Какую роль в существовании мироздания занимает понятие Бога? Что такое Бог с физической точки зрения? Существует ли антиматерия? Что такое темная материя и можно ли её зарегистрировать? Почему физики считают, что нужна новая теория, которая изменит наше представление о мире? Об этом размышляет Павел Николаевич Пахлов, заведующий лабораторией тяжелых кварков и лептонов ФИАН им. Н.Н. Лебедева, член-корреспондент РАН.
– Павел Николаевич, элементарные частицы – они ведь на самом деле не такие уж элементарные? Всё сложно?
– Всё непросто. Мы экспериментаторы, хотя в моей лаборатории есть и теоретики. Действительно, мы изучаем самые мелкие объекты, до которых можем дотянуться. Их размер уже намного меньше размера протона. Каждый следующий порядок малости дается все тяжелее и тяжелее. Для того чтобы изучать физику на размерах одной тысячной протона, пришлось построить большой адронный коллайдер стоимостью в миллиарды швейцарских франков. Наверное, это самый крупный научный проект, который когда-либо делало человечество.
– Павел Николаевич, для чего нам нужно увидеть, зафиксировать, зарегистрировать самые мелкие частицы нашей материи?
– Там лежат ответы на многие вопросы. Ответ на вопрос о том, как устроен мир на макромасштабах, мы получаем, изучая его на малых расстояниях. Например, чтобы понимать, как устроен человек, нам пришлось создать микроскопы, с помощью которых можно увидеть, что все живые объекты состоят из клеток. Это сделал замечательный английский физик Р. Гук, который первым увидел эти самые клетки. Чтобы понимать, как устроены мы, надо понимать, как устроена клетка. А чтобы понимать, как устроен мир, приходится изучать еще более мелкие объекты. Нами движет, конечно, и простое любопытство. Все, что можно изучать, люди изучают. Это невозможно побороть. Это наша природа. С человеческим любопытством очень долго боролась Церковь. Но все равно это прорастает.
– Потому что мы не должны проникать в замысел Божий.
– Думаю, что в Средние века соображения были более прозаическими, более практическими. Боялись, что ответы на многие вопросы, которые возникнут при изучении той же физики, математики, астрономии, могут не очень хорошо совпадать с ответами, которые даются Библией. Как ни странно, мы видим, что ничего страшного для Церкви не произошло. Католическая Церковь долго стояла на своих идеях борьбы с наукой. Но наука к ней относится достаточно индифферентно, она не пытается с ней бороться ответно.
– Геологи, когда изучают континенты, очень часто видят какие-то корреляции со Священным Писанием. Тот же Великий потоп, например. Получается, что Библия даже подсказывает некоторые вещи. А вот у вас с этим бывают какие-то пересечения?
– Не задумывался, если честно. Подумаю. Поизучаю Библию, посмотрю, может быть, там действительно лежат какие-то подсказки.
– Можете ли вы сказать, что в гипотезе Бога не нуждаетесь?
– Я бы так не стал говорить. Знаю, есть физики, которые верят в Бога, ходят в церковь, и это им не мешает. Я в этом не нуждаюсь, но и не вижу противоречий между Богом и наукой, в отличие, кстати, от священников, которые почему-то видят. Некоторая лишняя косность, на мой взгляд, присуща многим из них. Думаю, что понятие Бога не требует персонификации и какого-то представления о нем как о физическом существе. Облики ему приписывать необязательно. И многие религии, кстати, это запрещают. Бог – просто верховное понятие, и в похожем смысле в физике есть единая теория взаимодействий. Осмысливая ваш предыдущий вопрос, могу сказать, что в этом смысле она может служить Богом, потому что она фактически управляет миром.
– Павел Николаевич, у нас получился интересный теологический поворот в нашем разговоре. Вы говорили о Большом адронном коллайдере, в котором, знаю, вы тоже участвуете. Когда с его помощью наконец-то был зарегистрирован бозон Хиггса, то его называли «частицей Бога». Как вы думаете, почему?
