Научный руководитель, Национальный центр физики и математики (НЦФМ) Александр Сергеев на радиостанции „Комсомольская правда“
Фото: Владимир ВЕЛЕНГУРИН. Перейти в Фотобанк КП
Каким образом изучение микромира даст человечеству доступ к энергиям, которые превосходят атомную? Как физика объясняет мир вокруг нас? Почему наш повседневный опыт, основанный на пяти чувствах, мешает нам понять устройство Вселенной? Об этом в программе «Время науки» на Радио «Комсомольская правда» говорили радиожурналист Мария Баченина и научный руководитель Национального центра физики и математики, академик РАН Александр Сергеев (2 августа Александру Михайловичу исполнилось 70 лет, «Комсомолка» от всей души поздравляет с юбилеем выдающегося ученого – Ред).
ПОЧЕМУ ОБЫЧНОМУ ЧЕЛОВЕКУ СЛОЖНО ПОНЯТЬ ФИЗИКУ
Мария Баченина:
– Друзья, сегодня хочу обсудить распространенное и не совсем ясное понятие в физике, которое часто используется для объяснения самых разных явлений – это понятие называется “поле”. Оставим в стороне колхозные поля и поле брани, нас сейчас интересуют поля магнитные, электрические, электромагнитные и даже гравитационные. Почему ученые пришли к выводу, что поля – это один из самых значимых видов материи в физике?
Александр Сергеев:
– Вообще говоря, мир по представлению физиков, состоит из частиц и полей. Наверное, впервые потребность описать что-то с помощью поля возникла во времена Ньютона. И вопрос шел о гравитационном взаимодействии или, проще говоря, о силе тяжести. Она нами воспринимается, как основная сила, которая действует и на живые существа, и на неживую материю. Почему именно гравитация? Потому что астрономия всегда была самая передовая из наук, и придворные астрономы были не последними людьми в окружении самодержцев. Поэтому самое передовое знание приходило в мир через астрономию. Астрономия объясняла устройство Солнечной системы, вращение планет, следование Луны вокруг Солнца. И понять эту механику без гравитации невозможно. А что такое это гравитационное взаимодействие? Вот Земля летает на большом расстоянии от Солнца – почему одно небесное тело чувствует другое? Как это можно описать?. В Законе всемирного тяготения ведь никакого поля нет, там есть сила взаимодействия. И вроде бы можно обойтись без такого понятия, как поле. Но как только встает вопрос о динамических процессах, то без полей уже не обойтись. А “динамически” — это означает наличие некой движущейся материи, присутствие которой мы можем померить.
Например, если у вас есть частица или атом, в котором происходит переход электронов между уровнями – то эта система излучает электромагнитную волну. Мы можем измерить ее энергию, направление распространения, поляризацию этой волны и вот здесь без поля уже никак не обойдешься. Это самостоятельная субстанция, абсолютно необходимый физический объект, который был введен в обиход физиками.
Мария Баченина:
– Почему необходимый?
Александр Сергеев:
– Ну, смотрите: когда мы говорим про материю, мы можем рассмотреть ее под микроскопом, пощупать ее свойства и сказать, это объект с такой-то массой, структурой и зарядом. А если мы с вами исследуем с помощью приемников излучения электромагнитную волну, то можем сказать: ребята, вот волна, она здесь! Слушайте, Мария, вот мы с вами сидим в радиостудии, ну, здесь же поля, это очевидно.
Мария Баченина:
– Не знаю. Я их не вижу.
Александр Сергеев:
– Хорошо. Давайте зайдем с другой стороны. Вы сейчас пытаетесь перенести на физику нашу привычку знакомиться с окружающим миром используя органы чувств – зрение, слух, тактильные ощущения и так далее. Но когда мы переходим в другую систему координат – в масштабы Вселенной или в микромир – наши органы чувств бессильны дать нам реальную картину. Мы интуитивно, из своего опыта ощущений, не можем эти процессы понять. А когда нет интуитивного понимания, тогда надо вводить определения: как мы будем измерять то, чего в нашей повседневной бытовой практике не существует? Возьмем, к примеру, интернет. Кстати, он у нас сейчас работает?
Мария Баченина:
– Работает.
