Время в двух направлениях

Подобно тому, как в XVIII веке была начата работа над научной классификацией всех живых существ, одна из задач физики ХХI века заключается в открытии, описании и классификации всех элементарных частиц, лежащих в основе физической реальности. По мнению Фримена Дайсона, эту достойную Дарвина задачу вполне решает книга «Легкость бытия: масса, эфир и объединение физических сил» (2008). Ее автор – Фрэнк Вильчек (Frank Wilczek, род. 1951). В 2004 году он вместе со своим учителем Дэвидом Гроссом получил Нобелевскую премию по физике за открытую в 1973 году «асимптотическую свободу», реабилитировавшую квантовую теорию поля. Родившийся в семье поляка и итальянки, Вильчек свои приключения, открытия и размышления в связи с получением Нобелевской премии, точнее – в связи с тем, за что ему была присвоена эта награда, описал в увлекательной книжке «Фантастические реальности: 49 мысленных путешествий и поездка в Стокгольм» (2006). Вильчек пишет легко и элегантно. Узкоспециальными знаниями здесь явно не обойтись, скорее, это умение связано с широтой интересов Вильчека, который с неисчерпаемой любознательностью вникает в самые разнообразные вопросы науки и философии. В своих автобиографических заметках он указывает, что один из источников его научных интересов – это желание углубиться в тайны Вселенной и обрести в этом смысл и цель, потерянные вместе с утраченной в юности верой. И Вильчек, по его словам, по-прежнему стремится это сделать.

A. Р.

Я только что вернулся с конференции по онтологии. Там столько философов… Прямо так и называется – Конференция по онтологии. (Смеется.)

И вы выступали с докладом?

Да. (Смеется.)

Может, с этого и начнем. Потому что порой не ясно: что вообще существует?

У меня на этот счет всецело инклюзивная точка зрения. Например, на кон­ференции разгорелась нешуточная дискуссия, реальны ли волновые функции или квантовая механика. Для меня они совершенно реальны, я работаю с ними каждый день и воспринимаю их крайне серьезно, они мои друзья. Я полагаю… как лучше выразиться? Я думаю, что у нас должны быть очень низкие критерии того, что реально. Если что-то помогает нам мыслить, этого достаточно, чтобы считаться реальным. Едва ли между реальным и нереальным существует четкая граница.

В самом деле?

Да. «Реальность» – слово с размытыми границами, как и многие другие слова. Вообще утверждение, что нечто реально или нет, плохо согласуется со сложностью мира; например, когда я говорю, что волновая функция реальна, я имею в виду, что она существенно помогает мне мыслить о мире. Я использую уравнения, в которых волновые функции воспринимаются совершенно серьезно. С другой стороны, далеко не все в волновых функциях легко измерить, не каждый их аспект соотносится с опытом. Поэтому вопрос реальности тут довольно тонкий, и я радуюсь уже тому, что мы говорим хоть о какой-то реальности.

Квантовые волновые функции отчасти объясняют всю химию.

Они, несомненно, поясняют основы химии. Когда все усложняется, приходится пользоваться грубыми концепциями – они вполне в духе волновых функций, но математически из формул еще не выведены. Однако существуют и специфические экспериментальные ситуации, указывающие на различные элементы концепции волновых функций. Эта концепция активно используется, она неплохо объясняет мир, что, на мой взгляд, делает ее реальной. Хотя этот вопрос встал передо мной почти сразу. Когда я был еще в аспирантуре, кварки реальными не считались. Даже человек, который их открыл – Марри Гелл-Манн, – серьезно сомневался в их существовании. Но чем больше мы изучали и узнавали о сильных взаимодействиях, тем кварки становились для нас реальней. Однако чтобы понять, что они из себя представляют, надо пересмотреть привычное понимание физического объекта. Это не индивидуальные частицы, которые можно изучать по отдельности. В экспериментах фиксируются не индивидуальные частицы, а следы многих частиц.

Да, но ведь в мире масса эзотерических обществ, в которых говорят об им одной доступной реальности.

Но я говорю о публичном знании; все данные открыты – любой может посмотреть.

Это правда, но ведь не все смогут разобраться. Для этого потребуется…

Терпение. А вера не нужна. (Сме­­ется.)

Терпение, свободное время, математические способности… Целый список предварительных условий.

А можно просто поверить мне на слово! Мне и моим друзьям, правда ведь? (Смеется.)

К сожалению, иного выбора у меня нет. Но все же очевидно, что кварки вы не видели.

Почему? Видел.

Вы видели кварки?

Разумеется. В опытах видны следы частиц, двигающихся в определенном направлении с определенной энергией и импульсом, и они в точности совпадают с энергией, импульсом и рядом других свойств кварков. Нельзя увидеть кварк как отдельную частицу, надо понять, как он действует. Изначально ква­рки были идеальными объектами из наших уравнений, но сейчас мы можем их даже фотографировать.

Зато реальность квантовой волновой функции все же иная – или нет?

Это не объективный вопрос: что реальнее? Некоторые аспекты волновых функций непосредственно отражены в экспериментах, другие – гораздо более опосредованно. То же самое и с кварками. Отдельные аспекты волновых функций можно даже сфотографировать, дру­гие очень сложно визуализировать. При этом некоторые плохо экспериментально изученные аспекты являются необходимыми и даже ключевыми компонентами в теоретических построениях, на которых основаны наши опыты.

