигают технологии. Всяких теоретических идей насчет того, что можно смотреть и что могло бы там быть — их хватает, вопрос упирается в то, что можно совершить технологически. Кстати, насчет коллайдеров: сейчас работает Большой адронный, он — самый большой из существующих в мире, но уже сейчас обсуждается постройка ускорителя в несколько раз большего. У БАКа энергия 13 тераэлектронвольт, а в обсуждаемом — 50 и 100. Есть такой комитет по будущим ускорителям, они регулярно обсуждают разные вопросы, так вот сейчас обсуждают технологическую возможность постройки на 50 и на 100. Кроме этого, есть высокоточные эксперименты под землей, есть неускорительные эксперименты в космосе. Все движется технологиями. Но если говорить об идейной стороне этого дела, то ведь может так оказаться, что вы построите какую— нибудь установку, а она ничего не найдет. Сейчас с Большим адронным коллайдером происходит интересная ситуация: его только-только запустили и открыли бозон Хиггса. Был всеобщий восторг, и все говорили, что следующим шагом будет открытие суперсимметрии. Но ее нет. И ничего нет. Если строить новый ускоритель, то на какие энергии его строить и что он должен открыть? Затратить 10 миллиардов долларов и ничего не открыть? Очень обидно.

Никита Белоголовцев:

— Да уж. Теперь философский вопрос: меня всегда занимало, как устроен мозг ученых? Они же ежесекундно отвечают на вопросы «как?» и «каким образом?». «Где нарушилось барионное число?», «Какие условия должны соблюдаться для того, чтобы оно нарушилось?», «Какое соотношение фотонов к барионам?» и так далее. Но при этом у ученых получается избегать вопроса «почему?». «С какой стати оно произошло?», «Почему оно вообще так начало происходить?». Скажите, вы действительно умеете этого вопроса избегать или он у вас возникает, но на него невозможно ответить? Как можно думать о возникновении Вселенной и просчитывать миллионы сценариев, не задавая себе вопрос «Почему она вообще возникла?»

Дмитрий Казаков:

— Почему возникла Вселенная? На это я отвечать не буду. А вот вопрос «Почему Стандартная модель устроена так, как она устроена?» мы, конечно, пытаемся себе задать. То есть когда мы пытаемся написать какую-то теорию, мы пытаемся сформулировать принцип, который либо подтвержден экспериментально, либо эстетически привлекателен. Например, вся электродинамика Максвелла следует из принципа инвариантности относительно независимости от фазы. Вы можете назвать это эстетическим аргументом, что от фазы не зависит, но из одного этого принципа раскручивается вся теория. Если мы сумели углядеть, понять какой-то принцип, то ответ будет «потому что вот такой принцип, из него все раскручивается». Почему стандартная модель такая? Что-то из принципа, а что-то нам подсказывает эксперимент. Если есть выбор — такой, такой и такой варианты, то эксперимент подсказывает, какой же вариант. Иногда мы и сами понимаем, почему такой, а иногда не понимаем, тогда обращаемся к эксперименту. Вообще, мечта теоретика — из какого-то единого принципа вывести ВСЕ! Даже если вычисление очень трудоемко. Но так не получается. Есть вещи, которые неизвестно откуда следуют. Вот мы пытаемся понять, почему три поколения, но пока не можем. «Почему?» — самый сложный вопрос, потому что «Как?» — это все-таки технический вопрос.

Никита Белоголовцев:

— Да, вопрос «Почему?» рано или поздно приводит в философию.

Дмитрий Казаков:

— Знаете, мы ведь пытаемся понять, как устроена природа. Был такой гениальный физик Ричард Фейнман, в СССР были изданы «Феймановские лекции» по физике. И он написал автобиографическую книгу «Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?». В книге есть такой эпизод: он сидел в каком-то захолустье на съемной квартире и думал о том, как устроены слабые взаимодействия.

Никита Белоголовцев:

— Ну да, что еще делать физику в захолустье?

