07 декабря 2014
Z Наука в фокусе Все выпуски

Что такое микромир и как его изучают?


Время выхода в эфир: 07 декабря 2014, 17:08

Н. Асадова У микрофона Наргиз Асадова и мой постоянный соведущий Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Привет, Егор.

Е. Быковский Привет.

Н. Асадова Говорим мы сегодня о микромире и как его изучают. Для начала давайте послушаем последние новости из этой научной сферы.

НОВОСТИ НАУКИ.

Одним из парадоксальных выводов в современной квантовой теории является то, что частицы могут влиять друг на друга даже на большом расстоянии. По существу это означает то, что если между двумя частицами создать состояние квантовой запутанности, они будут влиять друг на друга по всей Вселенной, даже будучи разделёнными миллионами световых лет. Именно это удивительное явление сто лет назад поразило самого Альберта Эйнштейна, который окрестил этот феномен «жутким действием на расстоянии», однако до сих пор учёные не могли ответить на вопрос, что заставляет частицы узнавать о положениях друг друга со скоростью, которая превышает скорость света.

Свой ответ на эту загадку в этом году предложили физики из Массачусетского технологического института. Свою работу они опубликовали в Physical Review Letters. По их мнению, всё дело в так называемых кротовых норах, или гравитационных туннелях. Группа учёных показала, что можно создать две чёрные дыры, связанные между собой. Затем, растянув их в разные стороны, получить кротовую нору, или короткий путь, соединяющий чёрные дыры во Вселенной.

Также физики взглянули на проблему через призму теории струн. Выяснилось, что создание состояния запутанности между двумя кварками, строительными кирпичиками материи, одновременно создаёт кротовую нору, соединяющую эту пару.

Таким образом учёные пришли к выводу, что законы могут оказаться нефундаментальной силой, которая удерживает Вселенную. На место гравитации может прийти что-то другое, например, квантовая запутанность.

Н. Асадова У микрофона Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Говорим мы сегодня про удивительный мир – микромир, и как его изучают, с нашим гостем, Анатолием Дымарским, физиком-теоретиком, профессором Сколтеха. И для начала я предлагаю нам дать всё-таки определение, что такое микромир. Анатолий, вам слово.

А. Дымарский Дать определение очень чётко не получится, потому что действительно каждый понимает микромир по-своему. Но в принципе в рамках теоретической физики мы понимаем микромир как мир элементарных частиц. То есть человеческий масштаб мы условно принимаем 1 метр. Это тот масштаб, который мы можем с помощью наших органов чувств хорошо осязать, мы видим, трогаем, понимаем, мы можем двигаться в сторону увеличения масштаба, например, десятки метров, когда человек уже становится маленьким, город, гора, континент. Можем двигаться в сторону увеличения масштабов – планета, звёзды, Солнечная система, галактика, потом много галактик, потом Вселенная. Потом, честно говоря, не знаю, что происходит.

Н. Асадова Мультиверс.

А. Дымарский Может быть, много вселенных, а наша вселенная – это какая-то часть всего того, что происходит.

А можно двигаться в сторону маленьких масштабов. Сначала мы знаем, что вещество, из которого мы состоим… я пропущу биологические структуры. Мы состоим из клеток, а дальше мы знаем, что всё состоит из молекул. Но если мы посмотрим ещё более в мелкие масштабы, мы увидим, что всё состоит из атомов.

Н. Асадова Это стало известно ещё в конце XIX века.

А. Дымарский Конечно. Тут нет никакой научной новости. Надо двигаться дальше в сторону уменьшения масштабов. Атом состоит из ядра, вокруг него летают электроны. Это тоже в рамках школьного курса. Мы двигаемся в сторону уменьшения масштаба, соответственно, мы двигаемся ближе к нашему времени. Далее, из чего состоит ядро? Ядро состоит из протонов, протоны состоят из кварков. Из чего состоят кварки?

Е. Быковский Этого мы пока не знаем.

А. Дымарский Этого мы пока не знаем. То же самое – электрон. Электрон – это самая мельчайшая частица, или он тоже из чего-то состоит? Мы сейчас не знаем. Вполне возможно, что это достаточно фундаментальная частица. Мы будем его пытаться раскладывать на составляющие части – ничего не получится, а, возможно, и получится. Но в конечном счёте – из чего всё состоит в самом-самом мелком масштабе? Тут много вариантов. Один из вариантов, что всё состоит из струн. Есть такое понятие теории струн. Она говорит, что на самом маленьком масштабе всё состоит из струн.

Е. Быковский Это мы уже спустились до планковской длины.

А. Дымарский Это уже самый минимальный размер. Мы предполагаем, что меньше размера быть не может, потому что понятие «размер» уже потеряет смысл, когда мы до такого масштаба дойдём.

Н. Асадова А в математических терминах этот размер – десять в минус какой степени?

А. Дымарский По-моему, 10^-33 м.

Е. Быковский От человека до масштабов Вселенной примерно такое же расстояние, как от человека до кварков?

А. Дымарский Это хороший вопрос. Надо, конечно, посчитать. Я так сходу сказать не могу. Мне кажется, что примерно одинаково.

Н. Асадова Теперь всё практически стало понятно.

А. Дымарский По сравнению со Вселенной мы, наверное, как элементарные частицы по отношению к нам. Мне тяжело, не делая вычислений на бумаге, сказать, с какой точностью сейчас я это утверждаю, но в принципе…

Е. Быковский Примерно так, плюс минус пару порядков.

