Алексей Цвелик: Кризис в физике существует

Квантовая механика — наука о чудесах: там частицы рождаются из ничего, летят одновременно по разным траекториям и чувствуют друг друга на расстоянии. К счастью ли или к сожалению, но в нашей жизни мы этих чудес обычно не замечаем: по большей части они происходят на гораздо меньших масштабах, чем те, что доступны для повседневного наблюдения. Однако в этой науке есть раздел, представляющий собой приятное исключение: физика конденсированных сред. В ней квантовые чудеса воплощаются во множестве замечательных вещей вроде лазеров, считывающих штрих-коды в супермаркете, или жидкокристаллических дисплеев в смартфонах. Именно этой областью квантовой физики занимается доктор Алексей Цвелик — физик-теоретик российского происхождения, работающий в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Кроме англоязычных научных монографий, Алексей Цвелик написал на русском языке научно-популярную книгу «Жизнь в невозможном мире: краткий курс физики для лириков» (Издательство Ивана Лимбаха, М., 2012). 

Алексей Михайлович, в конце прошлого года в научно-популярных изданиях появились заметки, где было сказано, что вы открыли новую форму материи: у популяризаторов принято все слегка преувеличивать. В чем суть вашей работы?

Когда создавалась электронная теория металлов, физики удивлялись: как это так получается, что многие свойства металлов можно объяснить, не принимая во внимание взаимодействие электронов друг с другом. А между тем они взаимодействуют, и сильно — одноименные заряды отталкиваются. Лев Ландау объяснил, как это происходит, и сформулировал свою исключительно простую и элегантную теорию металлов, которая и носит его имя. Однако лет тридцать назад обнаружили металлы, чье поведение не описывается этой теорией. Почему эти вещества не слушаются Ландау? Это загадка, над которой физики бьются до сих пор. Я по мере сил пытаюсь внести свой вклад.

«Ферми-жидкость Ландау» — понятие достаточно универсальное: большинство металлов при низкой температуре именно так себя и ведут. Но некоторые не слушаются этого правила, причем нарушают они его не одинаковым образом. Наиболее известный пример нарушения этой теории наблюдается в соединениях на основе окиси меди (из них делают высокотемпературные сверхпроводники). Эти материалы устроены довольно просто: что может быть проще окиси меди? Они переходят в сверхпроводящее состояние уже при температуре жидкого азота, а не жидкого гелия, как обычные сверхпроводники.

Ваша работа — шаг к объяснению высокотемпературной сверхпроводимости?

Вернее было бы сказать так: я бы был очень счастлив, если бы то, что я сделал, влилось бы в большую теорию высокотемпературной сверхпроводимости. Пока я только поскреб что-то с краешку, не более того.

Ваша область науки принесла человечеству полупроводники, лазеры, сверхпроводимость, то есть огромный сегмент современных технологий. Можно ли ожидать от нее в будущем сравнимых технологических прорывов?

Конечно, можно. Открытия часто приходят неожиданно, как это произошло тридцать лет назад с высокотемпературной сверхпроводимостью, которая остается во многом неразгаданной тайной. Технология поспевает с трудом: чтобы научиться изготавливать провода и кабели из этих материалов, потребовалось четверть века, уж очень они хрупкие.

Возможно, самой эффектной технологией, основанной на этом явлении, станет левитирующий поезд: его будет поддерживать на весу поле сверхпроводящих магнитов. По сравнению с классическими сверхпроводниками разница в эффективности и цене огромная, потому что гелия на земле мало, а азота огромное количество.

Сейчас многие ученые говорят о кризисе в теоретической физике. Вы и сами об этом не раз упоминали. Что имеется в виду?

Возможно, мы просто избалованы успехом. Может быть, у нас испортился вкус и мы не ценим тех открытий, которые совершаются. Не хочу ныть, но думаю, что некий кризис в физике все же существует. Весь мой опыт ученого говорит о том, что физика едина, и открытия в одной области оплодотворяют другую. Так устроен мир: в нем на разных уровнях проигрываются одни и те же идеи. Занимаясь предсказаниями погоды, можно понять что-то полезное о сверхпроводниках или квантовых жидкостях (кстати, недавно я прослушал потрясающий курс лекций на эту тему, прочитанный моим другом и коллегой Павлом Вигманом). Так вот, в течение последних тридцати лет мы видим очень мало «оплодотворения» от наиболее продвинутых областей физики, таких как теория струн или, например, теория суперсимметрии в физике частиц. Что пришло в физику из теории струн или из модного мультиверса? Ничего или очень мало. И даже это малое, что мы видим, не совсем понятно, правильно оно или нет.

Физика всегда работала именно так: одни и те же фундаментальные закономерности проявляются в разных областях. Я отпрыск школы Ландау, а Ландау всегда это подчеркивал. Он требовал от своих учеников, чтобы они сдали теоретический минимум, в который наряду с квантовой механикой входили гидродинамика, классическая механика, электромагнетизм. Казалось бы, если ты занимаешься атомами, зачем тебе гидродинамика — про то, как жидкость течет по трубам? А на самом деле она нужна.

Как вы объясняете этот удивительный факт, что для описания совершенно разных вещей в физике нередко используются одни и те же математические объекты?

Удивительно то, что многие объекты, которые в математике возникли по собственным причинам, оказались для физики нужны. Таких примеров огромное количество. У математики есть собственная логика, по которой она развивается. Иногда математики вдохновляются чем-то приходящим из физики, но чаще следуют собственной фантазии. Тогда возникают странные объекты типа чисел Грассмана — это числа, которые при умножении на себя дают ноль. Казалось бы, какая-то кабинетная мура. Но оказалось, что Грассмановы числа через сто лет после их открытия очень даже пригодились физике, и без них теперь трудно обойтись. Примеры такого рода можно множить.