Дмитрий Казаков:

— Да. Там уже было понятно, какое взаимодействие, но не понимали, какой стоит оператор. И был выбор из четырех операторов. Экспериментаторы говорили то так, то так. И вдруг его осенило! Еще у него была квартирная хозяйка, которая все время предлагала ему что-то сделать. А он выгонял ее, потому что ему нужно было до конца осознать, что он надумал. И он писал: «И я понял, что я — единственный человек в мире, кто сейчас это понял, кого осенило. Только я!» Правда, потом оказалось, что одновременно и другой человек это тоже понял.

Никита Белоголовцев:

— Возможно, у него не было такой квартирной хозяйки.

Дмитрий Казаков:

— Наверное. Вообще, я его понимаю — иногда, когда я решил задачу и понимаю, что никто больше сейчас этого не сделал, ощущение просто фантастическое!

(Аплодисменты.)

Никита Белоголовцев:

— Давайте еще немного о ваших фантастических чувствах? Несколько фактов о Дмитрии Казакове, прошу вас!

Мария Блохина:

Факт первый: Дмитрий Казаков не просто увлечен наукой, он живет в ней, это его жизнь, а не профессия.

Факт второй: ученый получает удовольствие от занятия наукой, но также он умеет получать истинное удовольствие и от жизни. Когда он с коллегой физиком Михаилом Даниловым вместе бегает на лыжах или спускается с гор по целине, то испытывает огромное наслаждение, а бутылка хорошего и тонкого вина повышает этот интерес к жизни.

Факт третий: Дмитрий Игоревич считает, что наука позволяет ученым прожить несколько жизней, ибо они работают и живут в разных странах, что позволяет наблюдать многообразие мира, богатство природы и культуры. Ученый уверен, что наука — это способ познания тайн природы, а что может быть более притягательным, чем тайна!

Никита Белоголовцев:

— Предлагаю на этой возвышенной ноте переходить к финальному лекционному фрагменту.

Дмитрий Казаков:

— Последняя загадка, о которой я хочу сегодня поговорить — это загадка темной материи. Еще лет 5–6 лет назад о темной материи было известно, но широко она не обсуждалась. Вся идея о том, что есть темная материя, зародилась в 1934 году. Как говорил Райкин, «один чудак» наблюдал движение галактик в скоплениях и говорил, что галактики движутся слишком быстро. Это свидетельствует о том, что надо предположить существование темной материи. Этого чудака звали Цвикки, такой швейцарский астроном, который переехал потом в США. Особенно его никто не слышал, пока факты не начали постепенно накапливаться. Оказалось, что движение небесных тел, которые астрономы хорошо знают — звезд, галактик — описываются обычными уравнениями Ньютона, которые в школе изучаем. Никакая теория относительности, особенно в этом месте, неважна, потому что это медленное движение небесных тел. Но оказалось, что они движутся немного быстрее, чем дают эти уравнения. И тогда заговорили, что либо надо менять уравнения Ньютона, либо надо добавить немного материи. И появилась идея, что надо добавить темную материю. Но никто не знал, сколько надо этой материи. И это долго продолжалось, пока не стали изучать тепловые флуктуации микроволнового космического излучения. Вот эту таблицу иногда называют «Энергетический пирог Вселенной».

Вот это — вся энергия Вселенной. Красная — это обычная материя, в основном, водород и гелий, который есть в природе. Планеты тут вообще никакой роли не играют. Видно, что этот маленький фрагментик — около 1% — тут звезды, нейтрино, некие тяжелые элементы. А вот 25% — это темная материя. Это следует из данных по космическому микроволновому излучению. И вот тут народ всерьез задумался. Если этой материи раз в 5–6 больше, чем обычной материи, то что же это такое? В Стандартной модели, которую мы изучали, таких частиц нет. А почему? Вообще, что такое темная материя? Это материя, которая не светит. Не испускает свет, как обычная материя. Мы не можем ее видеть путем излучения света. В Стандартной модели все частицы имеют электрический заряд. А раз так, то они испускают свет. Исключения составляют нейтрино, но они очень легкие и этой материи составить не могут. Кроме этого, частицы из этой материи должны выжить со времен Большого взрыва, они не должны распадаться. Вы можете сказать — а вот хиггсовский бозон? Свет не испускает, нейтральная частица. Но он распадается в доли секунды, а нужна стабильная нейтральная частица. Такой частицы в Стандартной модели нету. Поэтому — вроде мы все описали, но описали всего лишь процентов пять материи во Вселенной, а еще 25% не описали.

