Развитие физики не только способствует материальному прогрессу, но и меняет наше мировоззрение. Об этом, в частности ведущие ученые рассуждали на публичных «Атомных дискуссиях», недавно прошедших в музее "АТОМ" на ВДНХ. Пользуясь случаем, о наиболее фундаментальных вопросах нашего мироздания мы беседуем с научным куратором музея, известным популяризатором науки, доктором физико-математических наук, заведующим лабораторией теории фундаментальных взаимодействий в Физическом ин-те им. Лебедева РАН Алексеем Семихатовым. Интервью взято для рубрики "Голос науки".

Фундаментальные понятия не определяются

- Алексей Михайлович, позвольте нашу беседу начать с мировоззренческого вопроса. Когда мы с вами были молоды, одной из составных частей идеологии нашей страны был материализм, в основе которого лежало представление о материи, которое, в свою очередь, родилось из интуитивных представлений о тех веществах, с которыми мы встречаемся в быту. Тот древнегреческий термин, который на русский язык переводят как «материя», буквально означает «древесину». Когда-то физиков это не смущало, и идеологический постулат, что единство мира объясняется его материальностью, мог вполне их устраивать. За те десятилетия, что вы изучаете физику, изменилось ли ваше понимание материи? Можете ли вы назвать себя материалистом?

- Видите ли, какая тут подстава. Материя, как и пространство, относятся к числу фундаментальных понятий. Я прошу вашего внимания к тому факту, что фундаментальные понятия никак не определяются. Они потому фундаментальны, что не определяются ни через что другое. Вот если в теории петлевой квантовой гравитации когда-нибудь объяснят, что пространство — это такая штука, которая индуцируется чем-то другим, тогда вот это другое станет фундаментальным, а пространство перестанет быть фундаментальным, и мы скажем себе: «Теперь мы знаем, что такое пространство, оно вот таким-то образом возникает вот из чего-то еще». Аналогичным образом, мы не знаем ни что такое материя, ни что такое время — и это нормально. Наука не может давать бесконечные объяснения; любое объяснение должно где-то заканчиваться: на двух китах, на трех черепахах, на четырех слонах, на пяти верблюдах, …. — где-то надо остановиться. Вы не можете объяснять бесконечно, вам все время будут требоваться новые понятия, чтобы через них объяснять предыдущие. Но успех науки немало зависит вот от какого чуда: мы находим удачные отношения между этими понятиями. Мы понимаем, что материя в пространстве, что материя обладает энергией, что события происходят во времени, и так далее — но при этом ни материя, ни энергия, ни время отдельно не определяется.

- То есть, можно сказать, что физика – это наука об отношениях?

- В некотором роде. Классический пример чрезвычайно удачно найденного соотношения — это отношение между силой и другими понятиями в ньютоновской механике. Там нет определения силы. Когда вам объясняют, что это такое, то размахивают руками, показывают примеры и предлагают осознать это понятие интуитивно. Но далее появляется закон Ньютона: сила есть просто изменение количества движений. Все, точка. Это отношение между плохо определенными абстрактными понятиями, которые, тем не менее, позволяют нам предсказать «все на свете». Движение Луны и падения яблока, полет всех спутников и всех тел в Солнечной системе (за очень малым исключением) и много чего за ее пределами.

Отношения носят математический характер, и говоря о том, что в мире первично, что фундаментально, вы не можете не обратить внимание на то, что современные физические теории математичны. Галилею за два поколения до Ньютона (это удивительный момент!) принадлежит фраза: книга природы написана языком математики. Это написал человек, который (успешно!) рассуждал о равноускоренном движении без понятия ускорения и до изобретения дифференциального исчисления. У него, тем не менее,  хватило прозорливости, чтобы увидеть ведущую роль математики. Ну а вся физическая картина мира, созданная Ньютоном, заметьте, не работала бы без дифференциального и интегрального вычисления. Ньютону пришлось рассматривать бесконечно малые промежутки времени и бесконечно малые кусочки чего-то, а это требует дифференциального и интегрального исчислений.

Жмем руку Платону

- То есть в некотором смысле для физика в основе мира лежат не материя, а математика?