Впрочем, наверное, не все в математике найдет приложение. Математика и описание мира — это не одно и то же, хотя пересечение очень значительное.

Из ваших слов можно сделать вывод, что в кризисе в физике виноваты те, кто занимается теорией струн. Но на самом деле это симптом, а причина иная. В чем она?

Думаю, тут играет роль множество факторов. Один из главных — всеобщее падение уровня образования. Вот это настоящая беда западной цивилизации, далеко выходящая за пределы кризиса физических наук.

Я посмотрел на учебник физики, по которому учился мой сын в Англии, и пришел в ужас. Если бы меня учили такой скучной и поверхностной галиматье, я б никогда физику не полюбил. Трагедия нашей культуры в том, что гуманитарии так невежественны в плане естественных наук, а у естественников нет гуманитарного образования. Причем многие агрессивно невежественны, в чем я не раз имел возможность убедиться.

У современных физиков-теоретиков образование узкое. Отсутствие более широкого кругозора, думаю, мешает им делать то, к чему они призваны. Отсутствием гуманитарного образования они отличаются от корифеев физики первой половины ХХ века. У Эйнштейна, Планка, Бора, Гейзенберга, Шредингера, Оппенгеймера были широкие философские интересы.

Что такое «Общая теория всего», к которой, по распространенному мнению, движется физика? Примет ли эта теория форму «Если мир существует, он обязан быть таким, как мы наблюдаем — а любой другой окажется логически противоречивым»?

А откуда вообще следует требование логической непротиворечивости? Оно следует из существующего мира. Физика — теория всего — не строится на пустом месте. Я присутствовал при том, как начиналась теория струн: люди обобщали на фундаментальные взаимодействия те принципы физики, которые уже были открыты. На эту теорию сразу же накладывают ограничения, соответствующие общим принципам, которые мы наблюдаем в природе: общая ковариантность, калибровочная инвариантность, локальность. Это технические вещи, но это колоссальное ограничение на форму теории. Надежда в том, что если мы ограничимся этими принципами, то из них будет следовать одна-единственная теория. По крайней мере, когда-то была такая надежда, но сейчас и она испаряется.

Но, возможно, в будущем эти ограничения окажутся следствиями одного базового принципа — самого бытия мира?

Я просто вижу, что в настоящее время это происходит совсем не так. То, что мы пытаемся сделать, — это протянуть нить от нашего опыта здесь в какие-то невероятные дали. Как мы это делаем? Из эмпирического опыта извлекаем общие принципы и пытаемся протянуть их до самых начал и глубин, пытаемся на их основании догадаться, какой могла бы быть самая фундаментальная теория. Но важно понимать, что мы при этом исходим не из пустого места.

Мы пытаемся, конечно, отсечь все частное и свести к максимально универсальному и общему. Но то, что остается — это совсем не мало, а очень много.

В современной физике работают ученые, высказывающие атеистические взгляды (как не так давно ушедший от нас Стивен Хокинг), а также те, кто, подобно вам, склоняются к религиозному мировоззрению. Насколько, по-вашему, эти различия влияют на научный подход?

На среднем уровне, наверное, влияют мало. Для многих, работающих в науке, она не более чем интересная игра, гимнастика ума, удовлетворение любопытства, спорт, где одни соревнуются с другими за призы. Но для настоящих достижений нужна и высшая мотивация. Вот, например, в основе теорий Эйнштейна лежит прозрение — именно прозрение! — о том, что Вселенная управляется универсальными законами. Это воистину религиозное прозрение. Конечно, такое не пришло бы никакому материалисту в голову. Да для материалиста вообще не понятно, откуда эти законы взялись и как вообще они могут предписать то, чего еще не случилось. Материализм убивает мотивацию думать глубоко о природе. Это происходит и через общее снижение интереса к науке в обществе и на личном уровне.

Те гиганты, на плечах которых мы стоим: Ньютон, Декарт, Паскаль, Фарадей, Максвелл, Эйнштейн, Планк, Гейзенберг, Шредингер, Дирак — были либо религиозны, либо уж во всяком случае небезразличны к этой сфере. При этом наука, конечно же, должна сохранять и отстаивать свою независимость от какого бы то ни было идеологического диктата, включая диктат церковный. Но сейчас она в тысячу раз больше зависит от бюрократов, которые навязывают ей свои стандарты политкорректности, чем от церкви. На Западе религию выставляют как пугало, не замечая, что, пятясь от него, упадешь в яму.

Считаете ли вы, будучи человеком религиозным, что ученый имеет этические обязательства доносить свои знания до широкого круга людей?

Да, считаю. Я глубоко убежден, что познание мира обладает ценностью. Познаваемость мира есть дар. Будь Вселенная устроена немного иначе, мы бы не могли узнать о ней так много, даже обладая теми способностями, что у нас есть. Если бы, например, законы физики за пределами Солнечной системы (или даже Земли) отличались бы от наших, как думал Аристотель, мы бы ничего не узнали о том, что там происходит. Для нашего существования нужны определенные условия здесь, на нашей маленькой планете, где сформировались наши тела и наш разум. То, что мир за этими узкими пределами нашему разуму открыт, есть замечательный факт, наводящий на размышления.

Эти соображения и побудили вас написать научно-популярную книгу?

Книги пишут тогда, когда чувствуют, что не писать нельзя. Мне хотелось высказать свои заветные мысли максимально понятно, насколько я могу. А уж кто это сможет прочесть — откуда мне знать? 

Автор: Алексей Алексенко

Эта заметка была опубликована в еженедельнике «Окна», литературном приложении к израильской русскоязычной газете «Вести».