А. Дымарский Да, наверное, это примерно так.

Е. Быковский Сразу становится ясно, насколько это мелко, если мы себе представим Вселенную. Она гигантская. Совершенно непредставимая. А это непредставимо малые величины.

А. Дымарский Безусловно.

Н. Асадова И эти непредставимо малые величины мы, конечно же, не можем никак увидеть, даже вооружённым глазом. И этот мир действует по совершенно другим законам, нежели тот мир, который мы видим. Давайте поговорим про законы, по которым существует квантовый мир.

А. Дымарский Собственно, нам этот мир и интересен, потому что он действует по другим законам. Если бы он действовал по тем же самым законам, было бы немножко скучно. Надо, наверное, вернуться опять к концу XIX – началу XX века, когда люди стали разбираться с молекулярной структурой…

Е. Быковский Скучно в том смысле, что его было бы очень легко описать, да, как макроявления?

А. Дымарский Да, его можно было бы описать в рамках тех представлений, которые уже у нас были. То есть наша работа как физиков-теоретиков уже была бы закончена.

Е. Быковский Считалось ведь, что работа физиков-теоретиков закончена ещё 150 лет назад. Такие представления.

А. Дымарский Да, безусловно, уже тогда казалось, что всё можно описать, но остались некоторые вопросы, которые считались чисто умозрительными, чисто теоретическими. Их разрешить не удавалось, но поскольку они не имели никакой практической компоненты, то, в общем, им уделялось не очень много внимания. Потом выяснилось на самом-то деле, что самое интересное как раз и лежало в области этих вопросов. И из этих неразрешённых вопросов выросла квантовая механика – целый новый раздел физики.

Е. Быковский А что послужило толчком в своё время? Это было открытие того, что атом неделим? Что в нём есть частицы, которые уже невозможно описать ньютоновской механикой?

А. Дымарский Тут, наверное, несколько компонент. Первый вопрос, который стоит изучить – это тепловая смерть Вселенной. В рамках тех представлений, которые были в конце XIX века, что электромагнитное излучение может впитывать в себя энергию из окружающей среды, причём, она, как губка, может впитывать в себя бесконечное количество энергии. И предполагалось, соответственно, что мы всю энергию, которая у нас есть на Земле, рано или поздно вынуждены будем отдать электромагнитному излучению и просто, грубо говоря, замёрзнем.

Но было понятно, что с научной точки зрения эта ситуация неудовлетворительная, потому что не было ответа на вопрос, почему это всё ещё не произошло.

Е. Быковский Например, потому, что это происходит медленно, это произойдёт ещё через 10 млрд лет. Такой ответ не годится?

А. Дымарский Это хороший вопрос – что люди тогда думали по этому поводу. Я подозреваю, что тогда люди предполагали, что Вселенная существовала всегда или, по крайней мере, очень-очень долгое время. То есть тогда понимание, что Вселенная сначала была горячая, потом остывала, я подозреваю, не было некой данностью.

Поэтому сказать, что мы просто очень медленно остываем, люди не могли.

Е. Быковский Хороший ответ на хороший вопрос.

А. Дымарский Люди предполагали, что Земля, Солнечная система, Вселенная существуют уже очень-очень давно или вечно. И поэтому объяснить, что вы очень-очень медленно остываете, не получится. Это, конечно, была проблема с точки зрения теории.

А второй вопрос, то, что люди пытались разделить атом и увидели структуру ядра с помощью первых экспериментов с рассеянием элементарных частиц, насколько я помню, была томпсоновская модель атома, пудинг, там, где у вас…

Н. Асадова Начинённый нейтронами, как изюмом.

А. Дымарский Электронами, да. Я помню, про изюм нам тоже рассказывали в школе. Но потом был первый ускорительный эксперимент, и выяснилось, что в атоме есть очень маленькое ядро, электроны вокруг него вращаются, а потом стали экспериментально выяснять, что есть оболочки, есть дискретные уровни, с помощью классической механики это объяснить очень тяжело. То есть фактически без дополнительных ингредиентов классическая механика…

Н. Асадова Первую планетарную модель атома придумал Эрнст Резерфорд.

А. Дымарский Это была хорошая модель. Она похожа на наше сегодняшнее понимание. Но, к сожалению, в рамках классической модели объяснить, что происходит с атомами, не получится.

Е. Быковский Она была хорошо представимая.

А. Дымарский Да, она хорошая с точки зрения того, что мы можем проиллюстрировать явление, сказав, что электрон вращается вокруг атома.

Е. Быковский Как Солнце вокруг Земли. Точнее, Земля вокруг Солнца.

А. Дымарский Это уже откат к птолемеевской системе у нас произошёл. И надо было вводить какие-то дополнительные ингредиенты. Их ввёл Бор в виде постулатов. Но это было не совсем хорошее решение, потому что эти постулаты были абсолютно взяты с потолка, грубо говоря.

Н. Асадова Как аксиомы.

А. Дымарский Да. Мы подогнали под ответ. В физике мы не любим подгонять под ответ. Мы любим что-то предсказывать.

Е. Быковский В физике аксиомы – несколько другое. Поскольку они хорошо работают практически во всех ситуациях классической геометрии, а постулаты, видимо, не всегда.

А. Дымарский Да. Также было неудовлетворительно, что мы просто постулировали какие-то свойства, нам непонятно, откуда они пришли, и непонятно, будут ли они работать в других случаях. В общем, ничего не было понятно.

