Наука – это модель, а открытия – это моменты, в которые она рушится

LT: Иван Борисович, самый простой вопрос: для чего физики изучают строение атома и элементарные частицы? Ведь это так далеко от повседневной жизни!
ИВАН ЛОГАШЕНКО: Для ученого вопрос: «Зачем чего ты это делаешь?» не всегда корректен. Мне это интересно – и этого достаточно, это очень хорошая, понятная мотивация. Вот общество в целом, конечно, нуждается в какой-то цели. Развитие физики элементарных частиц давно переросло простое любопытство. В истории этой науки были моменты, когда исследования очень хорошо совпадали с потребностями общества, например, при создании атомной бомбы. В такие моменты взгляд руководства страны фокусируется на каком-то направлении, и учёным это помогает. Но наука постоянно ставит новые вопросы, на которые необходимо находить ответы. Атомная физика и химия – это очень практические области, на основе которых появилось огромное число прикладных разработок. Следующим шагом стало исследование ядра атома. Оно в десятки тысяч раз меньше самого атома, и чтобы до него добраться, эмпирического опыта уже недостаточно – человеку пришлось совершить прыжок в понимании. Оказалось, что эти знания тоже можно было использовать: делить ядра, сливать их, получать энергию и оружие. Но и здесь исследования не остановились: учёные хотят знать, что дальше. И физика элементарных частиц – это как раз наука о том, что находится на самом глубоком, внутриядерном уровне. Прямого практического применения этих знаний пока не видно – как выделить энергию из этих глубин, непонятно. Хотя косвенно практический эффект от исследований физики элементарных частиц очень большой, через создание и развитие различных технологий. Но человеку важно и интересно понимать устройство мира. Это особенность Homo sapiens, и мы следуем за своей человеческой природой. Исследуя устройство мира на внутриядерном уровне, можно получить ответ на вопрос, как появилась Вселенная. Вам же это интересно?

Конечно!

Развитие физики элементарных частиц привело к построению очень хорошей теории микромира – Стандартной модели, а совместное развитие физики частиц, астрофизики и космологии позволили построить научную теорию рождения и эволюции Вселенной.Это лучшее, что человечество создало для описания устройства мира. Как оказалось, законы природы тесно связаны с понятием симметрии. Например, любой физик сейчас может объяснить, что закон сохранения энергии, один из базовых, тесно связан с тем, что законы физики не меняются со временем. Часто мы видим красоту мира – но не всегда понимаем её природу. В теории есть около 20 параметров, например, заряд или масса электрона, которые ниоткуда не следуют – они просто существуют и хорошо измерены нами в эксперименте. При этом если чуть-чуть поменять эти параметры, мир был бы совсем другим, а мы вообще не существовали бы. Вселенная очень гармонична, и возникает естественный вопрос: может быть, эта гармоничность – результат чьего-то замысла? Но мы пытаемся построить более фундаментальную теорию, в которой гармоничность природы является следствием каких-то неизвестных на сегодняшний момент фундаментальных принципов. Правда, объяснением может быть антропный принцип: мы видим Вселенную такой только потому, что лишь в такой Вселенной мог возникнуть наблюдатель, человек. А в другом мире нас бы не было, и некому было бы рассуждать. Но при таком подходе миров должно быть много. Если их бесконечно много, мы, конечно, находимся именно в том, где мы можем существовать. И забираясь всё глубже в строение атомного ядра и элементарных частиц, мы пытаемся ответить на все эти вопросы.

Можно немного отвлечься от строения Вселенной и задать вопрос, который также связан с физикой элементарных частиц: почему у вас так много необычных названий – странные частицы, очарованные кварки, бозон Хиггса. Кто их придумывает?

