«Мы убьём себя за 35 лет»: Нобелевский лауреат Дэвид Гросс — о физике, струнах и главной угрозе человечеству

Когда физику-теоретику Дэвиду Гроссу было 13 лет, он получил в подарок экземпляр научно-популярной книги «Эволюция физики» (Cambridge University Press, 1938), подписанный Альбертом Эйнштейном. Эта книга, написанная в соавторстве с самим Эйнштейном, отправила Гросса в путешествие в самое сердце атома, где он в конечном счёте помог ответить на вопрос, который годами мучил физиков элементарных частиц: можно ли разделить составные части протонов и нейтронов, называемые кварками.

Вытекающий из этого принцип асимптотической свободы, который он разработал совместно с Фрэнком Вильчеком и Х. Дэвидом Политцером, показал, что силы между кварками ослабевают по мере их сближения и усиливаются по мере их удаления. Асимптотическая свобода стала частью более крупной модели, называемой квантовой хромодинамикой, и проложила путь к объединению сильного, слабого и электромагнитного взаимодействий, что завершило Стандартную модель физики элементарных частиц. Трио получило Нобелевскую премию по физике за свою работу в 2004 году.

Последние несколько десятилетий Гросс переключился с изучения частей атома на разработку теорий струн, которые могли бы объединить четвёртую силу — гравитацию — с тремя другими. Бывший директор Института теоретической физики Кавли при Калифорнийском университете в Санта-Барбаре, Гросс недавно получил специальную премию Breakthrough Prize в области фундаментальной физики в размере 3 миллионов долларов в честь его пожизненных достижений в физике.

Live Science поговорила с Гроссом о его жизни и работе, о том, что лежит в сердце атома, почему объединить четыре фундаментальные силы так сложно и почему он считает, что главным препятствием для создания теории квантовой гравитации является не наука, а время, оставшееся у человечества на Земле.

Тиа Гоуз (Live Science): Расскажите, как вы впервые заинтересовались физикой.

Дэвид Гросс: Я всегда хорошо решал математические головоломки и получал от этого удовольствие. На мою бар-мицву я получил подарок от друга семьи, который оказался братом Леопольда Инфельда, сотрудничавшего с Эйнштейном над научно-популярной книгой. Она называется «Эволюция физики».

Я был по-настоящему очарован этой книгой. В тот момент я понял, что математические головоломки становятся гораздо интереснее, когда применяешь математику к реальному миру, и я решил стать физиком-теоретиком. Как только вы решаете заняться теоретической физикой, путь становится прямым; он не особенно извилист: вам нужно выучить математику, выучить физику, и вам предстоит долгий путь, пока вы доберётесь до передовых рубежей знаний. Так что это было раннее и мудрое решение.

ТГ: Вы чувствуете, что добрались до передовых рубежей знаний?

ДГ: О да — даже дальше!

ТГ: В 2004 году вы получили Нобелевскую премию по физике за разработку теории асимптотической свободы. Расскажите об этом.

ДГ: Когда я начинал аспирантуру… у теоретиков не было ни идей, ни глубокого понимания того, что происходит внутри ядра.

Вскоре после окончания аспирантуры я уехал на постдокторантуру из Беркли в Гарвард, и там проводились замечательные эксперименты. [В этих экспериментах] целью было направить электроны, которые мы очень хорошо понимаем, на протоны с очень высокими энергиями и изучить различные рассеяния этих электронов… чтобы, по сути, иметь микроскоп, который заглядывает внутрь протона.

Эти эксперименты были очень удивительными, и, казалось, они указывали на то, что протон состоит из каких-то точечных частиц, не имеющих структуры. По крайней мере, это наблюдалось на малых расстояниях и за короткие промежутки времени, и это было довольно загадочно.

Я работал над этим и делал предсказания о том, что могло бы произойти, если сделать различные смелые предположения. И оказалось, что эти частицы соответствуют тому, что называется кварками, которые ранее были гипотетическими математическими объектами для объяснения закономерностей рождения частиц.

Но этот эксперимент показал, что они реальны и каким-то образом движутся свободно — что не имело никакого смысла, потому что тогда их можно было бы легко выбить из протона, если ударить по нему достаточно сильно. Но никто никогда не видел кварк.

