Премия Померанчука 2012: на краю пятимерного пространства и парадоксы атомной физики

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №21(115), 23 октября 2012 года

Фотографии Наталии Деминой и Елены Демидовой

Международная премия им. Исаака Яковлевича Померанчука присуждается ежегодно с 1998 года — одному иностранному и одному российскому ученому. Область — теоретическая физика, в основном связанная с физикой частиц.

Лауреатами этого года стали Хуан Малдасена из Принстонского института фундаментальных исследований («за формулировку дуальности между теорией струн в многомерном пространстве-времени и калибровочными теориями поля в четырех измерениях») и Спартак Беляев из Курчатовского института («за выдающиеся результаты в квантовой теории многих тех и их применение в теории атомного ядра»).

Хуан Малдасена и Спартак Тимофеевич Беляев

Церемония награждения проходила в ИТЭФ 11 октября. Зал был полон до такой степени, что люди стояли вдоль стен. Распределение публики по возрасту было резко «двугорбым» — за 60 и до 30. Такое наблюдается уже давно, и пропасть растет. На этот раз, впрочем, молодежи было больше, чем обычно.

Хуана Малдасену представил Александр Горский, который отметил, что найденная Малдасеной дуальность за последние годы превратилась в эффективный инструмент вычислений физически интересных величин и явлений как в КХД, так и в задачах физики твердого тела. Дуальность помогает проводить вычисления в области сильной связи, когда стандартные методы неприменимы. Он отметил некоторую аналогию с классическим опытом Резерфорда, когда рассеяние альфа-частиц на ядре позволило прояснить его внутреннюю структуру. В «опыте Резерфорда XXI века» вместо альфа-частиц используются замкнутые струны, которые рассеиваются на нашей четырехмерной Вселенной, позволяя прояснить структуру вакуума и его возбуждений.

Доклад Малдасены имел устрашающее название: «КХД, струны и черные дыры. Предел большого N в теории поля и гравитация». Для человека, не являющегося физиком-теоретиком, следящим за происходящим на передовой (а автор данной заметки, безусловно, таковым не является), изложенное весьма тяжело для восприятия. Попробуем лишь языком дилетанта сказать — о чем это. Есть теория поля, которую удается более-менее успешно перевести на язык квантовой физики. Таковой, в частности, является квантовая хромодинамика. Есть теория гравитации (она же — общая теория относительности), которая строилась совершенно по другим принципам и которая не переводится на язык квантовой механики из-за чудовищных трудностей как технического, так и принципиального характера. Есть красивая теория струн, которая претендует на объединение того и другого, но пока не способна дать количественное описание физики микромира. И есть некоторые вдохновляющие соответствия между вышеперечисленными категориями, которые проявляются в каких-то пределах. Так, предел большого N, фигурирующий в названии лекции (N — число цветов в хромодинамике, которое реально равно трем), делает квантовую хромодинамику более простой и более похожей на теорию струн.

Малдасена нашел еще одно соответствие, которое проявляется в нетривиальном гипотетическом мире. В теории существует так называемое анти-де-ситтеровское пространство (AdS) — стационарное решение уравнений Эйнштейна при определенном уравнении состояния вакуума. Если AdS пятимерно, то его граница четырехмерна. Представим, что это и есть наш четырехмерный мир. Тогда гравитационные явления, происходящие внутри AdS, отражаются на его границе (т. е. в нашем мире) как явления обычной теории поля (в том числе квантовой хромодинамики).

Борис Лазаревич Иоффе и Хуан Малдасена

Представить это, конечно, крайне сложно. Чтобы воспринимать всё это и видеть красоту, которая, на взгляд дилетанта, лишь смутно угадывается, надо владеть соответствующей техникой теорфизики. После церемонии мы обсуждали с теоретиками, которые работают в других областях, как к этому относиться: как к теории, пытающейся объяснить реальность именно таким образом, или как к метафоре, намекающей на нечто еще не понятое? Как к математической конструкции или как к поэзии? Сошлись на том, что по крайней мере поэзия здесь присутствует.

Самым поразительным во второй премии была личность лауреата. Спартак Тимофеевич Беляев — ветеран Великой отечественной, причем не просто ветеран, а доброволец, ушедший на фронт в 1941-м, прошедший всю войну до Берлина и расписавшийся на рейхстаге. Это сообщил на церемонии Семен Соломонович Герштейн, который после войны учился вместе с Беляевым. Борис Лазаревич Иоффе вспомнил 90-е годы, когда рождались административные проекты, один страшнее другого. Так, ответом со стороны руководства РАН на реформаторскую деятельность Бориса Салтыкова (учреждение РФФИ и т. п.) стало предложение фактически устранить Министерство науки и передать все каналы финансирования Президиуму РАН. Другой проект предполагал создание Академии технических наук, куда должны были отойти все научные институты, реально или формально связанные с военной тематикой. По словам Иоффе, Спартак Тимофеевич первым возвысил голос в защиту здравого смысла, написав личное письмо Ельцину. За ним выступили и другие физики. Лихие проекты, как мы знаем, не состоялись.

Выступление Спартака Тимофеевича под названием «Квантовые вариации на тему водорода» поражало резким несоответствием стиля и облика докладчика с его возрастом. Подтянутый и моложавый ветеран с редкостной ясностью и увлекательностью рассказал давно забытые большинством аудитории факты про историю лэмбовского сдвига атомных уровней водорода и затем перешел к рассказу о загадочных результатах эксперимента с пучком возбужденных атомов водорода. Напомним, что лэмбовский сдвиг слегка разделяет по энергии уровни водорода 2S_½ и 2P_½, которые в нерелятивистской квантовой механике вырождены. Вырождение снимается в квантовой теории поля за счет взаимодействий с вакуумными флуктуациями (радиационные поправки). При этом состояние 2Р_½ высвечивается за 10^–8 секунды, что естественно, а состояние 2S_½ живет поразительно долго — четверть секунды.

В свое время сотрудник Института атомной энергии Юрий Лукич Соколов (1915–2006) ставил эксперименты с пучком возбужденных атомов водорода. Естественно, в пучке оставалось только долгоживущее состояние 2S_½. Пучок пропускался между пластинами электрического конденсатора через пару отверстий. В электрическом поле два близких состояния атомов смешиваются и начинают осциллировать — этот эффект хорошо известен данной аудитории по осцилляциям нейтральных К-мезонов и нейтрино. Поэтому на выходе из конденсатора пучок начинает светиться: появившееся состояние 2Р_½ высвечивается на первом миллиметре пути атомов после конденсатора.

Однажды, проводя эксперимент, Юрий Соколов забыл подать напряжение на конденсатор. А эффект, хоть и меньший, всё равно остался: состояние 2Р_½ появлялось и высвечивалось. Разгадку искали много лет, в частности предполагали, что виновато рассеяние атомов на краю отверстий, но все предположения не выдерживали экспериментальной проверки.

Спартак Тимофеевич Беляев

Спартак Тимофеевич предложил более радикальную интерпретацию: атомы пучка когерентны — они составляют квантомеханический волновой пакет с каким-то радиальным распределением. Отверстие в пластине обрезает периферию волнового пакета, влияя на весь пакет и, соответственно, на атомы в центре пучка, вызывая смешивание состояний — это чисто квантомеханический эффект.

Церемония закончилась многочисленными дискуссиями в кулуарах. Как и раньше, она оставила ощущение праздника, прежде всего благодаря необычно высокой концентрации ученых с мировым именем.

Автор благодарен председателю Комитета премии Александру Горскому
за помощь в подготовке материала.