Н. Асадова Со временем за XX век удалось как-то разобраться и отвергнуть, или, по крайней мере отказаться от постулатов Бора?

А. Дымарский Безусловно. То есть это удалось сделать очень быстро. И даже в рамках стандартного университетского курса физики объясняется, как можно прийти к тем же результатам, что и постулаты Бора, стартовав с квантовой механики.

Н. Асадова Но при этом нужно было установить эти самые законы квантовой механики. Давайте про них более подробно поговорим. Насколько я понимаю, там три основных закона – это квантование, принцип неопределённости и волновая фиксация, да?

Давайте эти все веские слова немножко объясним. Что такое квантование? Это базовое понятие, насколько я понимаю, в квантовой механике.

А. Дымарский Да. Почему квантовая механика считается сложным предметом? И вообще является ли квантовая механика сложным предметом? Проблема с квантовой механикой заключается в том, что она не очень интуитивна.

Е. Быковский Она контринтуитивна.

А. Дымарский Она контринтуитивна. Ньютоновская механика очень интуитивна. Она описывает мир примерно так, как мы его и видим.

Н. Асадова И чувствуем.

А. Дымарский Безусловно. То есть есть некие предметы, они двигаются, мы можем описывать, как они двигаются. Есть предмет, например, Земля, она обращается вокруг Солнца. Мы можем сказать, где находится Земля и с какой скоростью она летит. И на основе неких относительно несложных уравнений рассчитать её траекторию.

Е. Быковский Импульс, момент.

А. Дымарский Да. Успех ньютоновской теории в историческом масштабе сразу был подтверждён, потому что можно было предсказывать траекторию планет.

Е. Быковский Обладала хорошей предсказательной силой. Можно тут же проверить экспериментом.

Н. Асадова Можно было ставить наглядные опыты.

А. Дымарский Мы сейчас обсуждали постулаты Боры. А были некие похожие постулаты с точки зрения траектории планет. Это были законы Кеплера. То есть это были некие закономерности, которые Кеплер наблюдал экспериментально, но не было понимания, откуда они берутся. Что траектории планет такие и никакие другие.

А потом на основе ньютоновской механики, решив уравнения, можно было доказать, что действительно такие закономерности всегда должны выполняться. В этом смысле это был полный триумф теории.

Н. Асадова А в квантовой механике?

А. Дымарский В квантовом мире вообще понятие «где находится частица?» и «куда она летит?» не совсем применимы.

Е. Быковский Есть ли вообще частица?

А. Дымарский Понятие частицы надо переосмыслить. Есть понятие некой физической системы. Например, электрон, некий объект, если угодно. Что значит частица? Частица как раз и предполагает, что мы можем сказать, где она находится и куда летит. У нас такое интуитивное понимание, как маленький шарик. Но, к сожалению, или к счастью, на уровне микромира, на уровне квантовой механики такое описание не работает. Интуитивное описание, что какой-то маленький шарик куда-то летит, не работает.

Надо вводить новое понятие – волновая функция. Возникает корпускулярно-волновой дуализм: у вас электрон ведёт себя как частица, которая куда-то летит, а иногда вам надо описывать его как волновую функцию вероятности того, что этот электрон где-то внезапно появится.

Е. Быковский Вот тут наступают проблемы, потому что люди могут себе представить волну. Но волна состоит из множества частиц. А волна, которая состоит из одной частицы, малопредставима.

А. Дымарский Квантовая механика тяжела для понимания, потому что у нас отсутствуют какие-то аналогии, к которым мы могли бы прибегнуть, чтобы представить, что происходит. С математической точки зрения аппарат более сложный, но он не настолько сложный. Скорее проблема – именно представить, что происходит.

И правильное понимание квантовой механики с точки зрения волн заключается в том, что это волны вероятностей. То есть вы рассчитываете, где электрон может появиться. Я не знаю, какую аналогию можно привести. Аналогию привести сложно. Допустим, вы следите за какой-то машиной. И в машине установлен датчик GPS. И вы можете на карте смотреть, куда машина двигается. Тогда это просто машина, это частица, которая на карте перемещается.

А теперь представим, что вы не знаете, по какой траектории едет водитель, он может выбрать любой из множества маршрутов. Например, мы хотим от Арбата доехать до Сколково. У нас есть много разных маршрутов. И предположим, что вы не знаете, по какому маршруту поедет водитель. И он будет включать GPS и выключать. Например, у вас связь плохая. Тогда с разной вероятностью на карте будет мигать огонёк, и, в общем, в каждый следующий момент времени вы не знаете, где он появится.

Разумно такую ситуацию описать с помощью вероятности. С какой-то вероятностью по Кутузовскому проспекту поедем, с какой-то вероятностью по какому-то другому маршруту поедем. И у вас для каждой точки на карте, для каждого маршрута на карте у вас возникнет число – вероятность того, что мы по этому маршруту идём.

С математической точки зрения у вас возникла волновая функция. То есть это не та физическая волна, которую вы видите в океане, но с математической точки зрения эти волны очень похожи.

Н. Асадова То есть надо понимать принцип действия волны, что мы считаем волной, чтобы на самом деле понимать эти явления.

А. Дымарский Да, надо хорошо представлять, что вы называете волной. То есть в квантовой механике есть такой аспект: очень важно понимать, какой вопрос вы задаёте и что вы как называете. Потому что, опять-таки, мы, как правило, рассуждаем по поводу физики на основе интуитивных представлений, и все эти вопросы «что?», «где?», «куда летит?» — эти вопросы на уровне микромира, на уровне квантовой механики могут быть неприменимы.