Скажу еще о том, как наблюдают темную материю. Наблюдают ее гравитационными эффектами. Вот на графике отложены расстояния от центра Галактики в килопарсеках. Для сравнения: Солнце находится от центра Млечного Пути примерно в восьми килопарсеках. Если бы работали стандартные законы Ньютона, то скорость движения звезд должна была бы описываться такой кривой. А экспериментальные точки почти выходят на так называемое «плато» — плоскую кривую вращения звезд. Возникает вопрос: в чем же дело?

Объяснить это расхождение можно, если предположить, что внутри галактики есть темная материя. Вот это наша галактика, спиральная, как Млечный Путь, а вокруг нее — «гало» из темной материи, где бегают ее частицы. И они давали бы такой эффект. И оказалось, что тысячи и тысячи галактик всюду ведут кривые таким образом. И, если предположить существование темной материи, то все эти кривые хорошо описываются. Кстати сказать, для галактик это справедливо, а вот наши планеты, которые вращаются вокруг Солнца — тут никакой темной материи не нужно. Если использовать формулу «центробежная сила равна силе тяготения», то получается вот такая кривая, и все планеты Солнечной системы прекрасным образом ложатся на эту кривую.

Видите, оказывается, что в нашей Солнечной системе темная материя никакой роли не играет. А вот для галактики, для Млечного Пути, например, она играет очень важную роль — она способствует тому, что планеты вращаются так, как нужно. Вот эта кривая вращения звезд — это расстояние до центра галактики, это скорость, вот эта кривая. А вот эта звездочка — это наше Солнце. Оно вращается со скоростью 220 км/с. Для сравнения — Земля вращается вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Можно сказать, что 220 км/с — это быстро, но на самом деле это тихоходы. Потому что если сравнивать со скоростью света 300 тысяч км/с, то это просто стоять на месте. Вращение Земли хорошо описывается законом всемирного тяготения, а вот как вращается Солнце вокруг центра галактики, законом всемирного тяготения не описывается, потому что оно вращалось бы со скоростью 175 км/с, а оно вращается 220. Это объясняется наличием темной материи в нашей галактике. Вот нарисован как бы профиль ее, эти белые точки — это темная материя, а желтенькое пятнышко — это наше Солнце.

Находится на расстоянии 8 килопарсеков от центра. Вообще, наша галактика имеет такой вот вид — в середине такой шар, а дальше — диск. И Солнце где-то тут. Можно посчитать, исходя из этих кривых, какова плотность темной материи. Она оказывается такой, что на Земле в этой кружке будет 5 частиц темной материи. Зависит еще от массы частицы — если взять массу где-то в 100 протонов, то будет вот такой подсчет. Эти частицы нас пронизывают насквозь, и мы никак не можем их засечь. Вот так, считается, все устроено. Гало такое вокруг галактики, в нем эта частица живет, и она не может улететь из гало, потому что гравитация притягивает ее назад, и в то же время остановиться она не может, потому что для этого надо потерять энергию. А потерять энергию она не может, потому что для этого надо высветить фотон. А высветить она не может, потому что она темная. И вот эта бедняга носится по галактике со времени ее возникновения. На самом деле есть еще один хитрый эффект, который говорит, что есть темная материя: этот эффект называется линзирование.

Представьте, что перед вами находится темная материя и то, что за ней вы не видите, а за ней есть звезда. Но напрямую вы эту звезду не видите, потому что экранирует. Но путь света, который летит от этой звезды, искривляется согласно теории относительности. И он как бы притягивается этой темной галактикой. И вы видите что-то вроде кольца. Он как бы огибает эту темную материю. И получается такое как бы кольцо. Таких «линз» во Вселенной известно довольно много, и это тоже свидетельствует в пользу существования темной материи, ее гравитирующего характера и прочего, что есть. Предполагается, что поскольку темной материи по массе в пять раз больше обычной материи, то она сыграла важную роль в образовании галактик и их скоплений, вообще больших структур во Вселенной. Есть такая компьютерная симуляция — как это все образовывалось, вот был первоначальный горячий газ в момент Большого взрыва, и постепенно он дошел до образования таких структур.