Но все-таки можете ли вы показать мне фотографию кварка или его следа?

У меня их много на жестком диске. Или вот, скажем, моя нобелевская лекция.

И тут есть кварки?

(Смеется.) Есть. Очень красивые фотографии. Вот следы кварков. (По­ка­зывает фотографии на экране компьютера.)

Вот эти желтенькие?

И желтенькие, и синенькие. Это квар­ки и антикварки. Конечно, на самом деле они не так выглядят. Эти фотографии сильно отретушированы…

Как интересно! То есть они так не выглядят? Это не кварк?

(Смеется.) Ну, это что-то вроде… По­смотрите на рентгеновский снимок – скелет же выглядит не так, как там. Чтобы добиться визуального сходства, потребуется ретушь. Или, допустим, вы хотите посмотреть, как выглядит ДНК. Вы берете рентгенограмму, хотя она ничем не похожа на ДНК. Наши глаза не способны видеть такие маленькие объекты. Для их реконструкции нужны промежуточные понятия. (Показывает на картинку.) Но картинка показывает нечто вполне осязаемое. Если вы видели фотографии из камеры Вильсона со следами частиц – то это примерно то же самое.

Но вы говорите: осязаемое. Но как раз осязать-то и нельзя!

Ну почему же, выставьте руку в воздух и почувствуйте, как по ней барабанят кварки. (Смеется.) Хотя я не советую… Под осязаемым мы понимаем не то, что можно буквально потрогать, а то, что «осязаемо» зрением – то, что мы можем увидеть.

Хорошо, перейдем к сфере, в которой вы живете каждый день и которая для меня является совершенно загадочным миром…

Он загадочен, действительно.

Даже для вас?

Я много работал, чтобы немного развеять его загадочность, но… Когда я думаю о квантах, я обычно думаю уравнениями.

Каковы самые загадочные черты мира, с которым вы сталкиваетесь ежедневно?

Самое странное то, что в нем действуют очень точные, по большей части математические правила, причем они воспроизводимы, поэтому у всех электронов совершенно одинаковый набор свойств и все атомы одного типа также обладают идентичными свойствами. Это не очень похоже на предметы нашего мира. Понимаете, даже если этот стул – точная копия того стула, они все равно немного различаются – например, царапинами… В квантовом мире отличий нет. И это загадочно.

Получается, что тогда можно сказать, что в мире существует только один электрон.

Нет. Уилер и Фейнман пытались эту тему развить… Ведь пару электрон-антиэлектрон можно создать из пустоты, если энергии хватит. Поэтому можно думать об одном электроне и огромном пространстве, в котором смешиваются электроны и антиэлектроны. Или, если нарисовать диаграмму Фейнмана, можно посмотреть на то, как один и тот же электрон ходит туда-сюда во времени, создавая позитроны. Такова была интерпретация диаграмм Фейнмана, предложенная Уилером, но по ряду причин она несостоятельна. Современная парадигма предполагает, что электроны не самые основные объекты для описания мира. Самый базовый объект – нечто называемое электронным полем, которое способно создавать и разрушать электроны. Электронное поле одно-единственное, у него везде приблизительно одинаковые свойства. И поскольку все электроны, можно сказать, происходят из этого единого, единообразного, универсального поля, то они обладают строго идентичными свойствами – такова сегодняшняя теория.

В этом смысле первая упомянутая вами «странность» кажется мне вовсе и не странной – я именно такого и ожидал от точной науки.

Но обычно все не так. Когда почти сто лет назад Нильс Бор заговорил об этом, это была революция. Например, атом водорода – это протон и электрон, и можно подумать, что электрон вращается вокруг протона, так в учебнике физики даже нарисовано. Однако если бы электрон вращался вокруг протона, он бы менялся во времени – был бы то тут, то там, как часы, а он на самом деле во времени не меняется, атом всегда одинаковый. И это очень странно.

Не могли бы вы рассказать еще о самых загадочных чертах квантового мира по сравнению с миром обыденным?

Одна известная странность состоит в том, что у людей в обыденной жизни есть два вида представлений о том, как ведут себя физические объекты. Первое представление гласит, что существуют маленькие частицы и они твердые, держатся вместе и находятся в одном определенном месте. Второе представление – что есть волны, которые распространяются, как океанские волны, и если две волны сталкиваются, образуется некий узор, который мы называем картиной интерференции. И вроде бы это совершенно разные вещи. С точки зрения квантовой механики, когда мы описываем объекты микромира – вроде электронов, – они не частицы и не волны. Они описываются концептом, который в одних условиях похож на частицу, в других – на волну, но точное описание не склоняется ни в одну из сторон.

«Похож на» – это, вероятно, повод поговорить о понятии наблюдателя.

Совершенно верно. То, что мы видим, зависит от того, как мы смотрим. Вообще говоря, еще один загадочный аспект квантового мира состоит в том, что это мир потенциальный, возможный. Волновая функция описывает, что вы увидите, вероятность того, что вы увидите, если будете смотреть. А поведение – это другая вещь; мы можем смотреть, а можем не смотреть. Роль наблюдателя в квантовом мире гораздо важнее, чем в классической модели. Невозможно корректно обсуждать свойства наблюдаемых нами микроскопических объектов, не уточняя, каким образом мы их наблюдаем.

Эта особенность известна в популярной культуре как релятивистский аргумент: все, что мы видим, зависит от того, как мы смотрим. Насколько обоснован, на ваш взгляд, перенос этого свойства квантового мира на человеческий мир в целом?

