«Ищите да обрящете — это лозунг науки»: новосибирский физик о сверхзадачах и счастливых ошибках в исследованиях
Новосибирский доктор наук, физик Александр Мильштейн рассказал Тайге.инфо о будущем квантовых компьютеров, объяснил, почему наш мир построен на вероятностях и признал, что темную материю «родить» пока не удалось. Эксперт также отметил, что ученые часто совершают открытия, работая над совершенно другими вопросами.
Александр Мильштейн — доктор физико-математических наук и заведующий теоретическим отделом Института ядерной физики СО РАН им. Будкера.
Тайга.инфо: Чем занимается сегодня физика элементарных частиц? Была создана стандартная модель. В которой рассортировали кварки, мюоны, нейтрино и бозон Хиггса отдельно. И ничего не двигалось лет тридцать, наверное. Или я ошибаюсь?
— Что такое «двигалось», «не двигалось»? Давайте вернемся в XIX век и даже раньше. Люди все время задавали вопросы. Почему яблоко падает? Почему планета вращается вокруг Солнца или, наоборот, Солнце вокруг Земли? И вот отвечали на вопросы.
С электричеством разобрались, с механикой разобрались. С законом всемирного тяготения разобрались. И настал момент, конец XIX века, когда думали, что все уже закончено, все выяснили, все объяснили.
Особенно примечательна история с Максом Планком. Он был очень успешный и талантливый музыкант. Когда он закончил школу, у него стоял выбор, чем дальше заниматься – продлить карьеру профессионального музыканта или нет.
Все говорили: тебя ждет великое будущее. А он хотел физикой заниматься. И его профессор говорил: какая физика, уже всё ясно, всё закончено. Какие-то мелочи остались и всё. Но тем не менее он предпочел заниматься физикой. И вот прошло 10-15 лет — и все перевернулось.
В начале XX века такой революцией стали теория относительности и квантовая механика. Конечно, были открытия, что и говорить, но идеология квантовой механики не изменилась.
Модели стали более сложные, количество участников в пьесе стало больше, научились что-то вычислять, что раньше вычислять не умели. Но качественно – была квантовая механика, она и осталась в разных видах.
Люди привыкли за сто лет, что все время что-то открывали. Им хочется, чтобы все время что-то новое возникало, и все это ищут, но в основном натыкаются на новые явления, которые не ожидали, но вдруг увидели. А потом в результате разбирательства выяснялось, что явление-то новое, но его можно объяснить, если очень хорошо подумать и посчитать.
Произошло очень много чего, но с точки зрения революции нашего мировоззрения – нет. Правда, никто не сказал, что это не случится через год, два или три. Никто не может запланировать открытие.
Гарантировать, что «дадите деньги, построим ускоритель и откроем так называемую новую физику» – кто это может гарантировать? Это, как говорится, наверх, в вышестоящие организации, к Господу Богу.
Тайга.инфо: Правильно понимаю, что в физике есть вещи, которые не очень понятны или не очень хорошо объяснены? Например, являются ли частицы точками или шариками, условно говоря?
— Да, такие проблемы есть. Даже создание квантовой теории не решило этой проблемы. Но мы привыкли с этим жить. Потому что для того, чтобы кормить лошадь, не надо знать, как у нее устроена ДНК. Вот научились кормить лошадь, ездить на ней, выращивать для нее корм — в принципе, все работает.
У меня была такая история: я читал популярные лекции в [новосибирской] физматшколе о квантовой механике. И рассказывал, что такое спин, и как люди с ним мучились. Мы с вами классические объекты — друг друга видим, знаем, как перемещаемся в пространстве — и все явления, которые вокруг нас, мы хотим объяснять в тех же терминах классической механики.
Но возникает парадокс, когда мы пытаемся объяснять квантовое явление на классическом языке. Перестройка мировоззрения – это трудно. Со спином мучились, пришли к [лауреату Нобелевской премии по физике Вольфгангу] Паули, он сказал: не может быть. Потом выяснилось, что может. Тот же Паули создал математический аппарат, который это описывает.
Недавно была популярная лекция по поводу эксперимента в [американской] лаборатории Фермилаб по измерению аномального магнитного момента мю-мезона. И нужно было объяснить людям, которые, как вы говорите, обыватели, что такое магнитный момент частицы. И начинали говорить: шарик крутится, волчок заряженный, у него есть магнитный момент.
Студентам в университете объясняют на первой же лекции, посвященной магнитным моментам и спинам, что это вовсе не волчок. Если бы он был волчком, он должен был бы двигаться на поверхности со скоростью в 137 раз больше скорости света, а это противоречит теории относительности.
Насчет точечности электрона — еще в 1960-е годы в эксперименте пытались установить — может, он всё-таки не точечный. Ставили эксперимент по измерению, как сейчас физики говорят, формфактора электрона.
Фо-фактор – это слово, которое, грубо говоря, обозначает, что внутри есть какое-то распределение заряда или нет. Мерили-мерили — он оказался точечный и всё. Ну, что делать, значит, так. (Точечность электрического заряда должна означать бесконечную энергию, и соответственно, массу частицы, чего не наблюдается — прим. Тайги.инфо)
Тайга.инфо: У меня тогда сразу встречный вопрос. В коллайдере навстречу друг другу летят точечные электроны и точечные протоны. Как они друг в друга попадают?
— Это как раз вопрос терминологии. Вовсе они друг в друга не попадают. Что имеется в виду под столкновением? Земля к Солнцу притягивается, они между собой взаимодействуют, но это, слава Богу, не означает, что Земля попала в Солнце.
Тайга.инфо: То есть столкновение – это просто воздействие друг на друга?