- Пожалуй, мне ближе не противопоставление материализма с идеализмом, что бы это ни значило, а обнаружение в природе отношений. Они делают мир чем-то единым. Вы сказали, что он един в своей материальности. Но, согласитесь, что как и любое другое философское высказывание, оно в известном смысле «ничего не значит». Вспомним Рассела: мы изучаем философию «не ради однозначных ответов на поставленные ею вопросы, поскольку подтвердить истинность  однозначных ответов, как правило, не удается, а ради самих вопросов», И я точно так же сейчас произнесу философское высказывание, которое тоже ничего не значит, но мне оно сейчас немножко ближе. Если мир в чем-то един, то на фундаментальном уровне, конечно, в своей математичности. За что вы ни беретесь, выясняется, что у вас там здесь объекты и агенты, которые подчиняются каким-то математическим соотношениям.

- Но разве математика- это не то, что придумал человек?

- Да, здесь возникает дико сложный вопрос, где находится математика? Например, этот вопрос можно задать в следующем варианте. Вот когда-то был горячий Большой Взрыв, это почти экспериментальный факт, и тут ничего такого особенно философски вызывающего еще нет (хотя есть всякие сложные физические вопросы). Философский же вопрос апеллирует к тому, что было раньше. Ну, мы, строго говоря, не знаем, что предшествовало горячему Большому Взрыву, но предположим, что предшествовала так называемая фаза инфляции, это одна из популярных современных гипотез (даже спектр гипотез). Так вот, инфляция начинается действительно с чего-то очень маленького, деликатного, тонкого, когда практически нет пространства, оно еще только возникает. Тут подробности тоже довольно туманные и зависят от интерпретации. Но так или иначе, это рождение и дальнейшее развитие происходит, согласно этой концепции, в соответствии с уравнениями Эйнштейна. Может быть какой-то их модификацией, которую мы установим в будущем, это не важно; важно, что это будут какие-то уравнения. Возникает вопрос, а где же они существуют, если еще нет Вселенной? Тут я делаю круг с своем уходе от Платона и снова жму ему руку.

- Потому что у Платона идеи предшествуют материи?

- Да, хотя он говорил и не буквально про математику, но сейчас что-то похожее получается с математикой. Мне, собственно, к этому больше добавить нечего, потому что это не вопрос физики, вопрос философии. Рассел, кстати, продолжает, что философские вопросы «расширяют наши представления о возможном, обогащают наше интеллектуальное воображение и умеряют догматическую самоуверенность, которая закрывает разуму путь рассуждений»; но главное — что «благодаря философскому созерцанию величия Вселенной разум также обретает величие и способность к тому единству со Вселенной, которое составляет его высшее благо». С моей точки зрения, если мир в чем-то един, то он един в своей математичности. Это раз. И, может быть, я близок, сам этого не очень осознавая, к какому-то варианту идеи, что в основном мире лежит информация. Только не надо это понимать дешево. Иногда говорят, что в основе всего лежит информационное поле. Довольно бессмысленное высказывание, потому что, когда вы говорите «поле», вам нужно как-то объяснить, какие его проявления, по каким законам оно существует, как убедиться в его наличии и так далее. Но информационное содержание мира как мне кажется, в последнее время выходит на первый план и в философии, и в физике, Может быть, мы в будущем больше про это узнаем.

ОТО не может пожениться на квантовой механике

- Итак, когда мы говорим, что в основе мира лежит математика, мы тем самым говорим, что в основе мира лежат отношения, потому что математика как раз описывает отношения между разными агентами. Следовательно, физика ищет какую-то общую теорию отношений. И ту мы должны вспомнить про одну из самых медийно известных проблем физической науки. Классифицируя отношения между физическими объектами, физика пришла к выводу, что есть четыре типа фундаментальных взаимодействия. И был поставлен вопрос о единой теории для них. Каковы перспективы такой теории? Это будет действительно «единая теория всего»?

- В современной физике имеется глубокий раскол: общая теория относительности Эйнштейна, которая фактически является теорией гравитации, не может «пожениться» на квантовой механике. Объединить их могла бы некая теория квантовой гравитации. И проблема единой теории для четырех взаимодействий — это та же самая задача про квантовую гравитацию. У нас есть четыре взаимодействия, два из них нам очень хорошо знакомы. Первая – гравитация. Отпустите чашку, она упадет и разобьется; никогда не прыгайте со второго этажа и выше. Хотя, надо сказать, сама гравитация с вами ничего не делает: пока вы летите, вы в безопасности. А вот когда вы встречаете Землю, на вас отыгрываются негравитационные силы, вот они-то и делают вам плохо. Но гравитация, конечно, вносит свой вклад. Второе – электромагнитные силы, это, честно говоря, все , что нас окружает. Это не только никому не нужные голые электрические заряды, которые в природе так редко встречаются, а это вся химия, вся биохимия, это батарейки, и сила наших мышц как проявление остаточной электромагнитной силы.