Можно сделать это корректно – тем самым расширяя наше восприятие того, как работает мир или даже как он мог бы работать. А можно сделать плохо, просто прикрывая громкими словами свои предрассудки. Из того, что в квантовой механике делается упор на вероятность, вовсе не следует, что случиться может все что угодно. Ни о какой свободе воли речь не идет.

Но ведь некоторые ученые высказывали предположения, что…

Да, но они ошибаются.

Не могли бы вы объяснить почему?

Ну, во-первых… Само понятие свободной воли немного противоречиво. Если имеется в виду, что в человеческих поступках есть элемент случайности… Случайность – это не свобода воли. Свободная воля не может быть случайной. У экспериментальной науки нет ни малейших оснований полагать, что наши поступки определяются чем-то, кроме физических процессов в нашем мозге – и в некоторой степени других частях тела, но главным образом в мозге. Эти процессы можно довольно обстоятельно описать, опираясь фундаментальным образом на квантовую механику, но преимущественно при помощи классической физики, потому что в температурах, при которых работает мозг, квантовые эффекты малозаметны. Чтобы увидеть настоящую работу квантовой механики – суперпозицию, сцепленность, туннельный эффект – надо очень постараться и изолировать системы.

Есть ли смысл говорить о выборе в квантовом мире?

Разве что метафорически, но слово «выбор», на мой взгляд, обычно предполагает наличие некоего мыслящего субъекта, который рассматривает разные варианты и предпочитает один другому на основании умозаключений. Частицам это не свойственно. Их поведение определяется – для простых частиц в простых ситуациях – очень точными уравнениями, которые можно записать. Понятие выбора здесь не предусмотрено. Хотя иногда частицы, если выражаться метафорически, могут пойти в одну или другую сторону, и шутки ради можно сказать, что они делают выбор.

То есть в их движении есть элемент непредсказуемости.

Да.

И с чем он связан?

Это один из самых полемических вопросов в интерпретации квантовой теории. Самая, на мой взгляд, последовательная интерпретация, объединяющая уравнения и поведение частиц, обычно называется «многомировой интерпретацией». Согласно этой интерпретации, квантовая волновая функция, являющаяся самым базовым объектом в описании мира, содержит описание многих возможных историй и событий, которые можно назвать мирами, содержащимися в этой единой математической величине. Когда вы делаете вероятностные измерения, вы на самом деле выясняете, какому конкретному миру вы принадлежите. То есть существует много-много возможных миров, у которых разная вероятность возникновения. При помощи измерений вы узнаете, к какому миру вы принадлежите.

Множество одновременно равновозможных миров?

Да.

Которые по-своему параллельны дей­ст­вительно существующему?

Да.

То есть в данный момент нашей беседы возникает множество одновременных возможных миров?

Уравнения говорят в пользу этого.

И куда эти миры деваются?

А они вокруг нас. (Смеется.) В квантовой механике есть феномен наложения. Если составляющие волновых функций, описывающих разные обстоятельства, слишком сильно различаются, то они не имеют эффекта; они, грубо говоря, расцепляются. Они есть в уравнениях, однако на опыт никакого прямого воздействия не оказывают.

Если квантовые волновые функции – это самые базовые элементы реальности, почему вы не проваливаетесь сквозь стул?

Тут нет противоречия. Свойства кван­товой функции говорят, что объекты друг сквозь друга не проходят. Самая существенная причина тому – так называемый принцип запрета Пау­ли. Применительно к нашему случаю он гласит: два электрона не могут находиться в одном квантовом состоянии. Если вы притяните их друг к другу, они будут отталкиваться. Кроме того, между электронами действует электрическое взаимоотталкивание, поскольку они носители отрицательного заряда. Поэтому у нас есть довольно условное, но очень конкретное и непроблематичное описание того, почему предметы обладают жесткостью – и в частности, почему я не проваливаюсь сквозь стул. Вас, вероятно, беспокоит, что волновая функция оказывается каким-то мистическим объектом…

Волной.

Она и есть волна! Но это всего лишь понятие. Чудо в том, что понятие проецируется на физические объекты, а определенные манипуляции в мире понятий проецируются на поведение объектов физического мира. В мире понятий можно найти понятия, соответствующие свойствам материи в физическом мире.

Но, с другой стороны, вы не понятие и не на понятии сидите.

Я в этом не слишком уверен. (Сме­­ется.) Хорошо, наверное, в принципе здесь такая же разница, как между местностью и картой местности. Мест­ность – это местность, а карта – это карта, но некие объекты на карте соответствуют местности. Если вы хотите выбрать маршрут по местности, то самый простой способ – посмотреть на карту, проложить путь и потом следовать ему, понимая, как он соотносится с физическим миром. Здесь то же самое. У нас есть понятийный мир с волновыми функциями, что-то вроде карты, и если мы хотим понять, как все устроено, мы ставим физические эксперименты, создаем молекулы и работаем в этом понятийном мире.

Можно ли на субатомном уровне описать ваше тело и стул как континуум без значимых разрывов?