— Они воздействуют друг на друга, реагируют друг на друга в зависимости от того, какова природа этого воздействия. Одно дело они на далеких расстояниях взаимодействуют, другое — на очень близких.
Тайга.инфо: А аннигиляция тогда что это?
— Аннигиляция – это переход частиц и античастиц в излучение, в электромагнитные волны.
Законы квантовой механики вообще говорят, что ты не можешь определить расстояние между частицами. Есть так называемое соотношение неопределенности: ты ничего точно не знаешь.
Характерные расстояния, на которых происходит аннигиляция – это порядка 10 в минус 11-й степени сантиметра. Это очень маленькие расстояния. Если электрон и позитрон (антиэлектрон) находятся примерно на таких расстояниях, то возможна аннигиляция. То есть это не то что бы лоб в лоб. Они же точечные, они не могут попасть лоб в лоб. Это не бильярдные шары.
Тайга.инфо: Можете назвать самые острые вопросы, которые остаются невыясненными? На поверхности темная материя. Условно говоря, мы знаем, что она есть. Из чего она состоит?
— Что такое «знаем»? Это то, что в суде называется прямые улики или косвенные. У нас есть бесконечное количество косвенных улик, которые говорят, что темная материя существует.
Но на самом деле эту темную материю никто не видел. В эксперименте родить пока не удалось. Мы просто видим астрономические проявления и интерпретируем их как наличие темной материи. Но никто не доказал, что нельзя найти другое объяснение. Поэтому, когда вы говорите «знаем» — не знаем. Мы думаем, уверены. Сильно уверены.
Тайга.инфо: А в физике сейчас есть какое-то общепринятое представление о том, что такое редукция квантовой функции? В квантовой механике же все описывается волновыми функциями.
— Это называется «редукция волнового пакета».
Тайга.инфо: Что это такое?
— Редукция волнового пакета — это страшная вещь. Тот же Эйнштейн в 1920-е годы – ему ужасно не нравилась квантовая механика. Он всё время говорил: Бог же не кидает нам орешек, как это так? Люди думали, что можно всё предсказать.
Сейчас есть законы Ньютона, и мы всё предсказываем, что будет дальше. А тут вдруг выясняется, что не можем. Есть разные вероятности, что будет так, что будет сяк. В бедные головы разных великих ученых это не укладывалось. И даже Эйнштейн, который внес один из ключевых вкладов в создание квантовой теории, никак не мог с этим смириться.
Что означают эти страшные слова — «редукция волнового пакета»? Допустим, вы откуда-то выстрелили электроном: он летит, и дальше вы не можете сказать где он, пока не произвели измерение.
Вы можете сказать, что он с такой-то вероятностью попадет налево, с такой-то — направо, с такой-то — вверх, с такой-то — вниз. И когда вы дальше делаете один конкретный эксперимент, вы его там либо поймали, либо нет. Но если вы его поймали справа, то он уже не может быть слева. Он точечный. Поймали справа, значит, он не может быть слева. Но до измерений он может быть где угодно с разной вероятностью. Поэтому вся квантовая теория сидит на понятии измерения — что и как измеряется.
Момент, когда вы произвели измерения и поймали частицу в одном месте, она уже не может быть ни в каком другом месте — вот это называется редукция пакета. Условно говоря, скорость редукции волнового пакета бесконечна, но это не противоречит теории относительности, поскольку в результате редукции пакета информация не передается.
Тайга.инфо: Был же эксперимент, что атом распадается на две частицы, они летят в разные стороны, а там их ловят детекторы. Один детектор не может знать, поймал ли другой частицу или нет, потому что что информация не может передаваться быстрее скорости света.
— Это называется парадокс Эйнштейна-Розина-Подольского.
Тайга.инфо: Он подтвержден экспериментально?
— Да, естественно. Таких проявлений очень много. Люди делали очень много красивых экспериментов, где все эти процессы запутывания очень популярны. Популярны эксперименты, когда что-то очень далеко справа влияет на то, что далеко слева.
Тайга.инфо: Китай запустил квантовую шифрованную связь. Это на этом запутывании связано?
— Да, конечно. Есть еще квантовые компьютеры, но это отдельная история. Сейчас каждый взял, с телефона позвонил. и тебя 101 секретная организация подслушала и расшифровала. Спрашивается: можно ли так зашифровать, чтобы никто тебя не расшифровал? И вот тогда придумали вот эти квантовые вычисления, которые позволяют умножать числа быстрее, чем обычный компьютер.
Весь принцип сидел на том, как разложить большое число на множители. Обычный компьютер, конечно, тоже разлагает, но ему требуется гораздо больше времени, чем квантовому компьютеру. ЦРУ, ФБР и другие [зарубежные] ведомства вкладывали большие деньги в создание квантовых компьютеров. В результате исследований много групп получали большое финансирование, занимались изучением квантовых явлений.
Квантовый компьютер, который можно продавать в магазине и использовать, до сих пор не существует. Зато в процессе исследования квантовых явлений, которые нужны для того, чтобы создать вот эти компьютеры, открыли кучу разных интереснейших эффектов. Спрашивается: а надо ли было вкладывать деньги в квантовые вычисления или нет? «Эликсир жизни не получился, но зато получилась очень хорошая мастика для полов».
Сверхзадача может не привести к успеху, но в процессе этого длинного пути ты можешь понаоткрывать столько всего, что уже и не важно, что ты хотел в самом начале.
Тайга.инфо: Мы роем один клад, но может быть найдем какой-то другой.
— Ищешь клад пиратов, а находишь залежи серебра. Поставил шахту, выкопал. Как говорится, ищите да обрящете — это есть лозунг науки.
Беседовал Алексей Мазур