И наша галактика — это одна из таких точек на этой диаграмме. И поскольку темной материи очень много, она в гравитации играет главную роль, то сначала эти структуры образовала темная материя, а потом обычная материя в эти ямы попадала. И мы в такой «яме» живем.

Но спрашивается, что же за зверь такой — темная материя и откуда она взялась? Есть два варианта: первый вариант — это какие-то очень большие тяжелые тела.

Потухшие звезды какие-то, что-то такое колоссальное, огромное. Но вроде бы таких объектов нет, мы их не наблюдаем. Тонкий вопрос, как их наблюдать, но консенсус в том, что их нет. А второй вариант — что это, наоборот, микрочастицы, которые носятся в этом самом гало. И если это микрочастицы, то возникает вопрос: что это за частицы? Поскольку в Стандартной модели просто так такой частицы нет, то люди придумывают разные объяснения. Вот тут они представлены, но мы не понимаем, правильно это или нет.

Эту частицу все ищут, разными способами: на ускорителях, под землей. И один из вариантов, что это так называемые суперсимметричные частицы. Потрачу пару минут на объяснение, что же это такое. Люди давно поняли, что все частицы, которые есть, можно квалифицировать, используя понятие собственного орбитального момента. Каждая частица — она вроде волчка, у нее есть свое вращение, оно называется спин. И оказалось, что все кварки и лептоны имеют один и тот же спин. Он равен ½ в единицах магнетона Бора так называемого. А все переносчики взаимодействий, наоборот, имеют целый спин — единицу. А хиггсовский бозон имеет нулевой спин. То есть все частицы делятся на частицы с целым спином и полуцелым спином. С целым спином называются бозоны, полуцелым — фермионы. И эти частицы ведут себя совершенно по-разному. Вся материя у нас — фермионы, а переносчики — бозоны. И одни в другие перейти не могут, потому что спины — сохраняющаяся величина, она уже есть, никуда ей деться невозможно. Если частица летит, то как бы она куда ни превращалась, этот спин от нее никуда не денется. И тогда математики стали думать о том, что бог с ними, с частицами, это все некие преобразования в пространстве и времени. То, что составляет предмет специальной и общей теории относительности. Почему бы нам не написать что-то более общее? И оказалось, что можно. Два человека в Физическом институте имени Лебедева Академии наук — Гольфанд и Лихтман — нарисовали такое преобразование в 1967 году. Никто не заметил, все поплевали и разошлись. Потом — в 1972 году — то же самое возникло в Европе, потом — в Америке. И постепенно все начало накапливаться, плотину прорвало и люди сказали: «Гениально!» Обозвали эти преобразования суперсимметрией, и в чем оказалась суть этих преобразований? Что бозоны переходят в фермионы — частицы с целым спином переходят в частицы с полуспином, оказалось, что это возможно. И оказалось, что можно построить такую теорию, замечательную тем, что у каждой частицы есть партнер, чей спин отличается на половинку. Эти частицы назвали суперпартнерами. Наша стандартная модель — кварк, лептон, бозон Хиггса, гравитон — а вот это их партнеры. Их даже так называют: кварк — скварк, лептон — слептон, глюон — глюино, фотон — фотино. И оказывается, что среди этих частиц есть такие, которые идеально подходят под темную материю. И люди стали говорить, что надо срочно открыть суперсимметрию. И сейчас БАК день и ночь ищет суперсимметрию! После бозона Хиггса это задача №2. Пока он ее не нашел, и руки уже начинают опускаться. Но частица темной материи — это самая легкая суперсимметричная частица, ее обычно называют нейтралино. И, может быть, это и есть частица темной материи. Она на этот случай идеально подходит — стабильная, без заряда, с массой…

Никита Белоголовцев:

— Я правильно понимаю, что нейтрино — это что-то критически маленькое, массу чего мы до сих пор лишь предполагаем, а нейтралино — это что-то еще более маленькое?

Дмитрий Казаков:

— Нет, нейтралино — это тяжелая частица. Она ведет себя как нейтрино, но она тяжелая, как предполагают, она раз в 100 тяжелее протона. Предполагается, что эти суперсимметричные частицы должны рождаться: протоны и электроны, кто сталкивается, потом рождаются разные частицы, в том числе — эти суперсимметричные частицы, они образуют облака вокруг Вселенной из этих нейтралино. Их принято обозначать N͂⁰. Думаем, что такая частица есть. Надо ее как-то найти. Спрашивается — как найти частицу темной материи?