Да! Мы уже говорили о том, что объекты в квантовой механике имеют и свойства частиц, и свойства волн. Частицы – это отдельные объекты, которые находятся в определенном месте и только в нем, тогда как волны заполняют пространство. Настоящее описание мира квантовой механики гораздо ближе к волнам, чем к частицам, но все же это ни то, ни другое в отдельности. Квантовые объекты заполняют пространство, так что даже один электрон в принципе – с маленькой вероятностью – можно найти в любом месте. Волновая функция континуальна, а не дискретна. И так можно сказать обо всем! То есть различные электроны, все части описываются как свойства континуума.

В рамках этого большого континуума стул, на котором вы сидите, и вы сами – это лишь части континуума, то есть на этом уровне между вами и стулом нет особой разницы.

Я все же умею смеяться, а стул не умеет… (Смеется.)

Но я говорю, на том уровне…

На некотором уровне – да. Вполне возможно описывать меня и стул как гигантское скопление кварков, глюонов, электронов, фотонов, которые по-разному друг с другом связаны.

Соответственно, вы оба части некоего континуума.

Да.

Если я правильно понимаю, центральное понятие этого континуума – понятие энергии. Так?

Это, несомненно, одно из центральных понятий. Но есть и другие.

Например?

Волновая функция… импульс… заряд… спин… масса…

Масса столь же фундаментальна, как энергия?

Не совсем, но почти.

Как можно самым простым и коротким образом описать энергию?

Простым или коротким? Это вовсе не одно и то же. (Смеется.) Короткий: энергия – это квантовая переменная, сопряженная с временем. Когда волновая функция меняется, она меняется во времени, и скорость изменения во времени обратно пропорциональна энергии.

А свет можно считать формой энер­гии?

Свет обладает энергией, это одно из его свойств. Если направить солнечный свет на какую-нибудь материю, она нагреется, то есть энергия света трансформируется в тепловую энергию.

Но свет не является одной из фундаментальных составляющих реальности?

Является. Точнее, фотоны. Свет – это проявление более глубокой структуры, а именно электромагнитного поля. Мы уже упоминали электронное поле, которое создает и разрушает электроны. Есть еще электромагнитное поле, которое создает и разрушает частицы, называемые фотонами. А фотоны – это и есть видимый свет, грубо говоря. Но помимо видимого есть еще радиоволны, инфракрасное излучение, микрорадиоволны, рентгеновское излучение, гамма-лучи, ультрафиолетовое излучение – это все формы света, все возбуждения света.

И радиоволны?

Безусловно. Это исключительно вопрос длины волны и ее частоты, а в принципе это все одно и то же.

Правда ли, что нет ничего быстрее света?

«Ничего» – это слишком обширное понятие. Можно ведь представить нечто быстрее света, значит, мысль может быть быстрее света. (Смеется.) Однако считается – и пока это согласуется со всеми экспериментальными данными и вообще со всеми нашими знаниями о мире, – что воздействие в самом широком смысле не может двигаться быстрее света.

Тем не менее интересно, что вы упомянули мысль как способность двигаться быстрее света. Не могли бы вы пояснить?

Это звучит значительнее, чем есть на самом деле. Я могу закрыть глаза и подумать о галактике Андромеды – а это очень-очень далеко, но мой ум может там оказаться. Я, конечно, не знаю, как там все на самом деле – в галактике Андромеды, так что мои мысли могут быть неверны. Но я могу закрыть глаза и представить дом, где я вырос – в одно мгновение, – а значит попасть туда быстрее света…

Необычное свойство подобного путе­­шествия еще и в том, что оно может происходить не только в пространстве, но и во времени…

Да, но, как правило, назад, а не вперед. (Смеется.)

…тогда как область, которую мы обсуждали до этого, не дает возможности путешествовать в прошлое. Не так ли?

Пожалуй, не дает. Мы сейчас не знаем никаких процессов, позволяющих будущему воздействовать на прошлое.

Не знаем процессов?

Да.

Но ваша формулировка позволяет предположить, что вы не исключаете…

У меня есть кое-какие сомнения на этот счет, действительно. Я не думаю, что это исключено.

Не могли бы вы поделиться своими сомнениями?

Ну это всего лишь сомнения и домыслы, однако… Физические уравнения, какими мы их знаем сегодня, почти идеально симметричны – а в некоторых отношениях просто идеально симметричны – они относятся и к миру, в котором время движется в одну сторону, и к миру, в котором время движется в другую сторону. Все карты путает Большой взрыв, который был в прошлом и оказал влияние на все процессы настоящего и будущего. Хотя о будущем мы можем только гадать, достоверной информации ни у кого нет – а если бы была, она бы очень дорого стоила. (Смеется.) Мы долго шли к понятию Большого взрыва и пониманию того, что отдаленное прошлое на нас влияет. Некоторые эффекты очень слабые и малозаметные – специалисты по космологии увидели, что галактики удаляются, сделали замеры, а потом посмотрели на фоновую микроволновую радиацию... Самые малозаметные вещи были открыты только в ХХ веке. Поэтому тот факт, что у нас пока нет оснований утверждать, куда все движется, не доказывает, что так будет всегда. А тот факт, что уравнения работают в обе стороны, позволяет предположить, что раз есть воздействие прошлого на будущее, то может быть и наоборот.

Может ли факт наличия телеологически направленного движения во Вселенной интерпретироваться как воздействие на прошлое?

Мог бы, если бы телеологические феномены были зафиксированы. Но я таких не знаю… Не подумайте, я был бы рад узнать, что где-то нечто происходит так-то и так-то, чтобы потом появилось то-то и то-то. Но мне такие случаи не известны. А было бы неплохо!

