Физики вместе — фундаментальная сила

Исследование строения материи и далеких объектов Вселенной ныне — общее дело сотен институтов разных стран. В международное сотрудничество активно вовлечены и белорусские ученые. Об актуальных вопросах, которые стоят перед научным сообществом, рассказывает директор Национального научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий Белорусского государственного университета доктор физико-математических наук, профессор Николай ШУМЕЙКО.

— Николай Максимович, на ваш взгляд, есть ли в физике единая теория, которая хотя бы приблизительно описывала одновременно и микро-, и макромир?
— Сейчас наука имеет представление о структуре материи вплоть до расстояния 10-19 м. Это в несколько десятков раз меньше размера атомного ядра, а благодаря строительству Большого адронного коллайдера мы продвинемся еще на порядок глубже. С другой стороны, с помощью радиотелескопов ученые «прощупали» границы окружающего нас мира вплоть до 1026 м. При этом стало ясно: понять, какие процессы происходили в масштабах Вселенной на ранних стадиях ее развития и идут сейчас, невозможно без изучения законов микромира — физики глубинных слоев материи. То есть это тесно взаимосвязанные вещи. Но пока что с созданием единой концепции дело обстоит трудно. Наиболее «продвинутой» является теория суперструн. Она более других готова объяснить нетривиальную «почву» взаимодействий в природе. Но все же пока мы располагаем только гипотезами.
— Эта тема при нынешнем уровне развития науки еще неподъемна?
— Наши надежды на подтверждение упомянутых гипотез не беспочвенны. Например, продолжаются поиски распада протона (ядра атома водорода) — частицы, считающейся абсолютно стабильной. Но если справедлива теория Великого объединения взаимодействий и она работала на ранних этапах развития Вселенной, то протон может распадаться и не суще¬ствует вечно. Если такое явление будет обнаружено, это перевернет некоторые нынешние представления исследователей и станет крупным шагом на пути построения единой теории.
— А как быстро меняются представления? Скажем, последние 10 лет принесли много перемен?
— Экспериментальная физика за этот период привела нас к осознанию факта, что во Вселенной существуют различные виды материи и энергии. Наблюдательные данные произвели кардинальный переворот. Еще десяток лет назад предполагалось, что основную массу Вселенной составляют галактики. Но благодаря новым сведениям выяснилось, что главную ее часть «занимают» темная материя и энергия. Мы не знаем их происхождения и пока не можем объяснить данное явление.
— Значит, движущей силой в физике сейчас является не теория, а наблюдение и экперимент?
— Несомненно. Хотя следует отметить, что некоторые теоретические объяснения были предложены давным-давно, но к ним никто не проявлял интереса, пока не выяснились соответствующие факты.
— Раньше много внимания привлекала антиматерия. Какая роль отводится ей сегодня?
— Это один из вопросов, стоящих на повестке дня, но уже не самый актуальный. Фундаментальные взаимодействия симметричны по отношению к частицам и античастицам практически везде, за исключением малой группы явлений, но окружающий нас мир состоит все-таки из материи, а не из антиматерии…
— Почему же маятник качнулся в одну сторону?
— Окончательного понимания этого нет, но качественно, как полагают теоретики, дело обстоит так: почему-то изначально симметрия между материей и антиматерией в природе нарушена. И это «искажение» на первых стадиях образования Вселенной выразилось в том, что на миллиард антикварков приходился миллиард плюс один кварк. Причем указанные числа взяты не с потолка, а следуют из наблюдений распадов нейтральных К-мезонов и В-мезонов. Полагают, миллиарды лет назад, когда температура во Вселенной снизилась настолько, что стала возможной аннигиляция кварков и антикварков, они взаимно преобразовались в излучение. При этом один на миллиард кварк остался «без пары» и не исчез, а продолжил существовать. Примерно то же самое произошло с электронами. В итоге мы имеем Вселенную, в которой 100% составляет материя. Антиматерию можно найти, только искусственно создав ее на ускорителях. Экспериментальным подтверждением несимметрии, которая, по-видимому, и привела к «вымиранию» антиматерии, является наблюдение разных скоростей распадов K0-мезонов и анти-K0-мезонов, В0-мезонов и анти-В0-мезонов. Правда, пока это только две системы в природе, которые подтверждают наше предположение. Причина же данной несимметрии еще не ясна. Теоретического объяснения нет.
— Может быть, антиматерия просто «спрятана» в других измерениях рядом с нами?
— Не исключено, но маловероятно. В чем выражаются эти другие измерения? Образно говоря, они означают, что у каждой частицы появляется некая «надстройка» с дополнительными свойствами. Частица это будет или античастица — явного запрета нет. Однако повторю, сейчас такая возможность не рассматривается.
— Можно ли простым языком объяснить, что такое бозон Хиггса, поиск которого будет вестись на Большом адронном коллайдере?
— Чем в первую очередь отличаются материальные объекты? Массой! Но что это такое, пока до конца не ясно. С одной стороны — некое свойство, которое заключается в притяжении одного объекта к другому. С другой — что-то, выражаемое в инерции. Однако откуда взялась масса и какой механизм природы ее сгенерировал? Это фундаментальнейший вопрос. Чтобы ответить на него, нужно «окунуться» в микромир. Согласно теориям объединения, все частицы изначально безмассовые и получают ее за счет взаимодействия. Самым логичным и «экономным» с теоретической точки зрения объяснением возникновения массы является следующее: во Вселенной существует некое скалярное поле — совокупность неизвестных частиц, взаимодействуя с которым все объекты ее и обретают. Бозон Хиггса — частица, «дающая» массу. Но, даже если удастся достоверно установить его существование, вопросы все равно останутся. К примеру, откуда сам бозон получает свою массу?
— Что вам, как ученому, кажется наиболее интересным из разрабатываемых физиками проблем?
— Безусловно, самая актуальная из них — создание теории единого взаимодействия и ее экспериментальное подтверждение. Если это произойдет, мы очень многое расставим по своим местам. В том числе узнаем больше об источниках энергии в природе. Изучение фундаментальных взаимодействий — довольно сложный путь, но и весьма перспективный. Представьте себе, что может дать человечеству возможность постройки аннигиляционного двигателя…
Впрочем, на мой взгляд, важны все физические исследования. Возьмем, к примеру, строительство Большого адронного коллайдера. Сегодня это самое сложное и совершенное устройство на Земле, и даже независимо от того, какие результаты будут получены в ходе его использования, оно уже сейчас послужило существенным толчком для развития техники и технологий. Или вспомним Интернет, родившийся в ЦЕРНе и удовлетворивший потребность больших групп ученых в обмене информацией, грид-технологии, возникшие как ответ на необходимость синхронной обработки данных экспериментов, многое другое. Фундаментальная физика во всех ее проявлениях является двигателем прогресса.
— Как Беларусь участвует в международных программах, посвященных физике частиц и высоких энергий?
— Отечественные ученые с 1992 г. участвуют в проекте создания Большого адронного коллайдера. В частности, были разработаны и изготовлены весьма важные подсистемы детекторов для исследований на этом ускорителе. Желающих произвести эти приборы, даже за собственные деньги, насчитывалось много, но в ходе тендера предпочтение было отдано именно нам. У нас есть и необходимый кадровый потенциал, и нужный инструментарий для участия в проектах такого высокого уровня. Мы доказали, что наши научные и инженерные школы компетентны. Белорусские физики не плетутся в хвосте мировой науки, а работают на ее передовых рубежах.