– Так его называли, потому что думали и думают, что бозон Хиггса – основополагающая частица, от которой пошло всё остальное. Нам интересен даже не сам бозон Хиггса, а механизм, лежащий в его основе. Придумали его, кстати, на основе теории, которая была создана не для физики элементарных частиц, а для твердого тела. Это была идея Л.Д. Ландау и В.Л. Гинзбурга, наших замечательных ученых. А уж потом эту идею фактически перенесли на физику элементарных частиц П. Хиггс и коллеги, которые с ним работали.
Идея заключалась в спонтанном нарушении симметрии, когда у вас есть возможность выбрать между двумя несимметричными вариантами, никакой разницы между ними нет, но оба варианта выгоднее симметричного. Типичный пример Буриданова осла, который хочет кушать, и у него две одинаковых морковки справа и слева. Так вот, утверждение, что он умрет с голоду, потому что не сможет выбрать между одинаковыми морковками, неверно. Фактически идея Хиггса была в том, что природа, находясь в состоянии, из которого можно свалиться направо-налево, все равно куда-нибудь свалится. Это замечательная идея, которая означает, что природа выбрала между двумя абсолютно эквивалентными состояниями какое-то одно, которое более выгодно, чем серединное, хотя есть и другое, которое ничем не отличается. Таким образом, наш вакуум, то, в чем мы живем, как оказалось, наполнен этой субстанцией, хиггсовским конденсатом.
– И вакуум оказался не пустотой, как нас еще в школе учили, а совершенно наполненный разнообразной материей.
– У нас многократно менялись представления о том, что такое вакуум. Собственно, вакуум изобрели древние греки. Они придумали атом, который увидели только в XIX веке. Греки думали, что если мы будем продолжать измельчать нашу материю, то в какой-то момент упремся в нечто, что уже не сможем разделить. А изобретя атом, они изобрели одновременно вакуум, потому что этот атом надо куда-то поместить. На самом деле изобретение вакуума, про которое меньше говорят, наверное, не менее гениальное изобретение древних греков.
– У греков вакуум не был пустотой, насколько я знаю.
– Это было что-то, куда надо поместить атомы. Они считали, что не надо задумываться, как он устроен. Чем замечательны древние греки – они пытались поставить мысленный эксперимент. Мы сейчас ставим эксперимент физический, мы строим Большой адронный коллайдер, тратим кучу денег, работаем 10 лет, копаем под землей туннель, устанавливаем магниты, очень сложные детекторы. Древние греки просто сидели под оливковым деревом и размышляли. И замечу: размышляя, они смогли добиться не менее впечатляющих результатов. Может быть, они не были так убедительны в своих выводах, как мы…
Надо понимать, что в Древней Греции существовало две теории мироздания. Одна из них – атомарная, которую мы сейчас любим вспоминать, потому что атомы в XIX веке были фактически открыты заново. И вторая представляла весь мир в виде субстанции, которая имеет сгустки, а где-то более разреженная. Эти две теории сосуществовали, две школы не могли доказать, кто из них прав на протяжении сотен лет. При этом они имели учеников в каждой школе и могли объяснить своим ученикам, как поставить этот мысленный опыт, чтобы увидеть мир на масштабах, недоступных глазу. Они их видели, но у себя в голове, мысленно научились видеть их воочию. Я бы сказал, что они умнее нас в этом смысле, потому что мы так не умеем.
– Потому что они додумались.
Да, как-то они смогли додуматься. А мы смогли додуматься, потому что все время ставили какие-то эксперименты. Начиная с XVI века, с эпохи Возрождения, наука пошла по такому практическому пути. Чтобы понять, как падают тела, Галилей начал делать эксперименты, стал смотреть, как они скатываются по наклонной плоскости, измерял время. С этого момента наука повернула в совершенно другом направлении, причем так случилось во всех естественных науках: мы занимаемся тем, что экспериментируем. Иначе говоря, мы все время спрашиваем того самого Бога, а как будет, а что будет, если мы сделаем вот так?
Галилей спрашивал, как покатятся шарики по наклонной плоскости, какое время займет скатывание, если наклонить больше или меньше, скатывать с большей высоты или с меньшей. Он задавал вопросы Богу, Природе, кому хотите. И, что замечательно, природа отвечает всегда честно и правдиво. Иногда мы ошибаемся с интерпретацией того, что она отвечает, но в принципе, чем замечательна экспериментальная наука – мы, задавая природе прямые вопросы, всегда получаем правильные ответы.