Н. Асадова Один из таких примеров – это пример с котом Шредингера. Расскажите про этот мысленный эксперимент.

А. Дымарский Это известный мысленный эксперимент. Я надеюсь, что никто этот эксперимент в реальности не проводил.

Е. Быковский Он известен просто как эксперимент с котом, который сидит в коробке, а в нём есть всё-таки некоторые нюансы, которые не у всех в голове.

Н. Асадова Там не только кот, там ещё бомба.

Е. Быковский Или с кислотой. Чего там только нет.

А. Дымарский Там есть радиоактивный атом, ядро радиоактивного элемента, которое может распасться. И там есть детектор. В случае, если радиоактивный элемент распадётся, то детектор это задетектирует и кота каким-то образом убьёт. Либо пистолетом, либо бомбой, это неважно.

Но распад реактивного ядра – это вероятностный процесс. То есть он может с какой-то вероятностью в течение часа произойти, с какой-то вероятностью не произойти. И вы коробку закрываете, и вы не знаете, что с котом происходит. И если вы попытаетесь описать состояние кота, то с классической точки зрения вы, наверное, хотите узнать ответ на вопрос, жив кот или мёртв. Вы будете задавать вопрос – всё ещё жив?

Н. Асадова С такой-то вероятностью жив, с такой-то вероятностью мёртв.

А. Дымарский А на квантовом уровне вопрос «жив кот или нет?» смысла не имеет. Имеет смысл вопрос: «С какой вероятностью до сих пор жив, с какой вероятностью уже нет?».

Н. Асадова Собственно, Шредингер, который мысленный эксперимент поставил, описал эту ситуацию, он пришёл к выводу, что в квантовой механике кот может быть одновременно и жив, и мёртв.

А. Дымарский Как только вы закрыли коробку и перестали смотреть, что происходит с котом, то есть как только вы перестали производить измерения, система стала изолированной, я пытаюсь какие-то термины, которые мы в рамках квантовой механики используем, кот находится в суперпозиции состояний «жив» и «мёртв».

Н. Асадова И здесь ещё очень важный момент, который мы на прошлой передаче затрагивали – то, что в этом микромире, квантовом мире состояние частиц будет меняться в процессе измерения. Поэтому мы своим измерением, самим фактом измерения просто меняем состояние этой частицы.

Давайте по второму принципу мы ещё успеем, вернее, по второму закону квантового мира успеем сказать до новостей. Принцип неопределённости. Собственно, мы его проговорили. И последний – волновая фиксация. Это что?

А. Дымарский Волновая фиксация, я не знаю, насколько этот термин сейчас часто употребляют. Скорее, там вопрос вот в чём заключается. Кот у нас по-прежнему ни жив, ни мёртв. Но, понятно, с классической точки зрения нас это абсолютно не устраивает. Мы понимаем, что кот может быть либо жив, либо мёртв.

Но когда вы начинаете про это думать и задаёте вопрос – а как же собственно проверить? То есть мы, физики, хотим иметь возможность проверить. Если вы не можете проверить, жив ли кот, или мёртв, тогда в квантовой механике, физике называем этот вопрос бессмысленным. И забираем у вас право такой вопрос задавать. То есть только если вы можете проверить. А как вы можете проверить? Вы можете открыть коробку и посмотреть. Оказывается, когда вы коробку откроете, это будет с точки зрения физики процесс измерения, и вы на систему подействуете, вы её измените, и вы волновую функцию этой системы измените. То есть в этот момент волновая функция из суперпозиции состояний «кот жив» и «кот мёртв» коллапсирует в одно из двух состояний. И вы увидите либо живого и весёлого кота, либо, к сожалению, уже нет.

Е. Быковский С другой стороны – что это меняет? Вы же не можете измерять постоянно. Вы закрыли коробку…

А. Дымарский Правильно. В этом же весь смысл, что вы не можете измерять постоянно, если вы систему в данный момент не наблюдаете, то вы не знаете, в каком конкретном состоянии она находится. Точнее, вы знаете, что она находится в суперпозиции двух состояний.

Если вы хотите некого детерминизма, вы на эту систему должны постоянно смотреть и постоянно её волновую функцию коллапсировать в какое-то конкретное состояние.

Н. Асадова У нас две минуты до новостей. Всё, что мы сейчас рассказывали – это физика первой половины XX века. Когда мы говорим про квантовую механику, то какие сейчас основные главные вопросы исследуются в этой области? Просто мы назовём, а следующей части передачи…

А. Дымарский С котами мы более-менее разобрались, хотя, может быть, это и звучало так, что мы до сих пор не знаем, жив кот или мёртв, то мы считаем, что мы с котами разобрались. И на самом деле с элементарными частицами мы тоже разобрались. То есть мы примерно понимаем, как их описывать и какие вопросы задавать.

А сложность возникает на следующем уровне: когда мы пытаемся разобраться, как на квантово-механическом уровне описывать гравитационные процессы. То есть процессы, связанные с, если угодно, геометрией окружающего нас пространства. Или, на другом языке, если мы хотим уйти на тот самый минимальный масштаб, когда понятие размера теряет смысл, вот тогда у нас уже есть понимание, что квантовая механика перестаёт хорошо работать.

Е. Быковский Что значит понятие размера теряет смысл? Почему оно его теряет?