И я одержимо занялся этим, что привело к открытию асимптотической свободы, а затем и квантовой хромодинамики. Асимптотическая свобода — это свойство, при котором сила между кварками ослабевает, когда они сближаются, что противоречит интуиции и не похоже ни на одну другую известную нам теорию.

Сила становится слабее, когда они сближаются, и сильнее, когда они расходятся, и, возможно, достаточно сильной, чтобы их невозможно было разорвать, что, по-видимому, и происходит.

Это был поворотный момент для теории сильного ядерного взаимодействия. В те же годы — в начале 1970-х — также строилась теория слабого ядерного взаимодействия, опять же в другой постановке, но в том же роде обобщения электродинамики. А к середине/концу 1970-х мы завершили то, что называем Стандартной моделью — стандартной теорией физики элементарных частиц: из чего состоит материя и какие силы действуют между её частицами.

ТГ: В тот момент казалось, что мы объединили три взаимодействия, но есть ещё гравитация — выбивающаяся из ряда. И вы переключились на неё?

ДГ: Я не мог переключиться сразу. Как только у нас появилась теория, позволяющая рассчитывать ядерные явления… можно было рассчитывать, делать предсказания и проверять теорию.

Квантовая хромодинамика — это очень глубокая, долгая, сложная и красивая история, которая продолжается в полную силу и сегодня. На малых расстояниях, когда кварки близки, всё просто, потому что [сильное] взаимодействие становится всё слабее и слабее, поэтому можно легко рассчитывать — и люди сейчас расширили эти расчёты за 50 лет до невероятной точности.

Но больше всего меня интересовала попытка понять: действительно ли кварки полностью заперты и как это работает? И как управлять теорией, когда взаимодействия становятся сильными? Это гораздо сложнее.

Многие вопросы остаются открытыми. Но мне это надоело, потому что было трудно, и я не мог действительно решить эту проблему.

Кроме того, как вы сказали, в рамках стандартной теории были указания на то, что если довести её до крайности — до очень высоких энергий и очень малых расстояний, — она перестаёт работать, потому что вступает гравитация. Так что это был знак, что мы должны попытаться объединить все взаимодействия с гравитацией.

Это привело к теории струн, над которой я в основном и работаю с тех пор.

ТГ: Не могли бы вы немного объяснить, что такое теория струн и над чем вы работаете?

ДГ: Вопросы, которые мы задаём [в теории струн], ещё более амбициозны, чем объединение всех сил. Гравитация, согласно Эйнштейну, в нашем понимании — это динамика пространства-времени, верно?

Сейчас мы начинаем понимать, что нам снова придётся — как уже много раз бывало в истории физики — изменить и улучшить наше понимание пространства-времени.

Из чего состоит пространство-время и как оно ведёт себя на малых расстояниях? Как эволюционировала Вселенная?

Мы многого не понимаем в этом. Но особенно мы не понимаем начала, и именно здесь все наши идеи рушатся — пока что даже попытки использовать теорию струн. Но теория струн всё ещё предлагает лучшую надежду на то, чтобы попытаться ответить на вопрос о том, как возникла Вселенная.

ТГ: То есть одно из препятствий в том, что у вас есть все эти [объединённые] теории, но для их проверки нужны эксперименты, а энергетические режимы, в которых их можно проверить, экстремальны?

ДГ: Их очень трудно проверять напрямую. В XIX веке химики и физики выдвинули гипотезу о существовании атомов.

Но никто никогда не видел атом и не имел прямого способа понять, из чего он состоит, или даже существуют ли атомы на самом деле. Так что это была похожая ситуация.

А затем прорывы или реальные достижения в понимании атомной структуры обычной материи и самого атома произошли в XX веке — их не предвидели, и многие считали атомы «вроде как математическим приёмом для построения теорий», но не совсем реальными.

Это происходит снова и снова [в науке], и, конечно, замечательно то, что эксперименты могут разрешить вопрос. Так случилось с атомами, с броуновским движением [случайным движением частиц, которое объяснил Эйнштейн] и с Резерфордом [чьи эксперименты с золотой фольгой показали, что атомы в основном состоят из пустого пространства с плотно упакованными ядрами]. А затем была разработана квантовая механика, и теперь мы полностью понимаем обычную материю.