Александр Сергеев:
– Это замечательно! Потому что электромагнитные волны СВЧ-диапазона доносят до наших слушателей в интернете то, что мы говорим. Мы эти волны не видим, но утверждать, что их нет – бессмысленно. Потому что, если бы их не было, мы бы с вами не могли общаться. Еще раз: измерение – это не обязательно пощупать материю руками…
Мария Баченина и Александр Сергеев
Фото: Ольга ЮШКОВА.
ГЛАВНАЯ ИДЕЯ ФИЗИКИ В ДВУХ СЛОВАХ
Мария Баченина:
– Тогда давайте все-таки определимся. Просто я очень хорошо помню из учебника физики, что поле – это особый вид материи. Если это так, то мы можем поле пощупать или увидеть его в какой-то электронный микроскоп? Или мы в этой области должны отключить житейскую логику и чувствовать формулами и математическими уравнениями?
Александр Сергеев:
– Есть детекторы, способные почувствовать и измерить гравитационное, магнитное, электрическое поле и другие поля. На сегодняшнем уровне знаний нам известны четыре типа полей или четыре типа взаимодействий. Гравитационное взаимодействие было открыто первым, хотя до сих пор окончательно нами не понято. Потому что его свойства оно очень тесно интегрированы в свойства пространства. Вторым было описано и понято электромагнитное поле. Это уже 19 век. Фарадей объяснил: вот электрические заряды и электрические поля вокруг них, вот магнитные поля, а вот токи – источники магнитных полей. Дальше произошло объединение и в теории Максвелла появилось электромагнитное поле, которое несет информацию и об электрических зарядах, и о токах. Кстати, это объединение было первым в истории науки объединением двух, казалось бы, разных взаимодействий. Вообще задача объединить все взаимодействия в рамках одной теории – это с 19 века и до сих пор огромная мечта всех ученых. И, собственно, под знаком построения Теории великого объединения всего, физика и развивается.
Мария Баченина:
– Александр Михайлович, а в микроскоп можно разглядеть электромагнитное поле или пока не удалось? Из чего оно состоит?
Александр Сергеев:
– Что такое микроскоп? Микроскоп – это визуальная информация, которую вы получаете в оптике. Вы видите различные коэффициенты отражения или преломления света, который падает на ваш объект в микроскопе. Если поля, которые вы измеряете, приводят к тому, что свет преломляется или отражается, то вы поле в принципе увидеть можете.
Но вернемся к четырем типам взаимодействий. Что произошло дальше? Мы до 30-х годов прошлого века больше ничего не знали: только гравитационное и электромагнитное. Затем была открыта структура ядра. Ядро – это протоны и нейтроны. И эта структура существует устойчиво. Конечно, есть ядра, которые радиоактивно распадаются, но есть и те, которые существуют совершенно стабильно, даже радиоактивный урана-238 можно считать почти таким (у него период полураспада 4.5 миллиарда лет). И оказалось, что существуют еще какие-то силы. Ведь что получается? Нейтроны – это нейтральные частицы, а протоны – заряженные частицы, но они сидят вместе и почему-то не разлетаются. Ядро в целом положительно заряжено, все это должно взорваться, но не взрывается.
Значит, есть какое-то другое взаимодействие, которое держит частицы в ядре вместе. Так, в результате открытия структуры ядра, физики начали говорить о так называемом сильном взаимодействии.
Ядро – это протоны и нейтроны. И эта структура существует устойчиво. Фото Natali _ Mis/Shutterstock/Fotodom
Электромагнитное взаимодействие действует очень далеко. И те всплески электромагнитного поля, которые возникли в первые мгновения существования Вселенной, до сих пор гуляют по космосу, мы их ловим, изучаем, за это дают Нобелевские премии. А вот сильное взаимодействие оказалось очень короткодействующим, его силы сосредоточены только внутри ядра атома. Поэтому была придумана наука ядерная физика. Но нам до сих пор непонятно точное геометрическое устройство ядра. Где там эти нейтроны и протоны? Они как-то кучкуются или равномерно распределены? Это застывшая система или она дышит? Это тоже открытый вопрос.
КАКОГО ЦВЕТА ПРОТОНЫ И НЕЙТРОНЫ?
Мария Баченина:
– А какой они формы? Они кругленькие?
