«Теоретики — люди универсальные». Интервью с физиком Дмитрием Левковым

Это интервью с астрофизиком Дмитрием Геннадиевичем Левковым мы записали 26 июня. А 19 июля он ушел из жизни. Человек смертен, но, как говорил известный булгаковский персонаж, плохо то, что он иногда внезапно смертен. Так случилось и с Дмитрием — молодым, невероятно талантливым, нетривиально мыслящим ученым. Его смерть стала для всех полной неожиданностью и настоящим шоком.

Мы говорили о том, как появились частицы, из которых состоит Вселенная. О том, все ли частицы известны или Вселенная продолжает создавать новые. О том, какой финал ждет нашу Вселенную и можно ли его избежать. Мы рассуждали о смерти Вселенной как о чем-то аллегорическом, и жизнь на этом фоне казалась вечностью.

В некрологе на сайте института говорится, что Д.Г. Левков многое сумел сделать первым в мире: в частности, рассчитал вероятность нарушения барионного и лептонного числа в высокоэнергетических электрослабых столкновениях. Ученый впервые численно решил сложную задачу неоднородной эйнштейновской конденсации легкой темной материи и получил неожиданный результат.

Его заслуги в отечественной и мировой науке сложно переоценить, при этом Дмитрий был человеком, лишенным тщеславия, и даже докторскую диссертацию, несмотря на огромный багаж научных знаний, писать не торопился. «Есть, — с улыбкой отвечал он на мой вопрос, — более интересные задачи»…

Мы публикуем это интервью в память о Дмитрии Геннадиевиче Левкове, кандидате физико-математических наук, старшем научном сотруднике ИЯИ РАН, который, без сомнения, был настоящей звездой на астрономическом небосклоне. Жаль, что так рано погасшей. Но свет ее, по всем законам физики и человеческой памяти, останется с нами еще надолго.

— Частицы, которые сегодня фиксируют и изучают физики, существовали всегда или когда-то их не было?

— Если говорить абстрактно, они были всегда, в том смысле, что теория, которая их описывает, всегда была. Считается, что все частицы, которые существуют во Вселенной, родились после периода инфляции. То есть случился так называемый Большой взрыв, после чего началось расширение Вселенной, которая заполнилась материей, то есть частицами.

— Сколько сегодня известно видов частиц?

— Частицы можно классифицировать. Есть частицы материи и частицы — переносчики взаимодействия. Первые — это фермионы, а вторые — бозоны, которые связаны с силами и заставляют частицы притягиваться и отталкиваться. А есть особенная частица, которая считается бозоном, но она не вписывается ни в одну классификацию. Это бозон Хиггса.

— Тот самый знаменитый бозон Хиггса, который так долго искали и наконец нашли. И еще говорили, что поймали Бога за бороду. А почему так говорили?

— Так говорили для того, чтобы произвести на вас впечатление. Но частица эта действительно особенная. Ее можно связывать с каким-то взаимодействием, но очень сложно отделить взаимодействие с помощью частицы Хиггса от просто электрослабого взаимодействия. Она знаменита тем, что дает частицам массу. Представьте, что мы все залиты водой. На самом деле это не вода, а поле Хиггса, которое существует везде. Когда это поле не равно нулю, наши частицы, например кварки, имеют массы. А если это поле было бы нулевым, то наши частицы были бы безмассовыми. Например, если бы электрон был безмассовый, он летал бы со скоростью света.

— И что тогда случилось бы?

— Тогда мир был бы совсем другим. Во-первых, в нем не было бы асимметрии между частицами и античастицами. Во-вторых, трудно себе представить мир с безмассовыми электронами. Мы все состоим из молекул, а молекулы — из ядер, вокруг которых вращаются электроны. Эти электроны удерживаются только за счет того, что это массивные частицы. Если бы они были безмассовыми, как свет, они бы вылетели из всех атомов и наши тела разрушились бы.

— Получается, что из всех частиц только фотоны не имеют массы?

— Фотоны и, возможно, один из видов нейтрино, но это не точно.

— Вы имеете в виду так называемые стерильные нейтрино?

— Нет, это один из настоящих нейтрино, хотя эта возможность эфемерная.

