В поисках Новой физики

В общественных выступлениях представителей научных организаций и научно-популярных статьях в СМИ всё чаще всплывает понятие «Новая физика», к которой, как нам обещают, мы вот-вот придем. Что же это такое? Выход за пределы Стандартной модели, бозон Хиггса, темная материя, гравитационные волны? Как она изменит «старую» физику и нашу жизнь? С этими вопросами мы обратились к заведующему теоретическим отделом Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН доктору физико-математических наук Александру Ильичу Мильштейну. 

— Что же собой представляет Новая физика?

— Люди часто путают понятия «Новая физика» и «новое явление». Первое — это то, что невозможно объяснить в рамках стандартных представлений. Однако если ты в данный конкретный момент не можешь что-то объяснить, то вовсе не обязательно, что ты нашел новую физику. В последнее время в истории науки она проявлялась всего несколько раз. Создание теории относительности и квантовой механики привело к революции в научном мировоззрении. После того, как были сформулировали физические законы этих наук, нужно было научиться описывать бесконечное количество явлений вокруг нас. Было много случаев, когда люди что-то открывали и никак не могли объяснить. Могло пройти и 20, и 50 лет, и потом обнаруживалось, что всё объясняется в рамках квантовой механики или теории относительности. Так, между открытием явления сверхпроводимости и созданием теории Бардина, Купера и Шриффера, описывающей его в рамках квантовой механики, прошло более сорока лет. 

Таких явлений, которые до конца еще не поняты, вокруг нас очень много. Например, высокотемпературная сверхпроводимость. Материалы уже умеют делать, активно используют, область применения быстро расширяется, а последовательной теории до сих пор нет. Здесь присутствуют технические трудности, но нет сомнения, что всё будет объяснено в рамках квантовой механики.

На мой взгляд, надо просто заниматься исследованиями, если повезет — найдешь что-нибудь интересное и полезное, и вовсе не обязательно это должна быть Новая физика.

Люди, которые изучают гидродинамику, теплофизику или физику конденсированных сред, не занимаются поиском выходов за пределы Стандартной модели, но открытые ими новые явления преобразуют жизнь вокруг нас. Быстродействующие компьютеры, жидкокристаллические экраны, сотовые телефоны, ракеты — всё это квантовая механика и атомная физика, никакой Новой физики здесь нет. 

— Мы выяснили, что не является Новой физикой, а что же будет ею являться?

— Например, есть теория относительности, которая говорит, что невозможно превысить скорость света. Представьте себе: вы обнаружили сигнал, который движется с большей скоростью. Это будет Новой физикой, поскольку противоречит в принципе нашим представлениям. Или мы обнаружили, что нарушилось соотношение неопределенностей, которое в квантовой механике должно выполняться: тогда это Новая физика. Любая теория имеет область применимости. Была классическая механика, потом ее заменила релятивистская классическая механика, но это не значит, что классическая механика неправильная, она просто имеет область применимости, которая ограничена скоростями: малыми по сравнению со скоростью света. Потом возникла общая теория относительности, релятивистская квантовая механика. Существует принцип соответствия, при котором одни предсказания переходят в другие, не отменяя предыдущих законов в области их применимости. 

Люди надеются найти что-то принципиально новое в астрофизике, в космологии. Там, к сожалению, невозможно сделать эксперимент, доступны лишь наблюдения. Мы наблюдаем звезды, видим взрывы сверхновых, к нам приходят гравитационные волны. Была ли регистрация гравитационных волн Новой физикой? Конечно, нет. Этот великолепный эксперимент, продемонстрировавший мощь человеческих возможностей, подтвердил предсказания общей теории относительности, полученные сто лет назад. С другой стороны, история науки показывает, что открытие может произойти в любом месте, и его нельзя предсказать. Если бы мы ставили перед собой задачу: «В следующем квартале откроем новую элементарную частицу» — это было бы уже производством, а не наукой.