Александр Сергеев:
– Вы задаете вопрос опять-таки из нашей повседневной жизни – они кругленькие, квадратненькие или еще какие-то… Наверное, не очень правильно задавать этот вопрос относительно устройства микромира. С нашими интуитивными представлениями мы там чувствуем себя, как слон в посудной лавке. А с другой стороны, когда мы говорим о физике, мы же должны использовать какие-то понятные образы? Тогда – да, в системе бытовых образов мы можем считать, что «оно» круглое. Вернемся к физике. Значит, у нас есть общая теория относительности, которая описывает гравитационные взаимодействия. Есть уравнение Максвелла, которое описывает электромагнетизм. А для описания сильных взаимодействий создана теория, которая называется квантовая хромодинамика, и там условный «цвет» частиц основной параметр. Это третье взаимодействие существует только на масштабе ядра. Теперь вопрос: что является носителем этого взаимодействия? Протоны, нейтроны? Поначалу все так и думали. Но в итоге все пришло к тому, что протоны и нейтроны не фундаментальные частицы, у них есть структура.
Мария Баченина:
– Вы имеете в виду, что их можно разделить?
Александр Сергеев:
– У протона и нейтрона внутри есть три кварка. Кварки связаны внутри протонов и нейтронов глюонами, глюонными полями…
Мария Баченина:
– Но мы еще не заглянули внутрь глюона?
Александр Сергеев:
– Пока нет. Сейчас изучается один из очень важных вопросов: а может ли глюон существовать в свободном состоянии? Допустим, мы сумели эти кварки оттуда вытащить, тогда глюоны (поля, которые связывали кварки) – они улетают в свободное плавание? Есть даже такой термин – глюбол. То есть, это пока гипотетические рассуждения, передний край научных исследований. Но мы с вами, Мария, люди системные, поэтому вернемся к списку полей. Есть и четвертая сила – это слабое взаимодействие со своими особенными полями. Эта сила, например, отвечает за превращение свободного нейтрона в протон, и, возможно, за распад протона, хотя по теории время его жизни чудовищно велико – не менее 10 в 34 степени лет. У наших студентов в Национальном центре физики и математики есть очень интересный веселый день – он называется День распада протона (его празднуют 18 мая – Ред). Поскольку протон – это частица по человеческим меркам абсолютно стабильная и вероятность этого события стремится к нулю… Открыли четвертый тип – слабое взаимодействие, оно отвечает на вопрос: почему свободные нейтроны живут всего-навсего 15 минут. Но в ядрах они не свободны, у них появляется устойчивость и вместе с протонами они могут жить бесконечно долго. Вот это – чудеса ядерной физики.
Мария Баченина:
– Стоп, давайте разберемся! Мы уже столько частиц назвали, сейчас запутаем слушателей и читателей окончательно. Протон – это элементарная частица, одна из трех…
Александр Сергеев:
– Мария, да что с вами сегодня?! Ну, какая же протон элементарная частица, если она состоит из кварков? Значит, она не элементарная, а составная.
Все знакомы с таблицей Менделеева. Когда Дмитрий Иванович ее сформулировал, в таблице были пустые клеточки, в которых должны были находиться еще не открытые элементы. Фото megaflopp/Shutterstock/Fotodom
КАК ОТКРЫТИЯ ФИЗИКИ МЕНЯЮТ ОСНОВЫ МИРОПОРЯДКА
Мария Баченина:
– Можно я задам вопрос, который возник у меня с самого начала? Вот мы погружаемся все глубже и глубже в этот микромир. А зачем? Зачем изучать поля? Какая от этого польза в нашем с вами макромире?
Александр Сергеев:
– Смотрите, мы до 30-х годов прошлого века не знали устройства ядра. Узнали устройство ядра – протоны, нейтроны и тд. Затем поняли, как делится ядро и запускается цепная реакция деления. Так вот цепная реакция урана привела к кардинальному изменению всего нашего миропорядка. Появилось ядерное оружие, ядерная энергетика – все это привело к колоссальным геополитическим изменениям. И когда мы говорим: “А чего ученые ищут в этом микромире?” Надо понимать следующее – реакция извлечения энергии при распаде урана или получение термоядерной энергии при синтезе легких ядер, это далеко не конец науки. Ученые абсолютно уверены, что есть более эффективные способы извлечения энергии в микромире. Для этого его нужно изучать на более глубоком уровне.