— Ведь все нейтрино долгое время считались безмассовыми, пока не открыли, что масса есть, и ее до сих пор пытаются уточнить.

— Совершенно верно. Речь идет об одном из наших трех нейтрино. Вообще нейтрино делятся на электронные, тау и мюонные. Электронные в каком-то смысле похожи на электрон, мюонные — на мюон, а тау похожи на тау-частицу. Известно, что два из них массивные, потому что экспериментаторы научились измерять разницу между двумя массами. Они нашли три частицы и две разницы. Но самая легкая частица в принципе может быть безмассовой.

— Существуют ли еще какие-то неоткрытые частицы?

— Да. Считается, что бо́льшая часть нашей Вселенной на 95% темная, неизвестная. Это означает не то, что она черного цвета, а то, что она нам неясна. Она заполнена темной энергией на 70% и темной материей на 25%. Темная материя ведет себя как частица, точнее, как облако частиц, и каждая галактика окружена таким облаком. Мы видим только ее гравитационное поле и понимаем, что эти «облака» движутся как частицы. Открытие этой частицы — главная цель ученых. Вторая частица, которая в принципе может существовать, — стерильные нейтрино, которые вы упомянули. Я перечислил три вида нейтрино, они все нестерильные, или настоящие.

— А что значит стерильные? Для нас «стерильное» означает очень чистое, очищенное от микроорганизмов.

— Если говорить о нейтрино, это примерно то же самое в том смысле, что они почти не взаимодействуют с веществом. Стерильное нейтрино, если оно есть, обладает еще более слабым взаимодействием.

— Но стерильное нейтрино, как я понимаю, еще не обнаружено? Одна из задач эксперимента «Троицк ню-масс», который проводит ваш институт, — это как раз их поиск.

— В принципе да, ведь считается, что они могут составлять сущность темной материи. Но их пока не могут найти, потому что они слабо взаимодействуют. Они как призраки — могут через вас летать, но вы не заметите.

— Но любые нейтрино летают через нас непрерывно. Вот мы сейчас сидим, а они летают, и мы этого не чувствуем.

— Точно. Известно, что в любом кубическом сантиметре пролетает 100 реликтовых нейтрино. Реликтовых — то есть очень древних, возникших на заре существования нашей Вселенной. Их никто не может обнаружить и зарегистрировать. И это даже не говоря о стерильных нейтрино или частицах темной материи, которые постоянно через нас пролетают и мы их тоже не обнаруживаем.

— Мы не можем их обнаружить, располагая современными возможностями. Как вы считаете, какие должны быть средства, чтобы все-таки их обнаружить?

— Это зависит от того, как они взаимодействуют с веществом. А вариант этого взаимодействия зависит от того, пессимист вы или оптимист.

— Допустим, мы оптимисты.

— Значит, вы почти физик. Физик считает, что необнаруженные частицы взаимодействуют максимально сильно. Сейчас известно, что частицы темной материи взаимодействуют более слабо, чем так называемое слабое взаимодействие. Напомним, что известно несколько типов взаимодействий обычных частиц: сильное, слабое, электромагнитное и гравитационное. Самое слабое из них — гравитационное. Частицы темной материи обладают гравитационным взаимодействием.

— Значит, надо наращивать мощности гравитационных измерений?

— Их даже не нужно наращивать, эти взаимодействия астрономы прекрасно видят по гравитационному полю, которое они создают. Но этого мало. Гравитационное поле, например, Земли дает нам понять, что вас что-то притягивает. Но для того, чтобы изучить ее состав, вам нужно с ней взаимодействовать: прикоснуться к поверхности, исследовать ее структуру. И тогда вы поймете, из чего она состоит.

Взаимодействие должно быть не только гравитационное, и тогда вы сможете эти частицы зарегистрировать. Для этого частица должна прилететь к вам, ударить, как шарик, по установке, и вы увидите, с какой силой она ударила. Можно поставить ей разные мишени и посмотреть, с какой силой она с ними взаимодействует.

— Может быть, существует какой-то тип физического взаимодействия, о котором мы не знаем?

