Представить себе, что было бы сегодня с миром, если бы физики не занимались фундаментальными, абсолютно отвлеченными исследованиями 100, 50, 25 лет назад не то что трудно - невозможно. О прошлом, настоящем и будущем матери естественных наук рассказывает академик Людвиг Фаддеев.
Чем сейчас занимается фундаментальная физика и математика?
У физики одна задача - раскрывать структуру неживой материи. То есть исследовать вещество - то, из чего состоит все, что вокруг нас есть. Полученные при этом знания приводят к важнейшим применениям в обычной жизни людей.
В наше время эта работа продвинулась так далеко и мы дошли уже до такой степени детализации, до столь малых величин, что объяснить простыми словами то, чем мы занимаемся, практически невозможно. Объекты, которье мы изучаем - элементарные частицы, - настолько малы, что не видны ни в один сверхмощный микроскоп. Все это очень не наглядно, и это невозможно описать словами - только математическими формулами. Соответственно, математика - это язык современной физики. Без нее наши исследования было бы не описать.
Основное достоинство математики как языка - в ее точности, универсальности и интернациональности. Только математика может обеспечить точность, стремящуюся к абсолютной. Математика может описать и звезды, и протоны с нейтронами. И при помощи математических формул ученые разных стран могут понимать друг друга не прибегая к помощи переводчиков.
Как развивалась фундаментальная естественная наука в последние полтораста лет?
Если рассмотреть исследование вещества, то уже в XIX веке стало ясно, что наименьшей частицей вещества является молекула. В свою очередь молекулы состоят из атомов - наименьших частиц чистых веществ, так называемых элементов. Менделеев создал периодическую таблицу элементов, в которой они были сгруппированы по своим химическим свойствам.
В начале XX века выяснили, что атом состоит из ядра и электронов. А в 30-х годах XX века поняли, что и ядро составное - состоит из протонов и нейтронов. Начиная с 60-х годов мы считаем, что протоны и нейтроны состоят из еще более маленьких частиц - кварков. Косвенное подтверждение их существования ученые получили в 70-х годах.
Описание кварков, электронов и их действия основано на принципах релятивистской теории и квантовой физики.
Квантовая физика родилась в 1899 году, когда Планк написал «формулу излучения абсолютно черного тела», куда вошла его знаменитая постоянная - «постоянная Планка». Это открытие Эйнштейн в 1905 году применил для объяснения фотоэффекта.
Нильс Бор достаточно простым способом в 1913 году объяснил теорию атома водорода и таблицу Менделеева. А по-настоящему последовательная квантовая теория была создана в 1925 году Гейзенбергом и Шредингером.
Релятивистская физика, которую часто называют «частной теорией относительности», также связана с именем Эйнштейна. Но большой вклад в ее создание внес и знаменитый математик Пуанкаре.
Каков масштаб теории элементарных частиц? Кварки - насколько они малы?
Нильс Бор предложил планетарную модель атома. Достоинство планетарной модели - это наглядность и простота для понимания. В Гамбурге, в DESY - это национальная немецкая лаборатория по физике высоких энергий - есть музей, а в нем есть модель атома, очень наглядная. Там столб, на столбе острие, на острие такая маленькая крупинка, а вокруг столба на расстоянии 4 метра можно ходить по кругу по орбите электрона. При этом самого ядра «атома» на вершине острия будет даже не видно.
Но планетарная модель атома очень примитивна. Во-первых, скорость электрона настолько велика, что невозможно сказать, что он «вращается» вокруг атомного ядра, как планеты вокруг Солнца. Да и относительное расстояние от ядра атома до электрона больше, чем от Солнца до планет. Если размер атома - диаметр орбиты электрона - это порядок 10-8 см, то диаметр самого ядра протона - это порядок 10-13см. Диаметр Солнца - около 1 400 000 км, а расстояние от Земли до Солнца - 149 600 000 км, значит, диаметр орбиты около 300 000 000 км. В атомарном случае разница порядка 104 раз, а в планетарном - порядка 102 раз.
Составная теория ядра возникла потому, что заряд ядра меньше его атомного веса. Так что кроме протонов, в нем должно быть что-то еще. Так пришли к предположению о нейтроне, которое затем экспериментально было проверено.
А теперь, как уже говорилось, мы считаем, что протон и нейтрон - сами составные, состоят из кварков. Но о размере кварков говорить трудно, поскольку они не наблюдаемы.
Людвиг Дмитриевич Фаддеев
Академик РАН, член президиумов РАН и Санкт-Петербургского научного центра РАН, академик-секретарь отделения математики РАН и директор Международного математического института им. Эйлера, иностранный член национальных академий наук Польши, США, Швеции, Франции, Финляндии и Бразилии, член Европейской академии, иностранный почетный член Американской академии искусств и наук, почетный член Финской академии наук и литературы.