– Павел Николаевич, какие вопросы вы в своей лаборатории задали природе, Богу, мирозданию и получили правильные ответы?
– Ну, насчет правильности нам пока еще все-таки рано делать окончательные выводы. Это проверяется временем и другими экспериментами. Мы изучаем тяжелые кварки. Мы уже знаем, что окружающий нас мир состоит из атомов, которые в свою очередь состоят из чего-то еще. Хотя атом по определению – это что-то неделимое, но так его просто поторопились назвать. Ведь атом изобрели, собственно, не физики, а химики, и для них атом действительно неделимая субстанция, поскольку во всех химических реакциях атомы просто перекидываются из одной молекулы в другую, не разрушаясь.
Для физиков ничего святого нет, они взяли и атом разломали, вытащили из него кусочки. Первым они научились вытаскивать электрон, потом выяснили, что электрон – это лишь очень маленькая часть атома. Основная масса атома сидит в ядре. Выяснили, что такое ядро, оно состоит из протонов и нейтронов. И уже совсем недавно, 50 лет назад, выяснили, что сами протоны и нейтроны тоже из чего-то состоят. Они состоят из кварков. В них есть два типа легких кварков. Сначала нашли легкие и стабильные, а потом случайно оказалось, что природа зачем-то создала еще некоторое количество более тяжелых и нестабильных кварков. Казалось бы, они совершенно не нужны для нашего мироздания, поскольку все, что нас окружает, состоит из легких кварков.
Тяжелые кварки могут рождаться от того, что столкнулись две очень энергичные частицы. Тогда может родиться какой-нибудь тяжелый, например, странный кварк. Такое случается, например, в высоких слоях атмосферы из-за солнечных частиц, которые долетают до Земли от Солнца. Протоны, столкнувшись с атомами в верхних слоях атмосферы, могут родить странные мезоны, содержащие странные кварки. Странные мезоны даже иногда успевают долететь до нас, до поверхности Земли и через нас проскакивают. Это не больно, не страшно, но они есть.
Казалось бы, это и есть всё влияние тяжелых кварков на наше существование. Они иногда рождаются, их очень мало, реально повлиять на наше здоровье они не могут.
Так казалось долгое время. Все думали, что природа зачем-то сделала что-то лишнее. Но, вообще говоря, природа ничего лишнего не создает. Так оказалось и в этом случае.
– Для чего же они оказались нужны?
– Дело в том, что, помимо странного, есть еще более тяжелые кварки. Те рождаются совсем редко. Если странные пролетают через нас примерно раз в минуту, то более тяжелые живут настолько мало, что ни на что повлиять не могут и рождаются еще на два-три порядка реже. Но зачем же они нужны?
Ответ на этот вопрос, как ни странно, пришел к нам из понимания, как устроен космос, как устроена астрофизика, как устроена наука, которая занимается историей Вселенной. По тому, что мы можем наблюдать сегодня, мы можем судить, как она выглядела раньше и с чего все началось. Тут важно сказать об идее симметрии. Ведь помимо частиц есть же еще античастицы. Об этом тоже не так давно узнали, еще и ста лет не прошло.
Придумал их английский физик А. Шустер из соображений симметрии, он подумал: вот электрон имеет заряд минус, а почему же нет такого же, но с зарядом плюс? Должен же быть. Мир же симметричен. Симметрия – это довольно серьезное соображение, которое нам должно подсказать, что должен существовать еще и положительно заряженный электрон. Ему сказали, что это, конечно, замечательное рассуждение, но только мы-то знаем, что их нет. Электроны мы видим миллионами, миллиардами, они вызывают катодные лучи, а никаких позитронов мы не видим. Значит, их нет.
Идея на 30 лет была забыта. П. Дирак ее фактически воскресил, но сделал это более научно. Он не пользовался общими соображениями, а доказал, что позитроны нужны для того, чтобы объяснить, почему электроны стабильны. Прошло буквально три-четыре года, как позитроны обнаружили в космических лучах и подтвердили эту замечательную идею.
У нас есть античастицы, и они действительно симметричны частицам. Свойства материи и антиматерии практически не различимы. Долгое время считали, что они вообще не различимы.