— Может быть. Когда вы вводите новые частицы, вы всегда вводите взаимодействие этой частицы с нашими частицами. И если есть частицы темной материи, они обязаны обладать каким-то взаимодействием. Взаимодействие не должно быть электрослабым и электромагнитным, иначе мы бы уже зарегистрировали эти частицы. Если эта частица обладает новым взаимодействием, ее скорее всего зарегистрируют в ближайшее время. Это если вы оптимист. А если вы пессимист, вы скажете: а кто сказал, что она должна обладать каким-то взаимодействием с нашими силами, помимо гравитационного?

— Если она обладает только гравитационным взаимодействием, тогда что?

— Тогда все, это катастрофа. Найти гравитационное поле одной маленькой частички — неподъемная задача. Это в принципе невозможно.

— Может быть, искусственный интеллект поможет? Переберет все варианты и скажет: вот эта частица — то, что вам надо.

— Он поможет обработать экспериментальные данные. Но может обмануть — даже придумать эти экспериментальные данные, но к измерениям это не будет иметь отношения. Чувствительности детекторов будет недостаточно.

— В биологическом мире непрерывно идет видообразование, появляются новые виды. Появляются ли новые частицы в астрофизическом мире? Или они все уже существуют и ваша задача — только их открывать и изучать?

— В нашей теории элементарными частицами называются те, из которых все состоит. Их очень мало: шесть кварков и некоторые композитные частицы. Если три кварка поместить в одно место, будет протон. Если расположить по-другому, будет нейтрон, и т.д. Все атомные ядра состоят, например, из кварков. Появляются ли новые частицы? Да, это происходит. Если столкнуть два кварка, получится пять кварков. То же самое происходит в ускорителях: при столкновении протона с антипротоном появляется множество кварков и даже композитных частиц. Но это не новые типы частиц, а те, что уже есть в природе.

— Как вы считаете, есть ли что-то абсолютное на этом свете? Например, скорость света абсолютна?

— Ученые считают, что абсолютизировать ничего нельзя. В том числе скорость света. Например, недавно была опубликована фейковая новость: одна из коллабораций, которая регистрирует нейтрино, недавно объявила о том, что нейтрино от места рождения до детектора долетает со скоростью больше, чем скорость света. Начался бум, все стали придумывать теории, как это возможно, но безуспешно. А потом коллаборация нашла у себя ошибку в часах. Они плохо работали, не досчитывали наносекунды, не учли какие-то эффекты. Это очень тонкий эксперимент.

— Но при этом вы говорите, что абсолютизировать скорость света не надо.

— Существует относительно новая теория квантовой гравитации Хоравы — Лившица, которая предлагает свой подход к проблеме квантования гравитации. Если скорость света — не абсолютная и мировая константа, то гравитацию можно проквантовать. Перед физиками стоит выбор: либо квантовая теория гравитации, либо теория абсолютной скорости света. Теоретики уже доказали существование квантовой гравитации, допускающей нарушение лоренцевой симметрии, согласно которой скорость света постоянна. Это лишь один из примеров.

— Хочется понять, что же будет дальше. Частицы когда-нибудь исчезнут и Вселенная погибнет?

— Вселенная может погибнуть разными способами. Все зависит от того, насколько у нас глобальный взгляд на вещи. Например, астрофизики знают, что скоро Солнце остынет. Оно превратится в белого карлика.

— Но Солнцу осталась еще примерно половина срока, то есть 4,5 млрд лет.

— Скоро — это несколько миллиардов лет. Время у нас еще есть. Более того, можно улететь к новому Солнцу. А космологи знают, что расстояния между галактиками увеличиваются, причем увеличиваются ускоренно.

— Потому что Вселенная расширяется, как выяснилось, с ускорением и разгоняет ее та самая темная энергия?

— Именно. Если Вселенная расширяется с ускорением, значит расстояние между двумя галактиками, которые гравитационно не связаны друг с другом, все время увеличивается. В итоге мы останемся одни, и небо у нас будет темное. Не будет галактик. Есть еще точка зрения, что наша галактика Млечный Путь столкнется с Андромедой. Тоже очень катастрофично. После этого все остальные галактики улетят и мы останемся в пустом пространстве.

— Какие еще есть сценарии гибели Вселенной?