Есть три способа. Первый: взять ускоритель и столкнуть два протона и два кварка, и эти частицы родятся на ускорителе. И надо только суметь их детектировать в детекторе. Почему «суметь»? Потому что раз у них нет электрического заряда, они в магнитных полях не отклоняются, никакого трека не оставляют, их очень трудно заметить. Их можно заметить только по дисбалансу энергии. Другой способ: эта частица прилетает на Землю и ударяет в мишень. Представьте, летит как ядро какого-нибудь атома серебра. И атом после такого попадания дергается. Отскок надо мерить: берется огромная емкость из какого-нибудь благородного газа типа ксенона, помещается под землю, чтобы убрать фон, и ловят отскок этих атомов.

Должен наблюдаться отскок, рассеивание. Частица должна ударить и улететь, а атом должен как-то отскочить. И третий вариант: когда две таких частицы в гало столкнулись и родили два кварка или электрон и позитрон. В космических лучах должно быть некое «колено». Эту частицу ищут и в космических лучах, и в бочках, и на ускорителях. Но пока нигде не нашли. Теоретики предлагают варианты, но экспериментаторы пока ничего не подтвердили из этих вариантов, поэтому загадка темной материи остается, и она актуальна. Можно говорить, что, может быть, теории Великого объединения и нет, может, суперсимметрии нет, но темная материя уж точно есть. Конечно, есть скептики, которые говорят, что надо модифицировать гравитацию, но в основном все склоняются к тому, что свидетельства о существовании темной материи достоверны. Поэтому надо найти такую частицу, и это — главная головная боль теоретиков и экспериментаторов. Очень хочется надеяться, что разгадку этой загадки мы увидим.

Никита Белоголовцев:

— Судя по тому, как быстро все происходило в последнее время — в рамках истории науки, конечно, — то можно надеяться. Огромное спасибо!

(Аплодисменты.)

Никита Белоголовцев:

— Сложно хоть что-то спрашивать после такого фантастического объема информации. Тем не менее, перед тем как мы перейдем к вопросам из зрительного зала, попрошу вас порекомендовать что-то, что можно посмотреть или почитать тем, кто хочет дальше продолжить получать информацию. Разумеется, кроме архива ProScience Театра на сайте «Полит.ру».

Дмитрий Казаков:

— Думаю, что люди, которые интересуются наукой и всякими популярными книжками, активно осваивают интернет. Есть сайт «Постнаука.ру», мы с коллегами записали там очень много роликов, много разного материала. Есть также Академия постнауки, где мы с коллегами читаем по вечерам популярные лекции.

Никита Белоголовцев:

— Мне кажется, что все уже обнаружили у вас на лацкане пиджака значок «Постнауки».

Дмитрий Казаков:

— Да, я принадлежу к клубу «Постнауки». В начале ноября я буду там читать лекции по физике частиц. Еще немного хотел сказать о книжках. Есть такой автор Даниил Данин, у него есть книжки из серии «Жизнь замечательных людей» о Резерфорде и о Боре, но книжка, которую я читал еще в школе, называлась «Неизбежности странного мира» — старая, но замечательная книга с рассказом о квантовой механике. Прекрасно написана, но доходит она только-только до начала физики частиц, но все равно очень увлекательно. Среди людей, которые создавали физику частиц, нужно еще раз назвать Ричарда Фейнмана — у него есть книга «Характер физических законов». Перевод еще издательства «Мир», тоже давно, там еще есть несколько его лекций, в том числе — Нобелевская лекция. Известные ученые часто пишут популярные книжки. Например, нобелевский лауреат Вайнберг написал книжку под названием «Мечты об окончательной теории». Она переведена относительно недавно, очень любопытно ее почитать. Конечно, свежее может быть вскорости опровергнуто, но почитать любопытно.