По-вашему, получается, что возникновение жизни и сознания или чего-то подобного – это просто совпадения, и ничто во Вселенной не было нацелено на их создание.

Я бы выразился по-другому, но... У нас есть вполне подробное описание того, как возникла жизнь на основании довольно простого понимания Большого взрыва. Мы достаточно хорошо знаем действовавшие тогда законы физики, чтобы увидеть, как она возникла; у нас есть вполне правдоподобная картина, подтвержденная массой ­­деталей, – как формировалась струк­тура космоса, как могла сформироваться Земля и похожие планеты, через какие стадии прошла эволюция жизни… Отдельные этапы мы понимаем хуже, в том числе зарождение жизни, но и тут есть прогресс. Так что есть довольно подробные описания, но они основаны на том, что время идет только вперед. У нас нет ни единого повода говорить, что направление развития задается чем-то из будущего. Может, чем-то и задается! Может, возможно альтернативное описание или, может, существуют феномены, которые только так и можно описать, но если это так, то они еще не открыты.

Можно с легкостью представить, что кто-то выпустил стрелу в цель, а вы исследуете только ее полет.

Я согласен. Я не удивлюсь, если цель существует. Мне бы даже этого хотелось, это так интересно. Ве­роятно, целью была бы какая-нибудь абстрактная симметрия или математический символ, однако сейчас у нас нет оснований об этом говорить. Вообще-то меня даже беспокоит то, что физические уравнения обладают симметрией и направление движения им безразлично, а миру нет. Я почти уверен, что на каком-то уровне мир тоже симметричен, просто мы об этом пока не знаем.

Одна вещь в работе всемирно известного физика меня интересует отдельно – это роль воображения в науке. Не могли бы вы порассуждать о роли воображения в вашей работе?

Работа у меня такая: смотреть на уравнения, описывающие мир или его часть, и пытаться представить, как их можно улучшить. Это по большей части работа воображения: как сделать уравнения красивее, как можно использовать потенциал квантового мира – это квантовая инженерия, вторая моя специальность. Так что да – надо думать о том, чего нет, а это именно работа воображения. Однако это очень дисциплинированное воображение, это не поток свободных фантазий, потому что эти фантазии должны не противоречить тому, что уже известно и доказано, а в случае с инженерией – еще и тому, что реализуемо. Фейнман любил говорить, что инженерия – это воображение в смирительной рубашке; очень точно подмечено. Я пытаюсь использовать воображение, так сказать, в разном разрешении. Например, разговор о влиянии будущего на прошлое – очень низкое разрешение, здесь иногда можно допускать противоречия, потому что неясно, что вообще выйдет. Однако если я думаю о том, как сделать квантовый компьютер или как решить уравнение квантовой механики, то здесь все просчитывается на мельчайшем уровне.

Кстати, насколько вы продвинулись в разработке квантового компьютера?

(Смеется.) Скажем так – конечная цель еще за горизонтом. Однако прогресс идет семимильными шагами. Моя роль достаточно скромна – речь идет о масштабном международном проекте, в котором задействованы не только теоретики, но и экспериментаторы. Фундаментальных ограничений мы пока не нашли, но чисто технические задачи требуют очень нестандартных решений.

А если помечтать: что сможет сделать квантовый компьютер?

Самое важное – решать химические уравнения, а это, по сути, квантовые уравнения, гораздо эффективнее, чем современные компьютеры.

Человечеству не хватает только этого?

Да. Мы сможем создавать новые ма­­териалы, новые лекарства… И новые виды квантовых компьютеров! (Смеется.) Однако это будет новый инструмент, и заранее определять сферу его применения – дело неблагодарное. Сейчас мы используем лазеры вовсе не для того, для чего их изобретали. Но я уверен, что решение уравнений квантовой механики будет одной из областей применения квантовых компьютеров. А в долгосрочной перспективе – хочется думать – возможно создание новых видов разума. Существует обширная литература об искусственном интеллекте на базе обычных компьютеров, то есть в конечном итоге – о машинах Тьюринга, причем сейчас речь идет о существующих компьютерах различных архитектур. И человеческий мозг, на мой взгляд, в широком смысле тоже является классическим компьютером. А вот квантовые компьютеры – нечто совсем иное. Грубо говоря, у них есть многомировые свойства. Они могут одновременно выполнять противоречащие друг другу действия, и построенный на их базе интеллект должен сильно отличаться от человеческого. Об этом так приятно думать.

Одним из инструментов, на который вы возлагали большие надежды и который удалось реализовать, является Большой адронный коллайдер. Насколько он оправдывает ваши ожидания?

Самое глубокое открытие, сделанное с помощью БАК, состоит в том, что Стандартная модель – основанное на симметрии и очень точное описание мира – действительно работает. Причем работает фантастически хорошо даже в экстремальных условиях. Это большая победа человеческого разума – оказаться способным детально предсказать, что произойдет в доселе не виданных условиях. Это прекрасно, но нам нужны новые открытия. Вы правы: у меня были большие надежды на БАК, потому что основные уравнения, на мой взгляд, можно сделать красивее, и у меня есть конкретные предположения, но проверять их придется именно в БАК. Эти мои идеи связаны с понятием суперсимметрии…

Или SUSY.