— То, чем я занимаюсь сейчас, и это очень интересно, называется «инстантонная бомба». Это связано с полем Хиггса. Мы, теоретики, построили Стандартную модель физики частиц. Мы описали все процессы, после чего все константы встали на свои места. В том числе зафиксирована энергия поля Хиггса. Это энергия той условной «воды», которая везде разлита. Вы можете изучать ее на разных уровнях, смотреть, какая там энергия, учитывать квантовые флуктуации, которые означают, что эта «вода» постоянно колеблется. Эта энергия зависит от размера поля Хиггса. Сейчас мы находимся в вакууме, то есть энергия минимальная. Чтобы понять, локальный это минимум или глобальный, мы начинаем увеличивать поле Хиггса. Энергия начнет расти. А потом, согласно современным представлениям Стандартной модели, энергия вдруг начнет уменьшаться, и в итоге, когда поле Хиггса станет в 100 раз меньше, чем масса Планка, его энергия станет меньше, чем в нашем вакууме.

— Что именно при этом будет происходить?

— Представим, что поле Хиггса — это вода, которую мы не замечаем, хотя она разлита вокруг нас. И я предположил, что увеличиваю ее плотность. В случае с обычной водой повышение плотности привело бы к увеличению массы и энергии, но у поля Хиггса это не совсем так. Сначала энергия действительно растет, но из-за квантовых флуктуаций вдруг начинает уменьшаться. Таким образом, если создать такой пузырек, внутри которого поле Хиггса будет равно одной сотой массы Планка, плотность энергии там станет меньше нуля. Чем больше его сделать, тем больше будет область, которая имеет отрицательную энергию.

— То есть, согласно этой модели, Вселенная сжимается в этот пузырь?

— Может образоваться пузырь с полной энергией, равной нулю. После этого он начинает расширяться и все больше разгоняться. Стенки начинают двигаться, энергия сохраняется, и она все еще равна нулю. Но он, как шарик, скатывающийся с вершины горы, продолжает ускоренно расширяться. Внутри появляется новый вакуум, где поле Хиггса равно 10⁻² массы Планка. Напомню: бозон Хиггса наделяет остальные частицы массой. Частицы, из которых состоит наше тело, — это, как мы знаем, протоны и нейтроны, состоящие из кварков. А теперь представьте: у кварков внутри этого пузыря появится масса на 12 порядков больше, чем сейчас.

 — И что тогда будет?

— Они вылетят из этого протона. Если бы это произошло сейчас, нас бы просто разорвало на части. Причем разорвало бы даже ядра, из которых состоят не только наши тела, а сами ядра.

— Вы себе представляете такую смерть Вселенной?

— Это интересная задача — понять, какова вероятность того, что образуется такой пузырь. Кстати, его стенки расширяются со скоростью света. Это означает, что раннего предупреждения практически не будет.

— Согласно вашей модели, это может начаться совершенно незаметно?

— Да, вы этого не заметите. Возможно, такой пузырь уже образовался где-то далеко от нас.

— Получается, что и на другие планеты, к другим звездам лететь бесполезно, потому что речь идет обо всей Вселенной?

— Да, от него вы не улетите. Неизвестно, как спрятаться от этого пузыря.

— Когда это может произойти? В любой момент?

— Да. В физике все подчиняется вероятностям. К счастью, в данном случае возможность довольно эфемерная — порядка 10⁻⁶⁰⁰. Но тут есть уловка. Допустим, я получил это число, взяв из справочника экспериментальные данные, в которых есть какая-то погрешность. А данные, от которых это зависит, — масса Хиггса и масса топ-кварка. Если бы масса топ-кварка была больше на 3%, то Вселенная могла бы распасться хоть завтра, хоть прямо сейчас.

— Вы сами не верите в такую вероятность? А вдруг Вселенная распадется завтра?

— Завтра — это плюс-минус 10 млрд лет. Так что мне вряд ли стоит сильно беспокоиться за мои сто лет.

— Однако хочется, чтобы человечество и дальше жило, развивалось и совершало научные открытия. Можем ли мы что-то сделать, чтобы предотвратить катастрофическое развитие событий?