- Да, эти-то силы хорошо известны, а вот двое других настолько экзотические, что для них даже нет специфического названия, их называют просто «сильные» и «слабые».

- Сильные ядерные взаимодействия - это силы, которые держат атомное ядро вместе. Это их, если угодно, «внешнее» проявление, а на более фундаментальном уровне они удерживают кварки в протонах и нейтронах. И есть еще такая тонкая штука, слабые ядерные взаимодействия, которые, как бы это выразиться, проказничают некоторым особым образом, делая кое-какие фокусы, очень полезные для устройства Вселенной. Звезды горят благодаря этим фокусам. Не только благодаря им одним, но без них бы ничего бы не получилось. Так вот, для трех из этих сил — электромагнитного, слабого и сильного взаимодействия — имеется квантовая теория. Квантовая теория этих трех сил образует знаменитую Стандартную Модель элементарных частиц. Но для гравитационного взаимодействия у нас квантовой теории нет. Поэтому, когда мы говорим о том, что мы хотели бы всех их объединить, это означает, что нам нужна, по крайней мере, квантовая гравитация. Вообще высказывается мнение, что решение задачи о квантовой гравитации будет одновременно решением задачи про теорию всего, то про некую общую глубинную природу всех взаимодействий.

Гравитация — это «вещь в себе»,

- И такая теория создается?

- Пока мы далеки от решения этой задачи. У нас нет необходимых энергий для того, чтобы получить экспериментальные свидетельства о том, что здесь происходит. Интеллектуально, теоретически, если хотите, есть тренды на объединение.

Когда-то Максвелл объединил электричество и магнетизм — а еще в начале 19-го века электрические и магнитные явления считались различными. Итак, первое объединение создал Максвелл. Затем большим успехом Стандартной Модели было объединение электромагнитных и слабых взаимодействий.

- А что значит «объединение»?

- У нас есть понимание, осколками какой единой теории являются два типа взаимодействия: одно электромагнитное посредством фотонов, другое слабое посредством своих собственных, W и Z-базонов. Свойства взаимодействий зависят от энергии, и есть теоретические указания на то, что при очень больших энергиях, то есть по-настоящему больших, гораздо больших, чем те, что мы сейчас можем развить, эти взаимодействия, электромагнитные и слабые, перестают различаться. Кроме того, имеются указания, что при еще больших энергиях туда же, так сказать, подтягивается и сильное взаимодействие. Сейчас оно выглядит совсем-совсем другим по сравнению с этими двумя, со своими собственными заморочками. А при очень больших энергиях, о чудо, они сливаются во что-то одно. Мы не знаем во что именно, потому что слить их во что-то одно означает, в том числе, выйти за рамки Стандартной Модели элементарных частиц, на которой базируется современная физика, а в какую сторону выходить, мы не знаем. Современный интерес к этому «в какую сторону», т.е. как именно Стандартную Модель следует модифицировать — это движение в сторону единой теории, во всяком случае в сторону намеков/сигналов на то, какой она могла бы быть. Но Стандартная Модель обсуждается, конечно, на квантовом уровне. Гравитация же как стояла особняком, неквантованная, так такой и остается.

- То есть гравитация - главное препятствие на пути создания общей математики всех отношений во вселенной?

- Гравитация — это «вещь в себе», мы не знаем, как ее проквантовать, и тем более не знаем, как квантовая гравитация ляжет, или не ляжет, в это единое русло (а может быть и прокрустово ложе) будущего обобщения Стандартной Модели. Мы не знаем, существует ли единая теория всего, она же квантовая гравитация, хотя может быть это нечто замечательное, необычайно красивое, и столь же необычайно странное в сравнении со всеми квантовыми странностями, к которым мы постепенно привыкаем.

В Атомных дискуссиях в музее «АТОМ» ведущие ученые обсуждают границу известного и неизвестного в актуальных областях науки, и я хочу обратить внимание, что «текущее неизвестное» дает отличное (и кстати нескучное!) представление о прогрессе науки. Сравните хотя бы то неизвестное, с которым справился Максвелл, и то, с чем мы имеем дело сейчас.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ

Первоначально интервью вышло на портале «Стимул.онлайн»