У каждого названия – своя судьба. Протоны и нейтроны состоят из кварков и глюонов. Кварки напрямую увидеть нельзя, это одно из их удивительных свойств, но косвенных доказательств того, что кварки существует, очень много. Имя им придумал американский физик, лауреат Нобелевской премии Мюррей Гелл-Манн. Он взял слово из романа Джеймса Джойса «Поминки по Финнегану», из фразы «Three quarks for Muster Mark!» Ему понравилось звучание слова, и то, что их в фразе было три, прекрасно соответствовало его модели – ведь сначала предполагалось существование именно трёх кварков: верхний и нижний назвали так потому, что они соответствовали двум состояниям особой квантовой величины, изоспина, которую теоретики обозначали стрелкой вверх и вниз. А странный кварк назвали так, потому, что он входил в состав «странных» частиц, поведение которых на тот момент казалось необычным. Потом оказалось, что если все частицы состоят только из первых трёх кварков, то некоторые частицы должны очень быстро распадаться – а они живут долго, и чтобы это объяснить, предположили, что есть ещё четвёртый кварк. Его назвали очарованным (charm), по-видимому потому, что он делал картину мира красивой. Это редкий случай, когда частицу сначала предсказали на кончике пера, а потом нашли в эксперименте. Затем неожиданно обнаружили, что природа не совсем симметрична – частицы и античастицы ведут себя немного по-разному. Чтобы это объяснить, пришлось предположить, что должно быть ещё два кварка. Их назвали «топ» и «боттом», потому, что все кварки по своим свойствам образуют пары, один нижний и один верхний. Но bottom в английском языке – не очень красивое слово, и этот кварк стали называть beauty («прелестный»). Топ-кварк пытались переименовать в trut («истинный»), но в российском научном обиходе это не прижилось. Так и построили картинку. И одним из триумфов современной физики стало то, что оказалось, что все эти предсказанные кварки действительно существуют в природе!

Кварки – это уже неделимые частицы?

На сегодняшний день считается, что да. Это базовые элементарные частицы. Их не так много, и из них состоит весь мир. И согласно теории, все элементарные частицы – это возбуждения квантовых полей.

Но до сих пор открывают новые элементарные частицы. Как так, если есть базовый уровень?
Элементарные частицы открывают исключительно редко. Последнюю, бозон Хиггса, предсказали лет за 50 до открытия: мы знали, что без неё теория рассыплется. Гораздо чаще случаются открытия составных частиц – разных комбинаций кварков. Раньше в эксперименте наблюдались только мезоны (кварк – антикварк) и барионы (три кварка). Например, протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра – это барионы. С момента, когда стало ясно, что существуют кварки, предположили, что должны существовать частицы из четырёх, из пяти кварков, и даже более сложные комбинации. Первая такая частица была обнаружена в начале 2000-х гг., и потом пошёл поток открытий. Сегодня мы открыли много таких экзотических частиц, но знаем о них очень мало. Эти составные частицы – объект активного исследования на всех установках мира, включая Большой адронный коллайдер.

Если мы заговорили о Большом адронном коллайдере, то перед его запуском было много страшилок про чёрные дыры, конец света и прочее. Есть ли в этом доля истины?

Что касается, например, параллельных миров – они могут существовать, но это только гипотеза. Антиматерия же – доказанный факт. Мы производим её регулярно у нас в ИЯФ СО РАН на двух наших коллайдерах, сталкивая электроны и позитроны. Позитроны – это и есть антиматерия. В заметных количествах в природе они не существуют, потому что аннигилируют с материей, но произвести их можно. Опасность была бы, если бы к нам прилетел астероид из антивещества. Вот это была бы проблема: в атомной бомбе в энергию переходит несколько процентов массы, а при аннигиляции – 100%. Но таких объектов в видимой Вселенной нет. На ранних этапах существования Вселенной антивещество существовало наравне с веществом, но затем оно практически исчезло. И это одна из научных загадок: почему вещества осталось больше, чем антивещества?

Что касается чёрных дыр – в принципе, на кончике пера можно представить, что при столкновении двух элементарных частиц родится микроскопическая чёрная дыра. Но она будет настолько маленькой, что мгновенно исчезнет, время её жизни очень мало. Более того, Земля непрерывно бомбардируется космическими частицами с энергиями намного большими, чем мы можем создать искусственно. И за миллиарды лет ничего не случилось.
Если возвращаться к вопросу об открытиях, то наука во многом базируется на построении моделей и их проверке. Мы строим модель, которая объясняет наши наблюдения. И если модель рушится из-за того, что мы открыли что-то, что она не может объяснить – это самый интересный момент для учёного. Именно в этот момент мы узнаём что-то новое.