А. Дымарский Это как раз хороший вопрос. Что это значит? Это ситуация, похожа на квантовую механику. Те вопросы, которые вы имели право задавать, вы теряете возможность задавать эти вопросы.

Н. Асадова На этой загадочной ноте мы прервём первую часть нашей передачи. Сейчас будут новости и реклама, а затем мы продолжим.

НОВОСТИ

Н. Асадова: 1735 в Москве. У микрофона по-прежнему Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Говорим мы сегодня о микромире и как его изучают. Наш гость – Анатолий Дымарский, физик-теоретик, профессор Сколтеха. Мы остановились на том, что как действует гравитация в квантовом мире. Это самый большой вопрос для человека, который занимается квантовой механикой.

Е. Быковский Как её объяснить и посчитать?

А. Дымарский В чём же заключается вопрос…

Н. Асадова Почему мы вообще решили, что она там есть…

А. Дымарский Да. Вопрос, скорее, не в роли гравитации, а в том, как гравитацию описать на квантово-механическом уровне. То есть мы обсудили, что на квантово-механическом уровне нам надо немножко задавать другие вопросы. Надо задавать не вопросы, где что находится, а вопросы, с какой вероятностью где что может находиться, правильно? То есть с точки зрения кота мы обсуждали вопрос, что мы не можем сказать однозначно, жив кот или нет, он находится в суперпозиции состояния и живого, и мёртвого кота. Это немножко не интуитивно, но тем не менее мы видим, что такое описание работает. По крайней мере в рамках квантовой механики мы привыкли, что мы можем оперировать понятием положения. Мы можем сказать, что какой-то предмет где-то находится, или, точнее, мы можем сказать, что у частицы есть вероятность нахождения в каком-то конкретном месте.

Когда речь идёт о гравитации, «что такое гравитация?», мы представляем гравитацию как силу притяжения. Например, мы притягиваемся к Земле, или Земля притягивается к Солнцу.

Е. Быковский Или Земля притягивается к нам.

А. Дымарский Безусловно. Или мы притягиваемся к Земле. Это в обе стороны работает. Но после того как Эйнштейн предложил общую теорию относительности, мы переосмыслили понятие гравитации. Теперь мы понимаем, что гравитация – это всего лишь навсего искривление пространства. То есть то пространство, в котором мы живём – это пространство не вполне плоское, в нём есть небольшие искривления, и как раз небольшие искривления – это и есть гравитационная сила.

Е. Быковский Иногда и большие. Те, кто смотрел фильм «Интерстеллар», например, он какое-то время идёт, помните, что там при визите на планету, которая вращалась вокруг чёрной дыры, там время шло в 23 раза быстрее, потому что чёрная дыра вращалась и наматывала на горизонт событий пространства-времени.

Н. Асадова А хорошие фильмы типа BBC-шных, когда показывают, визуализируют, как выглядит гравитация – это как, знаете, на скатерти складки, куда попадает планета, и она там движется. Я видела такие интересные зарисовочки.

А. Дымарский В принципе это аналогия, которая немножко объясняет, что происходит. У вас есть планета, сама планета никуда не проваливается, она просто вокруг себя немножко образует искривление пространства.

Н. Асадова Как в колее она такой.

А. Дымарский Она формирует для себя колею. И другие планеты просто сваливаются в эту колею. То есть это некая аналогия того, что происходит.

Е. Быковский Это очень помогает астрономам в некоторых конкретных измерениях, потому что это отклоняет, например, пути фотонов.

А. Дымарский Гравитационные линзы, то есть если у вас есть какие-то массивные объекты, то они будут искривлять свет, который идёт вокруг них. И вы можете это детектировать, люди детектируют и таким образом примерно могут представить, что находится в окружающем нас пространстве.

Е. Быковский Итак, гравитация. Что это такое?

А. Дымарский Когда мы говорим «гравитация», мы не говорим про силу, с которой она притягивает к Земле, мы говорим про геометрию пространства. То есть в теоретической физике это синонимы. Но понятно, что в повседневной жизни это очень разные вещи. Но на уровне микромира это действительно синонимы. И когда вы выходите на очень-очень маленькие масштабы, когда окружающий мир становится исключительно кривым, если угодно, эти складочки становятся очень-очень маленькими. То есть это можно так себе представлять. Если у вас есть какой-то ландшафт и вы парите высоко над ним, вам кажется, что более-менее гладко, может, какие-то складки, горы, впадины, но когда вы начинаете смотреть более детально, вы видите, что это не одна гора, а в ней есть какие-то ущелья, дополнительные скалы. Если вы на неё спускаетесь, начинаете смотреть всё ближе и ближе, то вы понимаете, что она состоит из каких-то камней. И всё очень негладкое.

Е. Быковский Это процесс бесконечный. Можно, лежа на траве, опустить голову в траву и увидеть, что там…

А. Дымарский Каждая песчинка или каждая травинка… Оказывается, что это не бесконечный процесс. Есть некий фундаментальный масштаб, после которого нам надо будет остановиться, потому что то понимание физики, которое у нас есть, понимание, в первую очередь основанное на том, что мы можем сказать «здесь», то есть понятие положения уже перестаёт иметь какой-то смысл. То есть что происходит на более мелких масштабах, мы не можем сформулировать, потому что мы не очень хорошо можем сформулировать понятие масштаба и понятие положения.