— Сначала нужно разобраться, есть ли такая возможность. Для этого необходимо спросить экспериментаторов, какова вероятность того, что масса топ-кварка на 3% больше. Они вам скажут, что порядка 1% или доли процента. То есть вероятность того, что Вселенная распадется в ближайшие 10 млрд лет, составляет менее 1%. Но для ученых этого недостаточно. Чтобы прогноз стал точнее, нужно точнее измерить массу топ-кварка, что требует продолжения исследований, новых ускорителей и т.д. Это обязательно нужно делать. Здесь важно понять логику теоретиков: эта возможность обсуждается с тех пор, как стало понятно, чему равна масса бозона Хиггса. Все это время ученые ищут варианты, какова вероятность того, что Вселенная взорвется. Но как спастись, пока никто не знает. Это следующий этап, к которому ученые пока не приступили. Одно из предположений, как может увеличиться вероятность появления такого пузыря, — рассмотреть этот процесс в ранней Вселенной при высокой температуре. Ведь эта отрицательная энергия внутри пузыря, который рождается и расширяется, появляется из-за квантовых флуктуаций. А температура — это не квантовые флуктуации, она тоже изменяет энергию поля Хиггса, внося положительный вклад и делая невозможным этот распад. Ученые стали думать, появится ли пузырь, если сталкивать частицы на коллайдере. Но оказалось, что для этого нужен даже не Большой адронный коллайдер, а энергия на семь порядков больше. При этом возникает вопрос, нужны ли эти семь порядков. И точно: вероятность появления пузыря при столкновении частиц на коллайдере действительно больше. Но все-таки она мала.

В нашей недавней статье мы рассматриваем гипотезу: пузырьки истинного вакуума Хиггса могут возникать с большей вероятностью вблизи маленьких черных дыр. Это похоже на кипение воды. Вода в кастрюле закипает не сразу. Но если в какой-то момент бросить туда соринку, в этом месте появляется пузырь. Может быть, черная дыра играет роль такой соринки, которая породит пузырь.

— Получается, черные дыры способствуют разрушению Вселенной?

— Да, но это удивительное явление. Особенно маленькие, большие не так интересны. Самые невероятные — черные дыры с массой астероида. Главная задача здесь — не допустить, чтобы они поглотили Землю. Представьте: вы берете их и надежно закрепляете, чтобы они не убежали…

— Как вы можете их куда-то поместить?

— Вы можете отправить их на орбиту, и они начнут светиться, это и есть излучение Хокинга. Для тела с массой астероида температура излучения составляет 10 тыс. градусов. Это бесконечный источник энергии, которую можно потреблять. Поразительно, конечно.

— А ведь, вращаясь вокруг черной дыры, как писал Хокинг, мы еще и не стареем?

— В своей собственной системе вы будете стареть точно так же, как и сейчас. Мы не стареем только для внешнего наблюдателя. То есть вы улетите от своих детей, вернетесь, а они уже состарились. Сомнительное удовольствие. Но эксперимент был бы любопытный.

— Вы строите различные теории. Вам не хотелось бы сделать что-то конкретное? То, что можно потрогать руками?

— Все начинается с фантазии. Вы сначала представляете себе что-то конкретное, придумываете, потом реализуете. Либо получается, либо нет. В науке точно так же. Вы сначала придумываете теорию. Она может быть абстрактная, даже безумная. Потом думаете: а как она может проявиться в эксперименте? Строите экспериментальную установку и смотрите, есть ли такая теория, есть ли такие частицы или нет. Без теории не было бы и практики. Да, я теоретик, но все экспериментаторы приходят ко мне и говорят: нам бы что-нибудь измерить. Они могут измерить все, что угодно, но им нужно что-то интересное.

Например, они могут с точностью до долей микрометра или нанометров померить длину этого стола. Но кому это нужно? Это просто стол. А вот если они специально сделают установку, где столкнут частицы и с фантастической точностью измерят их взаимодействие, тогда это подтвердит или опровергнет то, что наш мир очень необычен. Чтобы сделать все это, сначала нужно иметь теорию, которая предсказывает что-то необычное.

— Вам это не надоедает?

— Нет. Быть теоретиком очень интересно, потому что теоретик — универсальный человек. Он все знает, но ничего не умеет, в отличие от экспериментаторов. Тем не менее я не чувствую себя невостребованным, лишним человеком в науке. Скорее наоборот.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