Все знакомы с таблицей Менделеева. Когда Дмитрий Иванович ее сформулировал, в таблице были пустые клеточки, в которых должны были находиться еще не открытые элементы (их потом нашли). И такое предсказание – это сила модели. Сегодня мир на уровне частиц и полей описывает Стандартная модель. На этом уровне понимания тоже есть несколько дыр, как и в таблице Менделеева, например, где место для гравитации. И ученые в экспериментах должны найти недостающие фрагменты и закрыть эти дырки. Последний великой находкой был бозон Хиггса. Но по-прежнему чего-то не хватает.
Мария Баченина:
– А увидеть глазами все это можно?
Александр Сергеев:
– По поводу визуализации, я вам расскажу историю про гравитационные волны. Статическое гравитационное поле, которое притягивает Луну к Земле, открыл великий Ньютон. Но великий Эйнштейн в начале 20 века предсказал существование гравитационных волн. Смысл в том, что гравитационные поля могут быть не только стационарными, но и динамическими , они могут отрываться от гравитирующих тел и распространяться в пространстве. Их можно ловить и по ним следить за явлениями, которые происходят во Вселенной. Гравитационные волны были открыты в 2015-м году (за это потом дали Нобелевскую премию) и две группы российских ученых оказались причастными к этому открытию (одну из этих групп возглавлял Александр Сергеев – Ред). В этой работе участвовали тысяча людей, но мы там оказались в числе авторов первой статьи по детектированию гравитационных волн – это греет.
Мария Баченина:
– Я в этом не сомневаюсь.
ЧТО ОБЩЕГО МЕЖДУ ЖЕНЩИНОЙ В ЧУЛКАХ И ГРАВИТАЦИОННОЙ ВОЛНОЙ?
Александр Сергеев:
– Что вызывает появление гравитационных волн? Какие-то очень крупномасштабные и энергетически мощные процессы: вспышка сверхновой, слияние черных дыр, столкновение нейтронных звезд… И вот здесь очень интересный момент подлежал осмыслению. Потому что строго, с научной точки зрения, гравитационные волны – это изменения метрики пространства. Что это такое? Мария, вот представьте чулки в сеточку. Вот вы их надеваете и ячейки расширяются в одном направлении и сжимаются в другом… И когда гравитационная волна приходит, тоже самое происходит с пространством.
Мария Баченина:
– Искажение пространства.
Александр Сергеев:
– Да. Поэтому нашим дамам надо иметь в виду, когда вы надеваете чулки в сеточку, вы визуально представляете те самые гравитационные волны. Вот как прекрасно выглядит наш мир… Теперь про детектирование гравитационных волн, оно осуществляется следующим образом: свет в приборе (он называется интерферометр), бегает между двумя зеркалами. И мы мерим время, в течение которого свет преодолевает расстояние между ними в продольном и поперечном направлении. Когда приходит гравитационная волна и искажает пространство, расстояние между этими зеркалами в одном направлении увеличивается, а в другом направлении уменьшается. Соответственно свет в одном направлении преодолевает расстояние быстрее, а в другом – дольше, и физики теперь это умеют измерить. Вот это тот случай, когда сложное физическое явление можно представить в образе, который мы интуитивно понимаем.
Мария Баченина:
– Может быть, вообще существует только одно поле? А эти четыре типа взаимодействия просто его разные проявления?
Александр Сергеев:
– Да, есть идея создать теорию, которая устройство мира описывает через единое поле. Главная проблема, в том, что гравитационное поле стоит особняком. Не получается великое объединение его с электромагнитным, сильным и слабым взаимодействием. Гравитационные силы, хотя и были открыты первыми, так и не были нами поняты до конца. И, по-видимому, будет сделано еще много открытий, которые помогут ввести гравитационное поле в единую модель взаимодействия. Это, по аналогии с таблицей Менделеева, будет следующим шагом в развитии Стандартной модели. Вот когда белые пятна в ней будут закрыты, есть большая вероятность, что мы получим ключ к получению энергий совершенно иного порядка.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ
Навигация по нейтронным звездам, золото и “вечные” двигатели: чем исследования космоса полезны для человечества
СЛУШАЙТЕ ТАКЖЕ
Какой астероид может пробить насквозь Землю или сместить ее с орбиты