Как сегодня в Институте ядерной физики СО РАН занимаются исследованиями физики элементарных частиц?
Проведение таких исследований возможно на коллайдерах с большими энергиями и интенсивностью. Поэтому все эксперименты проводятся коллаборациями сотен физиков из десятков стран. Мы участвовали практически во всех экспериментах на Большом адронном коллайдере, на B-фабриках в Японии и Америке, во множестве других экспериментов. Но у нас есть и свои установки. Это два электрон-позитронных коллайдера. Один из них – ВЭПП-4М. В мире у него есть более молодые конкуренты, но его научная программа пока не исчерпана, остался целый ряд уникальных нишевых экспериментов. Второй, более молодой – ВЭПП-2000. Это самый маленький коллайдер в мире, но очень производительный и, насколько мне известно, единственный, работающий в собственной области энергий. Он, пожалуй, лучший в мире, потому что только мы закрываем это научное направление. На наших коллайдерах мы получаем результаты мирового уровня. А в науке всё решается очень просто: или ты на мировом уровне, или ты никому не нужен.

Чего вы ждёте от установки СКИФ?

СКИФ по размеру похож на наш ВЭПП-4М, но это не коллайдер. В нём по кольцу вращается пучок электронов. Когда заряженные частицы летят по окружности, они излучают синхротронное излучение. Для коллайдера это помеха, а для СКИФа – основная цель. Если объяснять просто, то это мощнейшая рентгеновская трубка, в миллионы раз мощнее тех, что применяют, например, в медицине. С помощью такого излучения можно изучать структуру вещества на уровне атомов. Это мощный инструмент для прикладных исследований: материаловедения, биологии, геологии и пр. По расчётам СКИФ будет одной из лучших установок в мире.
В создании СКИФ Институт ядерной физики СО РАН выступил в качестве исполнителя проекта.  Для нас это очень важный шаг. Раньше наши специалисты участвовали в создании практически всех установок подобного рода в мире. Но здесь особый случай, потому что мы создали очень большой и современный ускорительный комплекс под ключ. Да ещё и пришлось работать в условиях санкций. К счастью, у ИЯФ есть собственное экспериментальное производство. Без него СКИФ вряд ли был бы построен. Мы можем позволить себе работать независимо от внешних условий – придумываем, строим, проводим эксперименты. То есть сами обеспечиваем полный цикл – от идеи до её воплощения в железе. Такой подход был заложен ещё основателем нашего института академиком Г. И. Будкером: нужно не только думать о науке в широком смысле, но и о том, как воплотить научные идеи в жизнь.

Общаетесь ли вы сейчас с иностранными коллегами?
Личные связи остаются. Мы проводим телемосты, обмениваемся данными в той степени, в которой возможно. Россия не пропала с мировой карты развития науки. Однако, к сожалению, такая тенденция есть: политики принимают решения, из-за которых разделение усиливается, что плохо влияет на науку в целом. Личные связи также осложняются из-за озабоченности секретностью. Но тем не менее, в той сфере, где мы проводим свои исследования, невозможно продвигаться вперёд, не обмениваясь информацией с зарубежными коллегами, научными лидерами – конечно, с соблюдением всех необходимых правил. Надеюсь, когда-нибудь мы сможем работать совместно так же, как это было раньше. И, конечно, очень важно, чтобы в нашей стране появлялись научные центры, установки на переднем крае мировой науки, вырастали научные лидеры мирового уровня. И СКИФ – шаг именно в этом направлении.

Последний вопрос, мы частично его уже касались. Когда мы говорим о строении Вселенной, о ее гармонии, возникновении нашего мира, невольно возникает мысль: неужели это всё – физика? Неужели обошлось без какого-то вмешательства извне, без какой-то особой силы, которая направляла и управляла этими взаимодействиям?

Да, об этом много говорят и спорят уже сотни, а то и тысячи лет. Я сам скорее агностик. Но могу провести такую аналогию. В физике есть интересный феномен: существуют квазичастицы, например, фононы. Мы знаем, что передача звука – это колебания решетки атомов. Но эти колебания выглядят как частицы и ведут себя как частицы, которые мы назвали фононами. И много явлений в твердом веществе описывается через взаимодействие с фононами. Получается, что, хотя объективно таких частиц нет, твёрдое вещество ведёт себя так, как будто фононы существуют. Мне кажется, концепция внешней силы, или Бога, кому как будет удобней, может быть похожей. Объективно его нет, но как явление, порождённое нашим коллективным разумом, он влияет на поведение и в этом смысле существует. Вера и наука не противоречат друг другу. Для развития физики концепция Бога не нужна. Но если предположить, что Бог только задал законы природы и дальше не вмешивается, его существование не противоречит физике.