Н. Асадова Правильно ли я понимаю, что условно те учёные, которые ставят перед собой задачу описать квантовую гравитацию, они претендуют на то, чтобы создать ту самую теорию всего, или единую теорию поля, о которой мы уже говорили в рамках нашей передачи?

А. Дымарский В принципе – да. То есть когда мы говорим о квантовой гравитации, мы безусловно говорим о попытках создать теорию всего.

Н. Асадова То есть это та теория, которая объединит и эйнштейновскую теорию, и квантовую механику.

А. Дымарский Это единая теория поля, которая включит в себя и элементарные частицы, и эйнштейновскую теорию относительности. Оказывается, что если вы попытаетесь придумать теорию, которая на квантово-механическом уровне включит в себя теорию Эйнштейна, то всё будет нормально, пока вы не спуститесь на масштабы планковские – 10^-33, а дальше уже теория потеряет смысл точно так же, как классическая теория потеряла смысл, когда вы стали описывать электрон вокруг ядра. У вас были какие-то внутренние противоречия.

Е. Быковский Она не потеряла смысл. Она потеряла предсказательную силу.

А. Дымарский Немножко хуже, чем она потеряла предсказательную силу. То, что она предсказывает, просто заведомо неправильно. Мне всё-таки ближе формулировка, что она потеряла смысл, потому что вы можете пытаться с помощью классических законов Ньютона пытаться описать электрон вокруг ядра, но у вас просто выводы будут абсолютно…

Е. Быковский Даже случайно не будут правдивыми.

Н. Асадова Я бы сейчас хотела поговорить о том, как применяется микромир, который мы не видим, огромное количество учёных посвящают всю жизнь изучению этого невидимого мира. А какие практические из этого мы получаем, не знаю, выхлопы? Я узнала, что, оказывается, квантовую механику очень в широком диапазоне применяют, и, в частности, когда изучают космос, то там тоже, оказывается, законы квантовой механики помогают понять какие-то явления. Я хотела бы об этом поговорить.

А. Дымарский Тут вопрос, наверное, заключается в том, что вы называете практическим выхлопом. Если изучение космоса для вас практическое приложение…

Н.Асадова «Интерстеллар», видите, я думаю, многие люди посмотрели, тоже согласятся со мной.

А. Дымарский Безусловно, мы предполагаем, что на ранних своих этапах Вселенная не описывалась полностью классическими законами, то есть квантово-механические эффекты были важны для развития нашей Вселенной.

Е. Быковский Причём, под ранними этапами мы понимаем первые секунды.

А. Дымарский Я бы даже не говорил о секундах и минутах, там значительно более мелкие доли секунды. И когда мы говорим о ранней Вселенной, не измеряем время в секундах, мы скорее измеряем время, если угодно, в температуре, потому что когда Вселенная взорвалась, там произошёл Большой взрыв, она была горячая, потом она стала остывать. Мы немножко затронули эту тему. Это то, что мы сейчас знаем и чего не знали 100 лет назад.

Она очень быстро остывала, очень быстро расширялась. И удобнее мерить не в секундах, потому что вам придётся говорить 10^-16, 10^-30 секунды. А удобнее говорить – температура была такая-то, потом она понизилась, температура стала такой-то. То есть вы мерите всё в температуре. И на очень ранних этапах мы предполагаем, что Вселенная была очень маленькая и квантово-механические эффекты были очень важны. То есть, безусловно, если мы поймём квантовую гравитацию, мы лучше поймём ранние моменты нашей Вселенной, может быть, мы даже поймём, откуда наша Вселенная появилась.

Н. Асадова То есть это удивительная вещь, когда изучая микромир, мы можем понять какие-то вещи в супермакромире.

А. Дымарский И на самом деле в обратную сторону тоже: изучая нашу Вселенную именно с точки зрения космологических экспериментов, изучая то, что мы видим вокруг нас, мы можем лучше представить, как всё работает на уровне микромира.

Н.Асадова Ещё я выяснила, что, например, структура спиралей ДНК тоже каким-то образом с помощью квантовой механики уточнялась, также работа полупроводниковых диодов, транзисторов и лазеров – это тоже всё изучение квантовой механики нам помогло создать лазеры, которые, в частности, в медицине применяются.

А. Дымарский Если говорить о практическом применении квантовой механики, то, конечно, очень широкий спектр вопросов, где она уже применяется, наверное, ещё более широкий, где она будет применяться. То есть с точки зрения теоретической физики мы квантовую механику понимаем уже очень хорошо. Никаких фундаментальных вопросов там не осталось. Но огромное количество процессов, где квантовая механика важна, они либо уже на нашу жизнь очень сильно влияют, какие-то биологические процессы на уровне клетки… ну, не на уровне клетки, а на уровне отдельных длинных молекул – протеинов и так далее. Либо на уровне новых технологий, которые мы можем пытаться развивать.

Квантовые компьютеры, например. Это гипотетическая новая архитектура компьютера, которая позволит делать некоторые вычисления значительно быстрее, чем существующая архитектура. То есть для квантового компьютера слово «квантовый» бесконечно важно. Без квантовости квантовый компьютер существовать не может, извините за тавтологию.

Н. Асадова Это понятно. А пару слов про биологию. Та же ДНК. Как это?

А. Дымарский Тут надо говорить именно со специалистами, которые занимаются молекулярной биологией. Я не берусь сказать, насколько квантовость важна. Но в принципе есть такой раздел – квантовая химия, это целый раздел химии, который использует квантовую механику для изучения свойств сложных молекул. Есть очень хорошие теоретические и компьютерные методы, как мы можем с помощью квантовой механики предсказывать физико-химические свойства сложных молекул.