Да, именно SUSY. Так вот, SUSY предсказывает, что еще будут новые частицы, и если SUSY будет работать, как я задумал – а именно, помогать объединять другие физические силы, – то эти новые частицы мы увидим при помощи БАК. Пока этого не произошло, но я не перестаю надеяться. Вообще говоря, пока я очень доволен происходящим – по двум причинам. Первая – открытие бозона Хиггса и, в частности, того, что его масса существенно меньше, чем могла бы быть. Суперсимметрия предсказывала как раз малую массу. Это радует. Некоторые поклонники суперсимметрии полагали, что это открытие будет сделано быстро. А я так не думал, потому что многое говорило в пользу того, что новые частицы, предсказанные суперсимметрией, будут довольно тяжелыми, а значит, получить их в БАК почти невозможно – во всяком случае, на первых этапах. Так что я не рассчитывал, что это открытие случится скоро, однако если бы в ближайшие 5–10 лет после достижения проектной мощности БАК ничего не открыли, я начал бы волноваться. (Смеется.) И вторая хорошая для меня новость: многие спекуляции о том, что может случиться – такие как новые измерения, техниколор – выглядят очень слабо. Их трудно совместить с тем, что происходит в БАК. Они ошиблись с массой частицы Хиггса, сильно ее переоценив.

В своих текстах и даже уже в этой беседе вы говорите о красоте уравнений как о критерии их истинности. Как красота может быть критерием?

Это не обязательное условие, просто красивые решения оказываются более подходящими для нашего мира.

Могу ли я тоже увидеть красоту уравнений?

Да… Один из аспектов красоты – это симметричность уравнений.

Поэтому вы можете с ними играть?

Да. Допустим, у вас есть уравнение x = y. Вы можете поменять x и y местами, и получится новое уравнение y = x, которое будет совершенно тождествен­но и при этом симметрично исходному. А если у вас уравнение x = y + 2, то, поменяв x и y местами, получаем y = x + 2, а это не то же самое. То есть симметричные уравнения допускают преобразования, которые изменяют вид уравнений, но не их значение. Это, собственно, и называется симметрией уравнений. Возьмем равносторонний треугольник, который полностью симметричен, – его можно повернуть на 120 градусов вокруг центральной оси, а он будет выглядеть идентично. То есть симметрия – это возможность вносить изменения, не меняя структуру в целом. Поразительные открытия, сделанные преимущественно в ХХ веке, показали, что симметрия – очень плодотворный принцип для составления описывающих мир уравнений. Сейчас мы пытаемся описать внутри­ядерный мир, в котором эксперименты трудно и ставить, и интерпретировать, и без принципа симметрии дела наши были бы плохи. Поэтому мы, как моряк во время шторма, хватаемся за все, что есть под рукой, а под рукой оказалась симметрия. Это удивительная ситуация, и она не является единственно возможной. В том смысле, что если описать уравнениями мир игры Супер Марио, они не будут симметричны – там совсем другой набор правил.

Или мир Гарри Поттера.

Или мир Гарри Поттера. Я не слишком хорошо его знаю, но он ведь кем-то придуман с его забавными правилами и несимметричными уравнениями. И наш мир мог бы быть таким же, однако наши открытия показывают, что им правят уравнения со строгой и очень особенной симметрией.

Я хотел бы поговорить о трех очень непонятных вещах: черных дырах, темной материи и темной энергии. Я понимаю, что за пять минут все не обсудишь…

Вообще-то эти вещи гораздо проще, чем то, о чем мы только что говорили. (Смеется.)

Неужели? И что такое черная дыра?

Черная дыра – это концентрация огромной массы в относительно малом радиусе, в результате чего ее гравитационный эффект столь велик, что свет не может ее покинуть. Вы знаете, что для Земли есть скорость убегания – вторая космическая, – и если хочешь в космос, надо до нее разогнаться. Чем меньше радиус, тем больше скорость убегания, в итоге она превосходит скорость света – и тот застревает. А поскольку быстрее света ничего нет, то черную дыру вообще ничто не может покинуть – по крайней мере, с точки зрения классической физики. Вот и все.

А насколько велики черные дыры?

По-разному бывает. Вся Вселенная вполне может оказаться черной дырой.

Как-то здесь не слишком все плотно.

Да, но большие черные дыры не обязательно должны быть очень плотными. Маленькие должны, чтобы создать достаточную гравитацию, а очень большие – не обязательно. В частности, считается, что в центре нашей галактики черная дыра с массой в миллиард раз больше солнечной.

А она нас не засосет?

Нет, она слишком далеко. (Смеется.) Эта черная дыра оказывает на нас гораздо меньшее гравитационное влияние, чем многочисленные звезды во­круг. Однако если к ней приблизиться, то засосет. Я имел в виду, что можно рассчитать ее плотность, и она даже чуть меньше плотности воды, то есть совсем жиденькая.

Плотность черной дыры чуть меньше, чем у воды?

Да. Она очень большая, поэтому плотность невелика. Очень плотны только маленькие черные дыры. А очень большие – например, размером с нашу Вселенную – должны иметь как раз плотность нашей Вселенной или около того. Мы можем задать космологический вопрос: а может, нас ждет Большое сжатие, когда прекратится расширение? Но пока расчеты показывают, что плотность не так велика, то есть мы живем не в черной дыре.

А я так надеялся, что мы в черной дыре.

Если бы мы жили в черной дыре, это бы значило, говоря очень упрощенно, что Вселенная закончится Большим сжатием, то есть она перестанет расширяться и начнет сжиматься, и ничто не спасется.

