Вверх по квантовому дереву
Как молодому ученому разобраться во всем многообразии направлений теоретической физики? Как узнать, какие области уже, возможно, исчерпали свой потенциал, а какие только ждет бурное развитие? Ответы на эти вопросы вы найдете в колонке Кирилла Семенова-Тян-Шанского, академического руководителя магистерской программы «Физика» и заведующего базовой кафедрой НИЦ «Курчатовский институт – ПИЯФ» в Питерской Вышке.
Стандартная модель и поиски новой физики
Уже почти 50 лет назад, в конце 60 – начале 70 гг., была сформулирована Стандартная модель взаимодействия элементарных частиц. Этот пазл собрался, когда были открыты кварки и глюоны, слабые токи и промежуточные бозоны, построены объединенная электрослабая теория и теория сильного взаимодействия (квантовая хромодинамика). Последним кирпичиком в этой картине стал бозон Хиггса, который наконец обнаружили в 2012 году в ЦЕРНе.
После того, как была сформулирована Стандартная модель, ученые стали думать, как должна быть устроена Природа на более мелком масштабе. Были предложены различные сценарии, построен огромный набор теоретических моделей. Предполагалось, что после открытия бозона Хиггса, Большой адронный коллайдер переключится на поиски новой физики – новых взаимодействий, которые должны проявить себя при более высоких энергиях или, что то же самое, на более маленьких расстояниях. Простейшим доказательством такой теории были бы новые частицы. Например, обнаружение еще одного бозона Хиггса, кандидатов в Темную материю и (или) суперсимметричных партнеров обычных элементарных частиц. Но пока новая физика в ЦЕРНе не найдена. И это создает ворох теоретических проблем. В частности, суперсимметрия, в том числе важная для создания гипотетической теории всего на свете на основе теории струн, так и не была обнаружена.
А это означает, что огромная гора работ, написанная теоретиками за последние полвека, если не идет в утиль, то поставлена под большой вопрос. И нужны новые идеи, которые объяснят, что делать дальше и как правильно понимать то, что мы видим. Природа, конечно, могла пошутить над нами. Может так статься, что Большой адронный коллайдер больше ничего не найдет, и что мы находимся на пороге большой логарифмической пустыни. Наши технические возможности по созданию ускорителей, понятное дело, ограничены. И если Природа устроена так, что дальше лежит пустота, и новых частиц нет вплоть до очень высоких энергий, мы их в ускорительных экспериментах не увидим. Возможно, ускорительная физика ведет нас в тупик. Нужны другие, косвенные способы понять, как устроено элементарное взаимодействие на сверхмалых масштабах.
Астрофизика
Но к счастью, в нашем распоряжении есть другой грандиозный эксперимент по физике частиц — это наша Вселенная. Большие надежды, что мы разберемся с тем, как устроено элементарное взаимодействие, связаны с астрофизикой. Она стала важнейшим источником информации для изучения фундаментального взаимодействия. Фундаментальные теории должны быть согласованы с картиной развития Вселенной после Большого взрыва, которую мы понимаем более или менее правильно. Есть замечательные эксперименты по изучению реликтового излучения, его неоднородности. Как раз новые взаимодействия, которых мы пока не обнаружили, могли оставить отпечаток на каких-то астрофизических параметрах Вселенной еще тогда, когда она была маленькая и горячая.
Физика конденсированного состояния
Виктор Юрьевич Петров, многолетний руководитель Теоретического отделения ПИЯФ, учил, что для теоретика-полевика физика конденсированного состояния представляет огромные возможности. Если вернуться к физике элементарных частиц, о которой я уже говорил, то там есть одна правильная теория, описывающая наш мир, к которой мы, надо надеяться, постепенно приближаемся. Но есть еще масса замечательных идей, которые не нашли своего применения в физике элементарных частиц просто потому, что Природа оказалась устроена иначе. Приведу такую аналогию: человек идет на охоту. Если в лесу ровно один фазан, то каким бы опытным охотник ни был, больше одного фазана он не поймает. А физика конденсированного состояния необычайно богата системами, которые могут быть описаны на квантово-полевом языке. И если ваша идея не подошла к одной системе, она, возможно, подойдет к другой. Если выражаться образно, это – лес, богатый фазанами.
Любой теоретик с хорошими идеями найдет себе приложение в физике конденсированного состояния. Это область с огромным количеством разных систем, которые можно описывать и изучать, в том числе и с точки зрения практического применения: создание всевозможных квантовых твердотельных устройств, квантовых компьютеров, изучение высокотемпературной сверхпроводимости, вся физика связанная с графеном и с различными другими низкоразмерными системами.
Но если молодому исследователю хочется высокой науки, в определенном смысле обреченной на свободный поиск в пустоте, то стоит заниматься вопросами, связанными с Великим объединением и созданием квантовой теории гравитации. Это струны, мембраны и разные теоретические наработками, связанные с тем, что должно (или могло бы) быть далеко за пределами Стандартной модели вблизи планковского масштаба энергии.
Квантовое дерево
Безусловно, перспективные направления физики не ограничиваются теми, что я перечислил. Именно поэтому я бы хотел привести иллюстрацию из статьи Musings on the current status of HEP Михаила Шифмана, выдающегося советско-американского физика-теоретика. Его статья – размышление на тему будущего Физики и перспектив развития определенных направлений.
Источник иллюстрации сайт Михаила Шифмана
На иллюстрации изображено упрощенное квантовое дерево. Из общего корня квантовой механики поднимаются мощные побеги: квантовая теория поля (QFT), физика конденсированного состояния (СМ), ядерная физика и физика элементарных частиц. Ветви этих побегов образуют сложно переплетенную крону современных направлений квантовой науки. Мостики условно показывают взаимное влияние разных направлений. Разглядывая этот рисунок, можно понять, как развивалась квантовая физика, какие ее направления «умерли» (коричневый цвет), какие постепенно отмирают (желтый цвет), а какие только начинают свое развитие (зеленый). Молодым исследователям я бы порекомендовал обратить свое внимание именно на последние – зеленые ветви. Разумется, действительное устройство квантового дерева намного сложнее этой схемы. Для полноты картины в запутанных ветвях следует разместить всевозможных «мифологических» обитателей квантового дерева: идеи и теоретические концепции, с которыми начинающему исследователю придется встретиться и познакомиться, карабкаясь по стволу в попытке добраться до какой-нибудь верхушки. Начальный путь – вводные учебные курсы – представляется чем-то вроде маршрута в веревочном парке. Но дальше лежит ничем не огороженная область свободного научного поиска. Путешествие по ней обещает сильные эмоции и удивительные интеллектуальные приключения.