Н. Асадова Сейчас мы должны прерваться на 2 мин рекламы, затем вернёмся в эту студию, продолжим нашу передачу.

РЕКЛАМА

Н. Асадова Продолжаем передачу «Наука в фокусе». Наргиз Асадова, Егор Быковский в студии. Говорим сегодня про то, «что такое микромир и как его изучают?» с нашим гостем Анатолием Дымарским, физиком-теоретиком, профессором Сколтеха. И вот мы подошли к вопросу – как же мы изучаем этот микромир, если мы его не можем ни почувствовать, ни увидеть?

А. Дымарский У нас есть два основных способа изучения микромира: первый способ – экспериментальный, второй способ – теоретический. Экспериментальный способ – когда мы пытаемся сделать какой-либо эксперимент. Как правило, это либо эксперимент с элементарными частицами, либо это эксперимент космологический. С элементарными частицами у нас есть возможность эти частицы сталкивать на высоких энергиях в коллайдерах, расщеплять эти частицы, они превращаются одна в другую, мы что-то узнаём. Но, к сожалению, таким образом мы не можем ничего узнать про минимальный масштаб длины, про планковский масштаб, потому что энергии, которая потребуется, для того чтобы прийти на этот масштаб, абсолютно недостижимы. И речь идёт не о достижимости с точки зрения существующих технологий, а, может быть, даже принципиальной недостижимости. То есть этот масштаб энергий на много порядков величины превышает то, что теоретически мы можем на Земле здесь построить.

То есть экспериментальные…

Н. Асадова Это конец экспериментальной физики получается.

А. Дымарский Мы можем лучше разбираться с тем микромиром, который у нас есть. То есть мы можем улучшать наши знания про бозон Хиггса и понимать, с чем взаимодействует бозон Хиггса и так далее, и так далее, но мы таким образом вряд ли сможем понять, как правильно описать квантовую гравитацию.

Е. Быковский Вообще это действительно прямо философский провал, слом устоев. Раньше вся наука основывалась на эксперименте…

А. Дымарский Не всегда. Мы уже говорили сегодня о том, что в конце XIX века были теоретически неразрешимые вопросы, вот, тепловая смерть Вселенной. Это не был экспериментальный вопрос, правильно? Никто же не делал эксперимент со Вселенной и видел, что что-то не так происходит. Это был теоретический вопрос, это была на самом деле очень похожая ситуация.

У нас есть другой экспериментальный источник – это эксперименты, связанные с космосом, с реликтовым излучением в первую очередь. Но, опять-таки, если вам очень повезёт, они добавят каких-то знаний по поводу того, как наша Вселенная развивалась, когда она была очень молодой и очень маленькой. И мы тогда сможем что-то понять про квантовую гравитацию. Но вполне возможно, что космологические эксперименты нам в этом смысле тоже не очень помогут. Но кроме экспериментальных, у нас есть ещё теоретические методы изучения. Это наиболее мощные методы. Потому что они построены на внутренней непротиворечивости.

Точно так же как с тепловой смертью Вселенной, на практическом уровне всё было замечательно, но вы ставили мысленный эксперимент, который был основан на окружающей вас действительности. И вы видели, что Вселенная существует, но сам факт её существования не укладывается в ваше понимание теоретической ситуации.

Е. Быковский Да. Но ведь, наверное, логичнее было бы предположить, что есть несколько вариантов, точнее, неограниченное количество вариантов, которые внутри себя не противоречивы, но противоречат друг другу.

А. Дымарский Безусловно. Если вы строите теорию, то любая непротиворечивая теория, которая объясняет эксперимент, они все эквивалентно хороши. Но если у вас очень много экспериментальных данных, вы должны описать все происходящие вокруг нас явления – и вращение Земли вокруг Солнца, и столкновение элементарных частиц, и тот самый хиггсовский бозон, про который мы уже упоминали, вы всё это должны описать какой-то одной теорией.

Е. Быковский Но, насколько я понимаю, такой единой теории нет. В этом проблема.

А. Дымарский Безусловно. В этом заключается теоретическая проблема. Мы как раз видим, что если мы применяем те наработки, которые у нас есть, если мы их применяем для описания гравитации на квантовом уровне, то у нас получается противоречие. У нас получается незаконченный…

Н. Асадова Какой выход?

А. Дымарский Работать дальше. У нас есть методы продвигаться дальше, потому что, например, теория струн предлагает альтернативный вариант. Он включает в себя как некую часть тот аппарат теоретической физики, который объясняет элементарные частицы, а с другой стороны теория струн в некоторых конкретных случаях может объяснить квантовую гравитацию тоже.

Моя работа скорее связана с этой тематикой. Есть примеры так называемой дуальности. Дуальность – это слово, которое мы уже сегодня употребляли. Мы говорили о корпускулярно-волновом дуализме, когда одна и та же физическая система, вы её можете описывать абсолютно по-разному.

Н. Асадова Да, либо частица, либо волна.

А. Дымарский Может так получиться, что у вас есть какая-то физическая система, и у неё существует два описания, которые выглядят очень по-разному, но на самом деле каждое из них описывает систему абсолютно точно. То есть это такая ситуация, когда у вас есть, простите за аналогию, адмирал Крузенштерн – человек и пароход. То есть это звучит как некая шутка, потому что две эти вещи абсолютно разные: либо человек, либо пароход.