Еще интересно про пространственное измерение. Это тоже большая загадка — в скольких измерениях мы живем, потому что на вопрос «Почему мы живем в трех измерениях?» мы не умеем ответить. А вот теория струн «любит» жить в десяти измерениях, там можно ответить «Почему десять?» Потому что согласованная математическая конструкция получается в десяти, а в трех не получается. Десять — это пространство плюс время, девять пространственных и одно время. Американский физик Лиза Рэндалл — фанат всего многомерия, она написала книжку «Закрученные пассажи», ее перевели недавно. Я не вполне разделяю ее точку зрения, но забавно и интересно написано. Еще наш астрофизик

Борис Штерн написал замечательную книжку «Прорыв за край мира». Он там описывает Большой взрыв — как это все родилось и как мы это можем понять. Там построены очень интересные аналогии с жизнью человечества на некоей выдуманной планете. Замечательная книга, мы поздравляем Борю с этим успехом.

Никита Белоголовцев:

— Книжка Штерна — абсолютный бестселлер, если я не ошибаюсь. Друзья, прямо сейчас вы можете задать любые вопросы. Есть ощущение, что появиться их могло очень много. Спрашивайте!

Вопрос:

— Добрый вечер! Хотелось бы понять: изучая основы физики микромира, вы ощущаете, что все возникло не само собой, а был некий создатель всего этого? И три копии, про которые вы говорили, были созданы с некоторой задумкой? И мы все возникли не из теории Дарвина? Спасибо.

Дмитрий Казаков:

— Про возникновение жизни я говорить не буду, не моя тема. Скажу про неживую природу. То, как мы сейчас себе все мыслим — мы отсчитываем время от момента Большого взрыва, из которого начала рождаться та Вселенная, которую мы наблюдаем. Сначала были элементарные частицы, потом в какой-то момент из них начали образовываться составные частицы, потом — атомы, элементы и так далее. Дальше все уже понятно, но начальный толчок — откуда это все возникло, и была ли заданная программа и кем заданная? Думаю, что на этот вопрос мы никогда не ответим — была ли кем-то заданная программа. Там, куда продвигается знание, любое знание, мы не находим никакого творца. Доходя до какого-нибудь края, мы все думаем, что, может быть, он предопределен каким-то творцом? Есть шутка, что господь бог сидит и видит, что физики дошли до чего-то: «Ага, давайте, добавим в уравнение еще один член!» Мы не пытаемся ответить на вопрос «Откуда все возникло?», хотя идем все дальше и вглубь в понимании того, как это все развивалось. Есть некие теории, которые говорят о том, что не было начала у Вселенной. Вселенная сжимается и разжимается — мы обсуждаем, что сейчас у нее очередное расширение, а потом она начнет сжиматься.

Вообще, момент Большого взрыва все равно остается мистическим. Мы дошли до десять минус в какой-то степени секунды, а дальше мы все равно не проникли. Ученые не ставят вопрос о том, чтобы найти создателя, а ищут объективную реальность.

Вопрос:

— Меня зовут Александр. Хотел спросить про гравитон: какие мощности и сколько времени нужно, чтобы его открыть? Какая масса по сравнению с другими частицами у него должна быть? Какие открытия могут быть после этого открытия в сфере гравитационного взаимодействия?

Дмитрий Казаков:

— Мы сейчас, когда описываем взаимодействия единым образом, в это единое описание включаем и гравитацию. Если сравнивать гравитацию и электромагнетизм: в электромагнетизме есть фотон, электромагнитные волны, квант этих волн — фотон. Если переносить на гравитацию, мы говорим, что должны быть гравитационные волны, и квант этой гравитационной волны — гравитон. Масса частицы, этого кванта, обычно связана с радиусом взаимодействия. У электромагнитных взаимодействий бесконечный радиус. А радиус — это единица, деленная на массу. Нулевая масса — это бесконечный радиус. С гравитацией мы себе мыслим так же: что есть бесконечный радиус гравитационного взаимодействия, поэтому масса гравитона равна нулю. Есть ли доказательство, что масса действительно равна нулю? Не может ли она быть очень маленькой, но не нулевой? То, что она очень маленькая — это факт. Иначе не были бы такие радиусы взаимодействия. Окончательного экспериментального доказательства нет, что масса отлична от нуля. Но теоретическая схема, теоретические заложенные принципы говорят, что она обязана равняться нулю. Так же, как у фотона, потому что это следствие той самой симметрии. Симметрия требует нуля. Но симметрия может быть немного нарушена, поэтому абсолютно быть уверенными нельзя. Вот у фотона масса ноль, и отсюда — распространение на любые расстояния. Так же, мы думаем, и у гравитона. Из теории Эйнштейна следует, что его масса — точно ноль. Теперь — можно ли наблюдать гравитон? Опять же, аналогия с электромагнетизмом. Мы наблюдаем электромагнитные волны, это свет, который мы с вами видим. Можем ли мы наблюдать квант, отдельный фотон, в эксперименте? Да, можем, это фотоэффект, за который Эйнштейн получил Нобелевскую премию. Теперь о наблюдении гравитационных волн. Вы слышали, наверное, что в прошлом году было объявлено, что наблюдали гравитационную волну. Грандиозное открытие. Причем сейчас уже не один случай, а три. Правда, нужно на другой установке или другим способом это проверить. Сейчас вот ждем, что другая установка подтвердит. Ни у кого не было сомнений, что эти волны есть, но вот наконец появилось экспериментальное подтверждение. Сто лет прошло с появления эйнштейновской теории.

Теперь квантование. Можно ли наблюдать квант так же, как мы наблюдаем квант света? Это связано с силой взаимодействия. Чем сильнее взаимодействие, тем легче наблюдать. Если сравнить интенсивность электромагнитного взаимодействия и гравитационного взаимодействия: возьмем два электрона и поместим их на какое-то расстояние друг от друга. Между ними возникает кулоновское взаимодействие. (Закон Кулона из школьной программы.) И между этими же электронами возникает и гравитационное взаимодействие, потому что они имеют массу. И можно сравнить, каково отношение электрической силы к гравитационной по закону Кулона. Оказывается, это отношение 10^{— 43} в пользу электромагнитной. Настолько слабее гравитационное взаимодействие для электронов. Гравитационное взаимодействие можно прочувствовать только тогда, когда большие массы либо когда мы находимся на фантастически малых расстояниях. Нужна очень сильная гравитация, чтобы наблюдать гравитоны. В обыденных экспериментах физики частиц гравитон наблюдать нельзя, слишком слабое взаимодействие. Можно наблюдать там, где сильная гравитация — в черных дырах, например, она сильная. Да, и наблюдение гравитационных волн — это первое прямое подтверждение существования черных дыр. Наверное, там можно пронаблюдать какой-то эффект гравитона. Но должен сказать, что квантовая теория гравитации до сих по не построена. Есть проблемы.

Никита Белоголовцев:

— Мы поверим вам на слово. Вопросы?

Вопрос:

— На одном из графиков у вас было нарисовано, что есть антиматерия и темная энергия.

Дмитрий Казаков:

— Да, я не сказал про нее.

Вопрос (продолжение):

— Все изучают антиматерию, а что такое темная энергия? И еще: немного про бозон Хиггса, что это такое? Спасибо.

Дмитрий Казаков:

— Сначала отвечу про энергию. Когда нарисовали этот энергетический баланс из данных по микроволновому фону, там ввели разделение на материю и энергию. Материя — это состояние вещества, по сути дела, которое подчиняется обычным законам. У вещества есть уравнение состояния, что давление пропорционально плотности. Чем больше плотность, тем больше давление. Любое вещество подчиняется такому закону. Коэффициент пропорциональности разный, но закон — прямой. Чем больше плотность, тем больше давление. А есть некая субстанция, ее назвали темной энергией, где закон противоположный. Там стоит знак «минус». Оказывается, что когда изучается расширение Вселенной, то по законам общей теории относительности галактики разбегаются. Есть такой закон расстояния, что скорость разлета тем больше, чем больше расстояние. Закон Хаббла. Галактики равномерно убегают, это такое равномерное расширение Вселенной. И было замечено, что некоторые далекие галактики убегают быстрее, что-то их толкает. И если мы в теории Эйнштейна хотим описать этот разлет, который быстрее нормы, то надо добавить так называемую «космологическую постоянную» в эти уравнения. Эта космологическая постоянная и есть эта темная энергия. Это плотность вакуума, по сути дела. Если вакуум, в который все погружено, имеет некоторую плотность, то это и есть темная энергия. Это не есть обычное вещество, у него нет обычного закона состояния, уравнения состояния. Самое простое — описать одним коэффициентом в уравнениях Эйнштейна. Эйнштейн сначала его не ввел, потом у него получалось решение, которое его не удовлетворило — он его ввел, потом у него получилось, что Вселенная не расширяется, потом появились данные, что расширяется — он его опять убрал. А теперь с этой темной энергией получается, что коэффициент этот надо вводить, и никто не понимает, чему он равен и почему он такой. Это большая загадка, эта темная энергия. А в баланс Вселенной она вносит 70%.