В данном случае [с проверкой теорий струн] становится всё труднее и труднее по мере удаления от человеческого масштаба. Я имею в виду, масштаб, который мы рассматриваем, настолько крошечный. Он примерно настолько крошечный, насколько это вообще возможно.

ТГ: И это планковский масштаб [1,6×10⁻³⁵ метра, где, как полагают, квантовые эффекты начинают доминировать над гравитацией]?

ДГ: Да, планковский масштаб — это масштаб, в котором гравитация становится очень сильным взаимодействием, где структура самого пространства становится настолько сложной, что, вероятно, даже не стоит думать о пространстве.

ТГ: Использовать слово «пространство», возможно, вообще не имеет смысла в этом масштабе.

ДГ: Пространство — это… картина мира, которую мы развиваем как младенцы, чтобы добраться до игрушки или еды. Это то, как мы объясняем, как устроен мир.

Но это может быть не совсем правильное объяснение; это может быть огрублённое или приблизительное понятие. И на самом деле, именно к этому нас ведут, но мы только начинаем понимать, что это может означать, и разрабатывать инструменты для работы с этим.

ТГ: Как вы думаете, через 50 лет мы будем ближе к какой-то единой теории, включающей все взаимодействия?

ДГ: В настоящее время я трачу часть своего времени на попытки объяснить людям… что шансы прожить ещё 50 лет очень малы.

Из-за опасности ядерной войны у вас есть около 35 лет.

ТГ: Почему вы думаете, что мы взорвём сами себя в течение примерно 35 лет?

ДГ: Это грубая оценка. Даже после окончания Холодной войны, когда у нас были договоры о стратегических наступательных вооружениях (все из которых исчезли), были оценки, что существовал 1% шанс ядерной войны [каждый год]. За последние 30 лет всё стало гораздо хуже, как вы можете видеть каждый раз, когда читаете газету.

Я чувствую, что это не строгая оценка, но шансы, скорее всего, составляют 2%. То есть 1 шанс из 50 каждый год. Ожидаемая продолжительность жизни при 2% [в год] составляет около 35 лет. (Ожидаемая продолжительность жизни — это среднее время, за которое должна была бы произойти ядерная война. Она рассчитывается с помощью уравнений, аналогичных тем, что используются для определения «периода полураспада» радиоактивного материала.)

ТГ: Что вы предлагаете в качестве мер для снижения этого риска?

ДГ: В прошлом году в Чикаго мы провели собрание Нобелевских лауреатов по снижению риска ядерной войны.

Есть шаги, которые легко предпринять — для наций, я имею в виду. Например, разговаривать друг с другом.

За последние 10 лет не осталось никаких договоров. Мы вступаем в невероятную гонку вооружений. У нас есть три сверхъядерные державы.

Люди говорят о применении ядерного оружия; в центре Европы идёт крупная война; мы бомбим Иран; Индия и Пакистан чуть не воевали.

Так что это увеличило шансы [ядерной войны]. Мне очень хотелось бы иметь надёжную оценку — возможно, она выше, и я думаю, что я консервативен, — но оценка в 2% [вероятности ядерной войны] в сегодняшнем безумном мире.

ТГ: Как вы думаете, мы когда-нибудь придём к тому, чтобы избавиться от ядерного оружия?

ДГ: Мы не рекомендуем этого. Это идеалистично, но да, я надеюсь. Потому что, если этого не сделать, всегда есть риск, что через 100 лет какой-нибудь ИИ [может запустить ядерное оружие], но шансы [человечества] прожить, согласно этой оценке, 100 лет очень малы, а прожить 200 лет — ничтожны.

Так что ответ на вопрос Ферми: «Где же все цивилизации, все разумные организмы в галактике и почему они не разговаривают с нами?» заключается в том, что они убили сами себя.

Вы попросили меня подумать о будущем, и последние несколько лет я одержим мыслью не о будущем идей и понимания природы, а о выживании человечества.

ТГ: Я думаю, что в некотором смысле во время Холодной войны людям было легче это осознать, потому что у нас был один главный враг. Теперь у нас хаотичные взаимодействия между странами.