Е. Быковский Но словосочетание «Адмирал Крузенштерн» описывает обе.

А. Дымарский Да. То же самое происходит с дуальностью, с которой я постоянно работаю. Это так называемое голографическое соответствие. Научное открытие было сделано порядка 15 лет назад. Оно состоит в том, что некая система частиц, как мы называем – теоретико-полевая система, то есть система элементарных частиц, которая взаимодействует и которую вы воспринимаете именно как взаимодействующие элементарные частицы, то есть что-то похожее на происходящее в ускорителе, на самом деле имеет абсолютно другое дуальное описание в терминах геометрии, в терминах гравитации в абсолютно другом пространстве абсолютно другого количества измерений.

То есть у вас есть на первый взгляд две абсолютно разные вещи, которые вы даже не думали бы, что они связаны между собой. Но на самом деле оказывается, что это одна и та же физическая система, просто у неё есть два абсолютно разных описания.

Н. Асадова Мне как всегда хочется спросить: какие практические выводы и как это можно всё представить, потому что…

Е. Быковский Мне хочется спросить – почему назвали голографией? Голография – слово старинное, и что оно обозначало, абсолютно понятно.

А. Дымарский Это хороший вопрос, который может что-то объяснить. Почему назвали голографией? Голография – это методология с помощью двумерных изображений, с помощью фотографических карточек передавать изображение трёхмерных объектов. Но когда вы смотрите на голографическую картинку, вам кажется, что вы смотрите именно на трёхмерный объект.

Но есть некое чудо голографии заключается в том, что возникает объёмность, возникает дополнительное измерение. Вы смотрите на карточку двухмерную, а объект вы видите трёхмерным. То же самое происходит…

Е. Быковский Это просто использование особенностей нашей встроенной оптики. То есть за счёт расположения объектов в пространстве мы создаём такую иллюзию.

А. Дымарский Вы можете назвать это иллюзией, но, с другой стороны, если перед вами голографическая картинка или перед вами на самом деле есть трёхмерный объект и вы на него смотрите, то, что вы видите, оно абсолютно эквивалентно, правильно?

Е. Быковский Да, но это не одно и то же.

А. Дымарский Это не одно и то же. Но если вы хотите объект изучить, например, посветив на него фонариком, то тогда, посвятив фонариком на настоящий объект или посветив фонариком на голографическую картинку, вы увидите абсолютно то же самое. То есть с точки зрения того, как вы с этим объектом взаимодействуете, для вас это одно и то же.

Н. Асадова А что такое голографическое соответствие в квантовом мире?

А. Дымарский Что такое голографическое соответствие? Я сказал уже, что это равенство двух разных систем. Почему его назвали голографическим? Потому что одна система – это система частиц, живущих, грубо говоря, в нашем пространстве. Наше пространство трёхмерное. А ещё есть время, значит, (3+1)-мерное.

А другая эквивалентная система – это гравитация в пятимерном пространстве. То есть возникает дополнительное измерение.

Е. Быковский Гравитация как измерение?

А. Дымарский Нет. Гравитация как описание геометрии пятимерного пространства. Мы сегодня затрагивали тему гравитации и сказали, что гравитационные силы – это просто искривление пространства-времени. Мы говорили, что мы можем это себе представить как какие-то шарики, которые лежат на скатерти и возникают складки на этой скатерти. Оказывается, если вы посмотрите на гравитацию в пятимерном искривлённом пространстве, то есть некая пятимерная геометрия, то оказывается, что это то же самое, что частицы в четырёхмерном пространстве.

И я понимаю, что это звучит абсолютно фантастически…

Н. Асадова И трудно представимо.

А. Дымарский И даже представить себе невозможно, почему это так. И действительно это так только в очень специальном случае, когда пятимерное пространство искривлено очень специальным образом. Оно искривлено очень специальным образом, так, что вы пытаетесь жить только в маленькой части этого пространства, грубо говоря, вы пытаетесь жить на границе этого пятимерного пространства, это выглядит как некая такая пятимерная коробка или пятимерный шарик, вы приплюснули к границе, но вы в принципе можете в центр тоже пытаться выйти.

Н. Асадова У нас одна минута до конца передачи. Скажите, зачем вы этим занимаетесь. Что это даст?

А. Дымарский Я этим занимаюсь, потому что мне интересно ответить на фундаментальный вопрос – как работает окружающий мир на самом глубоком уровне? Это исключительно умозрительный вопрос.

Н. Асадова То есть можно сказать, возвращаясь к Интерстеллару, можно ли сказать, что если вы поймёте, как это на микроуровне устроено, то это, может быть, объяснит нам какие-то вещи в нашей Вселенной?

А. Дымарский Да, безусловно.

Н. Асадова Спасибо вам большое. Я напоминаю, что это была передача «Наука в фокусе». В студии были Наргиз Асадова и Егор Быковский, главный редактор журнала «Наука в фокусе». Говорили мы сегодня про микромир и про то, как его изучают, с нашим гостем, спасибо вам, что вы пришли, Анатолием Дымарским, физиком-теоретиком, профессором Сколтеха. Всем всего доброго и до следующего воскресенья.

Е. Быковский Спасибо, Анатолий. Удачного всем воскресного вечера. До свидания.

А. Дымарский Спасибо, до свидания.



Загрузка комментариев...

Самое обсуждаемое

Популярное за неделю

Сегодня в эфире