Когда я был маленьким, я представлял, что Вселенная кончается где-то так близко, что можно протянуть руку и потрогать. Значительно позже я узнал о рисунке одного древнего философа, который провел умственный эксперимент и представил, что бы было, если бы у Вселенной была граница, предел. В итоге появилось очень странная мысль, что у Вселенной есть предел, потому что у всех вещей есть предел, если они реальны. Вы когда-нибудь думали о пределе Вселенной?

Не знаю, думал ли я об этом именно в таких терминах, но ребенком я точно задумывался о… (Задумывается.) Что будет, если все время идти прямо и никуда не сворачивать? Или в моем случае – если копать бесконечно глубоко, потому что мне нравилось копать. (Смеется.) Нет, я никогда не думал о том, где кончается Вселенная. Однако недавно – правда, уже не в космологии, а в изучении материалов, потому что у материалов пределы есть – мы открыли очень неожиданные свойства поверхностей, свойства границ в квантовой механике. И думал я в точности вот о чем: в контексте квантовой механики предел имеет другое значение. Границы обладают интересной структурой, они живут собственной жизнью.

Собственной жизнью?

Да. Есть вещи, которые происходят только на границах; динамика, существующая только на границах, – получается, что это отдельный маленький мир.

Давайте столь же по-простому поговорим о двух других темных феноменах – темной материи и темной энергии. Поговаривают, что с темной материей все неясно.

Темная материя – вещь относитель­но общепринятая. Только, на мой взгляд, ее гораздо более понятное название – избыточное ускорение. Оно было открыто в ходе многих, никак не связанных друг с другом измерений движения звезд вокруг галактик и галактик друг вокруг друга… Если взять всю известную нам материю и подставить ее в гравитационные уравнения – а они много раз проверялись и подтверждались, – то полученные значения ускорения окажутся гораздо ниже, чем реально наблюдаемые. Ученые пытались по-разному объяснить эту странность, однако самая последовательная гипотеза состоит в том, что существует некая иная форма материи, которую не видно ни в телескоп, ни еще как-либо, однако ее гравитационная сила действует на звезды и галактики, и мы видим, как они ускоряются. Это дополнительный источник ускорения, потому что всей известной нам материи было бы недостаточно. Можно составить карту распределения этой штуки, потому что у нее есть гравитационные поля. И окажется, что этот дополнительный источник ускорения распределен неравномерно, его больше в тех регионах, где имеются галактики, то есть галактики как бы располагаются в середине облака этой темной материи. Она не такая комкообразная, как обычная материя, но все равно комкообразная. Вообще она похожа на обычную материю, за единственным исключением – она не видима ни на свету, ни в космическом излучении, никак.

То есть она прозрачная?

Да, именно так.

И ее много?

Судя по массе – да. Ее масса в пять раз больше массы видимой материи. Если судить по гравитационному эффекту, ее в пять раз больше, чем видимой материи. И это было бы невероятно, знай мы физику чуть хуже. (Смеется.) Но мы знаем из исследований, что некоторые формы материи почти невидимы – в частности, нейтрино. За секунду миллиарды выпущенных Солн­цем нейтрино спокойно проходят через наше тело, а мы их не замечаем.

Может, им просто все равно – видим мы их или нет?

Им совершенно все равно. У нас есть их теоретическое описание, мы знаем их свойства, как они взаимодействуют с материей, и мы даже можем их изучать. Мы создаем луч, содержащий триллионы нейтрино, и один из них случайно вступает во взаимодействие, тогда мы изучаем его свойства. Это стало возможно только потому, что мы изучили много-много-много случаев и доказали их существование. Кстати, теоретически о них впервые заговорил Вольфганг Паули еще в 30-х годах; он тогда даже как бы извинялся: «Я вынужден постулировать существование новой частицы, которую мы никогда не увидим». (Смеется.) Потому что он не понимал, как ее можно будет наблюдать, она очень мало взаимодействует с обычной материей. Лишь двадцать с небольшим лет назад они были зафиксированы при помощи героических экспериментов с использованием ядерного оружия. Так что темная материя может оказаться чем-то вроде этого.

Но мы не знаем этого, потому что ее невозможно наблюдать.

Трудно, но не невозможно! Ней­трино же мы смогли наблюдать, хотя это непросто. Но сейчас у нас есть теория Большого взрыва, Стандартная модель, так что мы можем рассчитать, сколько этих частиц образовалось в ходе Большого взрыва. У нас есть вполне серьезные кандидаты на роль того, кто бы это мог быть. Наиболее вероятная частица называется аксион – это я ее так назвал, потому что я ее и придумал, так сказать.

Придумал или открыл?

Видите ли, ее пока никто не видел. (Смеется.) Но в теорию она встраивается хорошо. Сейчас готовятся очень сложные, героические эксперименты для ее поиска.

Почему вы назвали ее аксион?

«Аксион» – это марка стирального порошка.

А какая связь между…

Звучит вполне как название частицы. Я решил, что если мне доведется дать имя какой-нибудь частице, то так и назову. Когда шанс представился, я его использовал. Тем более что получилось довольно кстати: это частица решает проблему с аксиальными токами. Все сошлось. (Смеется.)

И наконец, темная энергия.

Темная энергия – это тоже избыточное ускорение, но с двумя важными отличиями. Во-первых, мы го­­ворили, что темная материя комкообразна – где-то ее больше, где-то меньше, и особенно ярко ее наличие коррелирует с галактиками. Темная энергия – это немножко другое. Она совершенно однородна, то есть ее плотность постоянна, даже в прошлом.