— Но есть же теории, которые, как предполагают, могут привести к этой самой Новой физике? Суперсимметрия, теория объединенных взаимодействий, теории с сильной гравитацией…

— Идей, вокруг которых образовывались эти теории, не так много. Например, суперсимметрия. Можно построить суперсимметричную теорию в простейшем виде, а если предсказания не будут совпадать с экспериментом, то сделать обобщение, добавить еще частиц, увеличить массу. Но все эти обобщения никаких принципиально новых идей не содержат, потому что новые идеи сгенерировали люди, которые сделали первый шаг. Был такой знаменитый физик-теоретик Чжэньнин Янг, который создал теорию неабелевых калибровочных полей (поля Янга — Миллса), являющуюся сейчас одной из самых популярных теорий в физике элементарных частиц. Так вот, он говорил, что для него перейти от абелевой калибровочной теории, открытой Германом Вейлем в начале двадцатого века, к неабелевой не составляло психологических трудностей. Психологический барьер был у Эйнштейна, когда он сказал, что не может быть скорости больше скорости света, у Гейзенберга, который сказал, что есть соотношение неопределенностей, и мы не можем однозначно предсказать будущее. Когда ты преодолеваешь какой-то психологический барьер, то это и есть Новая физика.

К открытию Новой физики может привести постоянное желание исследователей проникнуть в структуру материи.

Сначала открыли, что атом состоит из электронов и ядра, потом – что ядро состоит из протонов и нейтронов, затем — что протоны и нейтроны состоят из кварков. Обнаружили также много других частиц, состоящих из кварков, а также их античастицы и еще нейтрино, аналоги электрона, калибровочные бозоны — всё то, что составляет сейчас основу Стандартной модели. Так возникло устойчивое ощущение, что надо копать вглубь, а для этого необходимо строить мощные ускорители элементарных частиц и ставить на них эксперименты, чем физики сейчас и занимаются.

— То есть получается, сейчас никакой Новой физики нет?

— Пока нет. Поэтому сегодня в английском языке появилось много слов, которые обозначают родственные вещи, но дают человеку оправдание, если его мысль не оказалась правильной. Есть слово «discovery» — открытие, а есть «evidence»– указание на открытие, но указание не обязательно приведет к самому открытию. А есть еще слово «hint» — намек. Мы ищем, смотрим, пытаемся объяснить, а к чему придем – будущее покажет.

— Что позволяет предполагать, что Новая физика вообще существует? Какие-то явления настолько выбиваются за рамки стандартной модели?

— Надежных указаний на это нет, но есть вещи, которые мы совсем не понимаем — барионная асимметрия Вселенной, темная материя…

— А как же бозон Хиггса?

— Открытие бозона Хиггса никакого отношения к Новой физике не имеет. Бозон был предсказан Питером Хиггсом и еще несколькими физиками. Вначале это была игра ума для преодоления трудностей в теории. Существовало несколько похожих теорий, одна оказалась правильной (теория Вайнберга — Салама), а другие нет. В настоящий момент эксперименты полностью подтверждают предсказания теории Вайнберга — Салама. Но для этого было необходимо погружаться всё глубже и глубже и в теорию, и в эксперимент. Каждый раз, когда возникало отличие теории от эксперимента, люди говорили: вот это — Новая физика. Но в результате более тщательного исследования предсказания совпадали с экспериментом. Но это не так уж и важно. Я бы сравнил поиск Новой физики с экспедицией Колумба. Он искал новый путь в Индию — открыл Америку. Если ты ставишь перед собой амбициозные задачи, проводишь сверхточные эксперименты, создаешь установки на грани возможностей сегодняшних технологий, то всегда есть шанс открыть что-то важное. В худшем случае, если не откроем Новую физику, то процитируем Мольера: «Эликсир жизни не получился, но получилась отличная мастика для полов».

Беседовала Диана Хомякова