Родился в 1934 году в Ленинграде.
Учился на физическом факультете Ленинградского государственного университета по специальности «физика», окончил в 1956-м. В 25 лет (1959) защитил кандидатскую диссертацию на тему «Свойства S-матрицы для рассеяния на локальном потенциале». Докторскую диссертацию по результатам исследований в области квантовой теории рассеяния для системы трех частиц защитил в 29 лет (1963). С1967 года - профессор Ленинградского (Санкт-Петербургского) государственного университета. Был избран действительным членом (академиком) Академии наук СССР в 42 года (1976). С 1976 года - заместитель директора Математического института имени В.А. Стеклова по Санкт-Петербургскому отделению.
Награжден орденами Трудового Красного Знамени, Ленина, Дружбы,« За заслуги перед Отечеством» IV и III степени, Государственной премией СССР, золотой медалью РАН им. Эйлера, премией им. Померанчука Института теоретической и экспериментальной физики, Демидовской премией, Государственной премией РФ. Получил премию им. Хайнемана Американского физического общества (1974), премию им. Карпинского фонда Топфера в Гамбурге, медаль им. Макса Планка Германского физического общества, медаль им. Дирака Международного института теоретической физики в Триесте (1991).
Выдающийся российский математик, один из создателей современной квантовой математической физики с приложениями в ядерной физике и теории элементарных частиц. Его ученики работают в крупнейших институтах и университетах мира. Его именем назван математический аппарат для квантовой теории рассеяния.
То есть обнаружить кварки невозможно, их можно только предположить?
Эксперимент в физике элементарных частиц основан на столкновении их и получающейся при этом картине. Эти столкновения элементарных частиц осуществляют в огромных ускорителях, а результат столкновения улавливают детекторами. Самый большой ускоритель находится в окрестностях Женевы, в Швейцарии, и представляет собой трубу, замкнутую в кольцо диаметром в несколько километров. В этом кольце ускоряют поток протонов, который осуществляет эти столкновения. Чтобы получить протон, надо взять атом водорода и сбить с него электрон. А вот кварки так получить невозможно, потому что по одному они не существуют. Кварки в протоне связываются нитями - струнами, которые создаются так называемыми полями Янга - Миллса. Нить выходит из одного кварка и с другим соединяется, и эту нить не порвать. Но, тем не менее, эта картина оказалась необходима для объяснения экспериментов на ускорителях.
Поля Янга- Миллса тоже сначала были введены чисто теоретически. Но теперь следствие, вытекающее из их теории, подтверждено экспериментом. Эти поля тоже не проявляют себя в явном виде.
Когда меня выдвигали на одну из государственных премий за правильное математическое описание полей Янга-Миллса, один известный академик сказал: «Да кто видел эти поля?!» И премию мне не дали. А теперь мы понимаем, что без полей Янга-Миллса ядерные взаимодействия не описать. И за приложения полей Янга-Миллса в теории элементарных частиц дано уже три Нобелевских премии.
Хотя картина кварков сейчас общепринята, в ее математической формулировке у науки есть еще много вопросов. За решение одного из этих вопросов, связанного с теорией Янга - Миллса, Математическим институтом в Бостоне обещана премия в $1 млн.
Как сопоставляются фундаментальная физика и ее практические применения? Что из привычной нам техники от каких фундаментальных открытий произошло?
Если взять размеры порядка человека и скорости, которые ему привычны и понятны - даже 300, 1000 км/ч: «Формула - 1», самолеты, - это все обслуживается классической, «ньютоновской», макрофизикой. Она наглядна, ее учат в школе и технических вузах: механика, гидродинамика, аэродинамика и так далее, и ее практические приложения очевидны.
Самое грандиозное практическое приложение дало открытие законов электричества Фарадеем и Максвеллом. Это и электрическое освещение, и трамваи, и радио, и рентгеновские лучи.
Соответствующая теория - электродинамика - использует релятивистские принципы.
Ядерная физика основана на квантовой теории. И дала нам как атомные электростанции, так и атомную бомбу. Водородная бомба тоже относится к этому же разделу физической науки. Наличие ядерного оружия охраняет наш мир от большой войны уже в течение 60 лет.
Другая отрасль ядерной физики - это теория полупроводников. Она дала нам телевизоры, ПК, сотовые телефоны, разные способы передачи данных и миниатюризацию радиофизики. Замена радиоламп чипами дала возможность перейти от вычислительных машин, в силу своего громадного размера требующих для себя специальных зданий, к современным суперкомпьютерам, которые могут поместиться в шкафу, и настольным персональным компьютерам.