То есть она вокруг нас?

Да. Ее плотность значительно меньше, чем плотность обычной материи, однако в большей части пространства материи нет, тогда как… То есть даже несмотря на крайне низкую плотность, в целом набирается немало. Другое свойство темной энергии, отличающее ее от темной или обычной материи, – это то, что она оказывает давление, причем негативное давление, то есть разрывает вещи изнутри. Это звучит загадочно, и не зря. Кстати, еще Эйнштейн рассматривал это как логическую возможность изменения уравнений гравитации – еще в 20-е годы, может, даже в 1919-м, во время разработки общей теории относительности. Однако эту его идею долго не принимали, в том числе и он сам – по разным причинам, но главное – потому что ничего такого не наблюдали и плотность была очень-очень низкой. Однако в последние годы ученые нашли феномены, указывающие на негативное давление. И сразу темная энергия оказалась правдоподобной тео­рией. И не дай бог ее опровергнут, а то ведь уже Нобелевскую премию вручили. (Смеется.) Премию дали за открытие некоей достоверной штуки с постоянной плотностью, в том числе в прошлом.

Но наблюдать ее нельзя.

Непосредственно нельзя, но эффекты наблюдать можно. Собственно, то же самое можно сказать про все, о чем мы сегодня говорим. (Смеется.) Можно обсуждать реальность темной энергии так же, как реальность любых других вещей – она реальна в том смысле, что помогает нам описать мир, но не реальна в том смысле, что мы не можем ее контролировать, взаимодействовать с ней в повседневной жизни. Это просто часть нашего описания внешнего мира.

В истории западной мысли систематичность и порядок во Вселенной иногда считались признаком наличия некоей другой силы – невидимой, как обсуждаемые нами сегодня вещи, но ответственной за мир в целом. Вы, очевидно, выросли в католической семье, и в вас есть рудиментарная вера…

Не такая уж рудиментарная. (Сме­ется.)

Что происходило с вашей верой в ходе ваших научных изысканий?

Я больше не считаю священные тексты авторитетом, они не согласуются с научным взглядом на мир.

Мне казалось, они о другом – не о научном взгляде на мир.

Да, но там высказываются научные предположения – о происхождении видов, зарождении жизни, сотворении мира, и эти предположения не подтверждаются современной наукой. Но самое для меня поразительное – то, чего священные тексты не касаются. Они очень землецентричны и ничего не говорят о куда большем мире, а также не указывают, что в мире властвуют математические законы. Они больше похожи не на божественное откровение, а на плод трудов человеческих.

От вашей веры что-нибудь осталось?

Да, в том смысле, что я все еще хочу... Мне нравится думать, что у мира есть скрытый смысл, некий сюжет. Я всегда ищу скрытые смыслы и нахожу их.

Нашли ли вы какие-нибудь следы того, что ученые называют «ум Бога»?

(Задумывается.) Такое описание пред­ставляется мне неестественным и даже не вполне уместным. Все­лен­ная не похожа на творение разума. А если это творение разума, то это разум другого рода. Это очень стихийная инженерия – сначала закладываются самые общие принципы, а потом получаются неожиданные вещи. Возможно, на каком-то уровне это было запланировано каким-то разумом, но… Мне не кажется, что это самая очевидная интерпретация, и для понимания мира она ничего не дает. Гораздо больше помогает мысль о внутренней связанности и красоте математики. Но в другом, более метафорическом смы­с­ле я думаю, что, узнав, как вы говорите, «создателя», познаешь и создание. Многие мои герои – Коперник, Галилей, Кеплер, Максвелл – были глубоко верующими людьми, которые считали, что познают «ум Бога» или то, как Бог действует в мире. Я примерно тем же самым занимаюсь, но по-другому, чем священные тексты.

Не могли бы вы назвать от трех до пяти самых главных вопросов, на которые наука пока не ответила?

Самая сложная проблема – объяснить на молекулярном уровне, как работает ум. У нас есть местами довольно подробные описания метаболизма на молекулярном уровне, есть описания механизмов наследования, а вот про ум, память, мысль ничего нет. Другая проблема уже была упомянута: благодаря успехам науки в ХХ веке у нас есть уравнения, которые в принципе позволяют вычислить свойства молекул и материалов и как бы заменить химические лаборатории компьютерами, однако на практике до этого еще далеко. Можем ли мы использовать уравнения, чтобы действительно подробно описать мир и создавать новые материалы и вещества?

Или новые жизни.

Да, или новые жизни! (Смеется.) И еще надо сказать об одном… Еще одна большая задача – понять процесс старения, как его можно остановить или предотвратить; тем самым мы сразу вылечим множество болезней… Из-за старения и смерти человечество несет большие потери.

Перенаселенности не боитесь?

Эта проблема появится, только если мы решим предыдущую. (Смеется.) Придется меньше размножаться, но… Я думаю, понять механизм старения и предотвратить его стало бы великим научным свершением.

Последний вопрос личный: самая важ­­ная вещь, которую вы поняли в жизни?

(Смеется, длинная пауза.) На личном уровне – важность любви и семейной жизни. В этом отношении мне очень повезло. Вторая из другой области, поэтому я бы не стал сравнивать, какая из них важнее: я понял, что мир воздает должное за то, что ты пытаешься его понять