– Возвращаясь к идее Буриданова осла, почему же мир выбрал именно материю и отверг антиматерию?
– Это очень важный вопрос. Тут есть и другое соображение, что наша Вселенная родилась в момент Большого взрыва, когда эта симметрия между частицами и античастицами не была нарушена. И надо было куда-то деть античастицы, придумать механизм, который позволил их убрать, а нам объяснить, почему античастиц нет вокруг нас. Всё состоит из частиц. Все звезды, мы с вами, другие галактики. Мы это знаем, поскольку, если бы соседние галактики были антигалактиками, тогда на границе, в межгалактическом пространстве происходили бы аннигиляции частиц и античастиц, и мы бы видели сигналы аннигиляции. Их в принципе очень долго искали с помощью разных экспериментов, включая космические эксперименты, когда на спутник выводили детектор, и тот пытался найти следы аннигиляции материи и антиматерии. Не нашли. Это значит, что антиматерии нет.
Одновременно с этим моментом, когда эти вопросы возникли, случайно обнаружили факт, что материя и антиматерия чуть-чуть отличаются по свойствам. Симметрия между ними огромная. Очень трудно увидеть эту мельчайшую разницу, она действительно фантастически маленькая. Но мы увидели эту разницу, поняли, что симметрия хоть и существует, но почему-то немного нарушена.
А потом связали эти два замечательных факта, что материя и антиматерия имеют немного разные свойства и что антиматерия куда-то делась. Смог это сделать Андрей Дмитриевич Сахаров в 60-е годы прошлого века.
– Причем работая в ФИАНе.
– Сахаров – это одна из личностей, которые являются гордостью ФИАНа. Буквально два месяца назад отмечался в ФИАНе юбилей – 100 лет со дня рождения Андрея Дмитриевича Сахарова. Это фантастический человек и ученый. Он интересовался очень большим количеством разных вещей, и физика элементарных частиц не была его профильным направлением. Тем не менее свой вклад сюда он тоже внес. Это знают все ученые, которые занимаются физикой элементарных частиц во всем мире. Сахарова помнят в связи с этим замечательным объяснением, куда делась антиматерия. И все сегодня понимают: чтобы она куда-то делась, ее свойства должны чем-то отличаться от свойств материи. Это один из трех постулатов Сахарова возникновения нашего мира.
Прошло несколько лет, когда два японца, М. Кобаяши и Т. Маскава, в 1973-м году сообразили, как сделать механизм, который обеспечит исчезновение антиматерии. Почему свойства материи и антиматерии различны? Оказалось, что понадобились эти тяжелые кварки. Именно те, которые никак не влияют на нашу жизнь, которые вроде бы не нужны. Но они повлияли на нее изначально. Именно благодаря их существованию всё стало таким, какое есть. Это удивительное свойство физики, что объект влияет на Вселенную не напрямую («появляясь на сцене»), а только самим фактом своего существования («за кулисами»). Нам не нужно их для этого рождать, хотя мы умеем их рождать. Просто их существование, просто то, что в принципе они могут быть, влияет на эволюцию Вселенной, на то, что мы с вами существуем.
– И если бы хотя бы чуть-чуть, на какие-то крошечные доли значений изменить их массы, мир будет совсем другим, а может быть, его не будет. Насколько я знаю, эту закономерность называют антропным принципом, благодаря чему мы существуем.
– Может быть, мы просто не знаем основной идеи, ради которой всё это затевалось.
– Основного Божьего замысла?
– Да, не знаем основного Божьего замысла, зачем был устроен Большой взрыв. Вероятно, для того чтобы родились мы, а потом спорили и обсуждали, как он устроен.
Вот смотрите, эти частицы, которые не обязательно рождать напрямую, тем не менее влияют на мир тем, что они могут рождаться виртуально. Замечательное свойство, которое поняли физики в начале XX века, это то, что квантовая механика коренным образом меняет наше представление о мире. Если до этого мы верили, что мир – это такой набор шариков, точечек, которые куда-то летят, стукаются, отталкиваются, то квантовая механика сказала, что ничего подобного. Никаких шариков. Электрон – это не шарик, это скорее облачко, он размазан в пространстве, и мы локализовать-то его точно не можем. Здесь квантовая механика не только изменила наше представление о мире, но и практически повлияла на него. Мы сейчас с вами говорим через Zoom, а все компьютерные технологии – это квантовая механика.