Насколько далеко физика элементарных частиц ушла в своих исследованиях от физики конденсированного состояния?
Физика конденсированного состояния, также как и химия, основана на релятивистской квантовой механике.
А теория элементарных частиц объединяет и квантовые, и релятивистские принципы. И поскольку речь идет об очень маленьких размерах и очень больших скоростях, приложение этого всего в нашей жизни неочевидно. А зато для математики здесь полное раздолье.
Что дает нам дальнейшее развитие физики элементарных частиц?
Пока неизвестно. Еще не было этого фундаментального скачка в технологиях, сопоставимого с открытием электричества или переходом от радиоламп к полупроводникам.
Вообще, вся электронная техника основана на физике конденсированного состояния. А вот занятие релятивистской физикой как таковой еще неизвестно что нам даст. Но это будет что-то принципиально новое. Может быть - описанное в фантастике, а может - такое, до чего и фантасты не дофантазировались.
Я не склонен к фантазиям, мне трудно предположить. Мы работаем не потому, что думаем, как это будет применяться. Нами движет стремление понять, что нас окружает. И история показывает, что новые знания всегда приводят к новым технологиям.
При этом приложения могут возникать в самых неожиданных направлениях. Например, в химии, для того чтобы фильтровать некоторые чистые вещества, нужны мембраны с очень маленькими «дырочками». Сделать их настолько сложно, что почти невозможно. И в Дубне, в Международном институте ядерных исследований, придумали следующее: в ускорителе, который используется для физики высоких энергий, пленка бомбардируется атомными ядрами. Ядра летят и пробивают эти «дырочки», и получается такое сверхмелкое «сито».
Получается «сито» - мембрана с дырочками размером с атомное ядро?
Ну, не совсем с ядро, чуть больше. Ядро же, как пуля, летит с большой скоростью, пробивает отверстие, которое пошире будет, чем диаметр атомного ядра.
Есть какие-нибудь еще применения физики элементарных частиц?
Еще есть ускорители электронов, основанные на встречных пучках. В Институте ядерной физики в Новосибирске их научились делать очень маленькими, и порождаемое ими синхротронное излучение можно использовать совершенно по-разному: от томографов до дезинфекции.
Повторю еще раз, никогда не знаешь, что и где найдет свое применение. Недавно встретил специалиста из Нью-Йорка, который сказал, что одну мою математическую теорему использует в медицине.
Насколько далеко по времени технические изобретения отстоят от фундаментальных физических открытий, на которых они основываются?
В конце XIX века техника шла с отставанием лет в 50-60 от науки, в прошлом веке – лет в 30-40. Процесс применения ускоряется. Так что техники, основанной на квантовых и релятивистских принципах, можно ждать в ближайшие десятилетия.
Есть ли самостоятельные направления в современной математике, не связанные с физикой?
Конечно! Математика - очень большая наука, и математическая физика -это только одно из направлений. Фундаментальная часть математики - это алгебра, математический анализ, геометрия, теория чисел, теория вероятностей. Математика еще менее наглядна, чем физика. И понять ее еще сложнее. Что сейчас происходит в математике? Решаются старые задачи - например, недавно была доказана знаменитая теорема Ферма. И каждый день возникают новые задачи, математика ими богата. У математики есть своя внутренняя логика развития, и она, математика будет, развиваться вечно, пока есть люди.
Насколько это важно - чтобы в государстве развивалась наука?
Как я уже неоднократно говорил, никогда не знаешь, что из того, чем занимается фундаментальная наука, пригодится в практической жизни, когда это произойдет и для чего будет применяться. Слишком высока степень абстракции.
Но без фундаментальных открытий не может быть и прикладных изобретений. Упомянем еще раз электричество: некоторые почему-то думают, что оно было всегда. А на самом деле оно вошло в нашу жизнь только в конце XIX века. А применения ему тогда еще не было, это было просто одно из открытий, с которым поначалу никто не знал, что делать. А сейчас использование электричества настолько широко, что все жители цивилизованных стран не представляют своей жизни без него. Значит, люди не представляют своей жизни без фундаментальной науки. Прекращение развития фундаментальной науки означает конец прогресса.
Тогда почему у нас ученые получают так мало денег?
Это другая проблема, она относится не к науке, а к политике. Проблема фундаментальной науки, в частности физики, состоит в том, что понять ее могут только профессионалы, а большинству населения непонятно, чем мы занимаемся, и поэтому они думают, что это не нужно.
Хорошо бы, чтобы они понимали, что они пользуются следствиями фундаментальной науки каждый день. Максвелл и Фарадей, создав физику электричества, оплатили фундаментальную науку вперед на все времена.