ДГ: Сейчас существует девять ядерных держав. Даже три — это бесконечно сложнее, чем две. Соглашения, нормы между странами — всё рушится. Оружие становится всё безумнее. Автоматизация и, возможно, даже ИИ скоро будут контролировать эти инструменты.

ТГ: Меня тоже пугает, что многие системы оружия используют ИИ для принятия решений на каком-то уровне.

ДГ: Будет очень трудно удержаться от того, чтобы позволить ИИ принимать решения, потому что он действует так быстро. Если у вас есть 20 минут, чтобы решить, отправлять ли несколько сотен ядерных ракет с боеголовками и в Китай, и в Россию для «нашего дорогого президента», военные могут посчитать, что мудрее позволить ИИ принять это решение. Но если вы играли с ИИ, вы знаете, что он иногда галлюцинирует.

ТГ: Проблема кажется слишком большой, чтобы обычные люди могли что-то с ней сделать, как и с изменением климата, верно?

ДГ: Люди кое-что сделали с климатом. Учёные начали предупреждать людей об этом 40 лет назад. И они убедили людей, что это реальная опасность.

Это гораздо более сложный аргумент, чем в случае с ядерным оружием.

Мы создали его; мы можем остановить его.

Редакторское примечание: Это интервью было отредактировано и сокращено для ясности.

Что осталось за кадром: невысказанная надежда Гросса

В этом жёстком интервью, полном тревожных цифр и мрачных прогнозов, легко упустить из виду одну важную деталь: сам Дэвид Гросс, несмотря ни на что, продолжает работать. Каждое утро он приходит в свой кабинет и занимается теорией струн — пытаясь понять, как квантовый мир на планковском масштабе может породить гладкое, привычное нам пространство-время.

Почему? Ведь если человечеству действительно осталось 35 лет, какой смысл в фундаментальной науке?

Ответ Гросса на этот невысказанный вопрос, вероятно, был бы таким же, как у его кумира Эйнштейна: «Даже если завтра наступит конец света, я сегодня посажу яблоню». Для физика его уровня понимание устройства реальности — это не роскошь и не развлечение. Это способ существования. И если у нас действительно так мало времени, то, возможно, именно глубокое осознание хрупкости нашего мира — то самое чувство, которое возникает при взгляде на Землю из космоса или при прочтении расчётов вероятности ядерной войны, — должно подтолкнуть нас к переменам.

Гросс не предлагает наивных решений. Он не говорит: «Давайте просто отменим всё ядерное оружие». Он говорит о малом — о возобновлении диалога, о договорах, о возвращении к нормам, которые существовали даже в самый разгар Холодной войны. Парадокс в том, что в 1960–1980-х годах, когда мир был разделён на два враждебных лагеря, лидеры СССР и США всё же находили способ договариваться, потому что ставки были слишком высоки. Сегодня, при кажущемся изобилии коммуникаций, этих механизмов почти не осталось.

Урок для всех нас

Возможно, главный урок, который Дэвид Гросс — физик, привыкший оперировать числами и вероятностями — пытается донести до нас, звучит так: игнорирование рисков не делает их меньше. Вероятность ядерной войны в 2% в год может показаться невысокой. Но в пересчёте на «ожидаемую продолжительность жизни» человеческой цивилизации это означает, что наш вид живёт на «одолженном времени».

И если в течение следующих 35 лет мы не докажем, что способны справиться с созданным нами же оружием, то ответ на парадокс Ферми будет найден. И он будет не в учебниках астрофизики, а в учебниках истории — последней главы человечества.

Гросс, как и многие его коллеги-нобелевские лауреаты, не считает свою миссию законченной. Да, он получил премию за понимание сильного взаимодействия внутри атома. Но сейчас его задача — не менее амбициозна: попытаться спасти то самое человечество, которое способно заглянуть в самые глубины материи и при этом не замечать собственной хрупкости.

И, возможно, именно это и есть та самая «эволюция физики», о которой писал Эйнштейн в книге, попавшей к 13-летнему Дэвиду. Физика начиналась с попытки понять мир. А заканчивается — попыткой его сохранить.