Когда изобрели транзистор, мир пошел в направлении компьютеров, телефонов, «умных» часов. Очевидно, что, не зная законов природы, никогда транзисторы бы не изобрели. Трудно представить себе, что кто-нибудь взял бы песок с пляжа, начал его трясти, плавить, и у него случайно получился бы транзистор. Нет, его делали целенаправленно. Сначала познали законы природы. Мы вернулись к первому вашему вопросу, когда вы спрашивали, а зачем это? Зная эти законы, которые работают на уровне микромира, люди смогли, например, изобрести транзистор, а потом микросхему, сделать компьютеры и другие гаджеты. Все это основано на квантовых законах, которые были открыты в начале XX века.
– Павел Николаевич, а куда же все-таки делась антиматерия?
– Она аннигилировала. То есть на самом деле её нет. Но она может родиться сейчас. Вокруг Земли, кстати, есть пояс антипротонов. Он очень разреженный, они крутятся вокруг Земли на каком-то расстоянии, там, где уже атмосферы нет, захватываясь магнитным полем. То есть они в принципе могут рождаться и, если они не соприкоснутся с веществом, существовать бесконечно долго.
Понятно, что в нашей Вселенной они долго не живут. А изначально, когда родилось одинаковое количество материи и антиматерии, они саннигилировали. И за счет того, что свойства оказались чуть-чуть разными, антиматерия исчезла практически вся, а материи немножко осталось. По сравнению с тем, что было изначально, осталось очень мало.
– Ну, а остальная часть сущего, как мы знаем, это темная материя. И я знаю, что вы тоже принимаете участие в поисках тех частиц, которые могут быть ответственны за существование темной материи. И здесь важную роль играют нейтрино.
– Могут играть. По большому счету мы знаем про существование темной материи на основании астрофизических наблюдений. Мы понимаем, что, похоже, должны присутствовать какие-то массивные объекты, которые не взаимодействуют больше никаким образом, кроме как через гравитацию. Это какие-то фантастические объекты, которые стерильны относительно всех остальных взаимодействий. Все массивные частицы, которые мы знаем, заряжены, кроме хиггсовского бозона. У них есть заряд, а значит, они могут излучать фотоны, излучать свет.
А эти частицы свет не излучают, они не имеют заряда. И поэтому они, собственно, называются темной материей. По-видимому, они взаимодействуют только гравитационным образом. Астрофизические наблюдения, которые натолкнули на мысль о существовании темной материи, велись в начале 90-х годов, то есть довольно давно. Поиски ведутся уже 30 лет, пока безуспешно. Никаких следов этих частиц мы не видим.
И тут уже возникают и сомнения, а нельзя ли придумать какое-нибудь другое объяснение этим астрофизическим наблюдениям?
– А может быть, нужны другие способы их обнаружения?
– Загвоздка в том, что для любого обнаружения они должны как-то взаимодействовать с нашей материей, кроме как гравитационно. Если этого нет, тогда шансы у нас их обнаружить в нашем эксперименте вообще нулевые. Мы верим, что есть какое-то дополнительное, пусть очень слабое взаимодействие с обычным материальным миром. Тогда мы сможем увидеть, как они толкаются, подобно броуновскому движению у атомов. Частиц темной материи по идее должно быть очень много.
В данный момент тут два направления. Это их прямые поиски, которые длятся уже 30 лет и которые пока безрезультатны. А улучшать точность на порядок – это значит в 10 раз увеличить массу того, что фиксируете. И это в 10 раз дороже.
Наши эксперименты довольно дорогие, это дорогое удовольствие. Они налогоплательщикам обходятся недешево. Дешевле, чем войны и прочие бессмысленные траты, но все-таки.
– А второй способ?
– Второй способ – теоретически придумывать объяснения.
– То есть тот самый эвристический способ, которым грешили древние греки?
– Да. Даже бесплодные поиски темной материи очень много чего дали. Мы уже знаем про нее довольно много. Например, если она действительно существует, то она очень слабо взаимодействует. Есть какие-то ограничения на силу взаимодействия с нашим миром. Это много что дает. Это ограничивает возможность придумывать, что это за частицы.