Про хиггсовский бозон. Прежде всего, это элементарная частица, которая имеет массу, электрический заряд, равный нулю, собственного момента движения — спина — у него нет, то есть это такая частица, которая взаимодействует слабым образом и является переносчиком взаимодействия. Почему ему уделялось так много внимания? Эта частица была предсказана теоретически и была введена теоретиками с совершенно конкретной целью. В физике частиц наблюдался некоторый парадокс: когда мы изучали, как частицы себя ведут, писали уравнения, которыми они описываются, наблюдали всякие симметрии — мы поняли, какие симметрии, поняли, какие уравнения, поняли, как преобразуются все эти частицы. Казалось бы, мы все понимали. Но эти уравнения требовали, чтобы переносчик был без массы. Как фотон. В то же время переносчики слабого взаимодействия — это w- и z- бозоны. Это массивные частицы, мы знаем их массу. Возникает противоречие: с одной стороны, мы знаем, что уравнения правильные, они правильно все описывают, с другой стороны, они требуют безмассовых частиц, а частицы имеют массу. Этот парадокс никак не могли разрешить. И тогда появились работы, за которые были даны Нобелевские премии, где было предложено ввести в теорию некую новую частицу. И пусть эта частица взаимодействует с остальными частицами. И что тогда может произойти? Эта частица своим появлением в этих уравнениях может немного нарушить симметрию, и это разрешит появление массы — то, чего мы и хотели. И все будут счастливы. Казалось бы — да, так и надо сделать. Но этому мешали математические теоремы, которые трудно объехать. В физике частиц это называется теорема Голдстоуна, иногда — теорема Намбу — Голдстоуна, в статистической механике это называется «теорема об острие клина» Боголюбова. И говорит она вот о чем: если вы немного нарушите симметрию, то у вас обязаны появиться безмассовые частицы. Сколько симметрию нарушили, столько частиц и появилось. Но у нас нет в природе безмассовых частиц, потому что безмассовая частица — это бесконечные расстояния, на которых она действует, мы должны были бы ее наблюдать. Получается — мы ввели дополнительное поле, симметрию нарушили — обязаны появиться безмассовые частицы. А коли таких частиц нет, то — плохо, значит, так нельзя. И тут додумались до следующего: те безмассовые частицы, которые появились, это на самом деле фиктивная степень свободы, это не физические частицы. И они в некой комбинации как раз и работают таким образом, что их нет в физическом спектре, в физическом спектре все частицы с массой. И этот механизм того, как эти безмассовые частицы, как мы говорим, «съедаются», назвали «механизм Браута — Энглера — Хиггса». Браут и Энглер написали одну статью, а Хиггс написал другую. Одновременно. Но Хиггс еще сказал, что помимо этого должна появиться еще одна массивная частица. И вот ее называют бозоном Хиггса. Это побочный эффект этого механизма. Просто механизм приводит к тому, что переносчики слабых взаимодействий получили массу, все хорошо, но помимо этого как побочный продукт еще есть некая квантовая частица. В статье Хиггса про нее было написано, в статье Браута — Энглера не было. Поэтому он вошел в историю. Эту частицу открыли.

Никита Белоголовцев:

— Огромное спасибо, Дмитрий Игоревич! На этом наше представление подходит к концу, в качестве небольшого постскриптума — театр начинается с вешалки, носите, как память. Как значок, конечно, не получится, но для пиджака пригодится. Спасибо всем, кто был сегодня с нами, все фотографии есть на сайте «Полит.ру», огромное всем спасибо, до новых встреч.