Вы упомянули нейтрино. Действительно, это одна из замечательных идей, и здесь мы опять вспоминаем академика Сахарова. У него были поставлены три условия, объясняющие существование нашего мира. Второе условие – это нарушение барионного числа, то есть сделать так, чтобы протоны могли распадаться. Здесь тоже ведутся эксперименты, очень похожие на поиски темной материи, поскольку и те, и другие требуют огромного объема детекторов, и нам необходимо наблюдать очень редкие и очень слабые события. Распад протона тоже ищут. И мы знаем, что время его жизни уже больше, чем 1033 лет, то есть много больше, чем время жизни Вселенной.
Нарушение барионного числа тоже одна из загадок в физике элементарных частиц, но это необходимо для того, чтобы наш мир существовал. Сейчас придумывают, как может нейтринный сектор повлиять на оба этих явления, дать кандидата в темную материю, которая очень слабо взаимодействует с нашим веществом, и придумать, как нарушать барионное число с помощью нейтрино.
– Я знаю, что есть еще аксионная теория, которая может попытаться объяснить существование темной материи. Как вы думаете, могут ли быть какие-то частицы, которые мы вообще не в состоянии зарегистрировать, и именно они составляют темную материю?
– Хороший вопрос. Частицы, которые вообще никак не взаимодействуют с нашим миром, но могут на него влиять?
Я сказал, что сам факт существования тяжелых кварков приводит к тому, что свойства материи и антиматерии становятся разными. Но могут ли быть частицы, которые влияют на наш мир опосредованно, никак не взаимодействуя с ним? Не знаю. Можем ли мы хоть как-то их обнаружить? Не знаю. Насколько я понимаю, все идеи, которые у нас есть, основаны на том, что они хоть как-то взаимодействуют. Все детекторы, которые строятся для того, чтобы их обнаружить, требуют, чтобы они очень слабо, с очень маленькими константами взаимодействия, тем не менее, имели это взаимодействие. Пока не придумали такого способа, чтобы найти их, если они вообще не взаимодействуют.
– А как вы думаете, много таких частиц, которые мы еще не зарегистрировали?
– Сложный вопрос. Мы знаем, по крайней мере, что наша теория неполна. Теория очень хорошая, замечательная, работает и проверяется экспериментально с хорошей точностью, существует уже 50 лет, называется Стандартной моделью. Но мы знаем, что она неполна, потому что в ней много дырочек, которые нас не устраивают. В ней есть противоречия, необъясненные факты. В том числе это темная материя. Но не только. И значит, существует какая-то более глобальная теория.
Сейчас какие-то указания на противоречие со Стандартной моделью были получены в эксперименте по аномальному магнитному моменту мюона. Если подтвердится, будет очень интересная эпоха. Значит, мы нашли что-то новенькое. А уже очень хочется найти, чтобы теория наконец сломалась, и тогда можно будет понимать, куда мы идем дальше.
Сейчас мы не знаем, куда двигаться в развитии теории. У нас нет ответа, поскольку есть неполная и не очень удовлетворяющая всех теория, которая тем не менее с экспериментом полностью согласуется. И, получается, двигаться дальше очень тяжело. Неизвестно, в каком направлении. Может быть, новая теория породит сонм новых частиц. Может быть, она расскажет про структуру уже существующих частиц. То есть она должна кардинально изменить наше представление о мире.
– Павел Николаевич, как вы думаете, человек способен полностью познать мир, в котором он живет, мир, его породивший?
– В этот момент он становится равен Богу. Один пример мы знаем – это Иисус Христос. Родившись человеком и узнав все, он таким образом стал Богом. Будда сделал то же самое. Может ли достичь этого еще кто-то и какими способами? Не знаю.
– Но хотелось бы?
– Это скучно, по-моему. Узнать все – это фактически умереть. Понимаете, с этого момента жизнь заканчивается. Вы уже дальше не сможете жить. Детство, когда мы много чего не знали, было счастливым временем. Знания зачастую уменьшают возможности свободы действий. Мы все равно стремимся к ним, с этим невозможно, да и не нужно бороться. Но вот достичь абсолютного знания означает, насколько я понимаю, просто смерть. А мы ведь хотим жить, не так ли?
