Чем занимаются физики-теоретики

Часто предсказания ученых-теоретиков подтверждаются экспериментально только через десятилетия. Как отмечает доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ Эмиль Ахмедов, в последние несколько лет неожиданных экспериментальных результатов, по крайней мере, в фундаментальной физике, исследователи не получают. Все, что наблюдается на данный момент, так или иначе уже было описано. Но это не означает, что теоретической физикой не нужно заниматься. В 1874 году знаменитый физик Макс Планк, основоположник квантовой физики, на первом курсе Мюнхенского университета получил совет от профессора Филиппа фон Жолли — не выбирать карьеру физика-теоретика, так как «в этой области уже почти все известно». С тех пор ученые совершили массу открытий, некоторые из которых изменили привычный уклад жизни людей. Многие природные явления еще не изучены до конца. Например, хаотичный характер погодных изменений. И именно физикам-теоретикам предстоит описать суть законов функционирования окружающего мира, когда будет накоплен необходимый пласт знаний.

«Заглядывают» ученые не только в будущее, но и в далекие просторы космоса, которые не просматриваются даже с самых мощных телескопов. На основе математических расчетов они создают модели развития очень ранней Вселенной. Исследователи не ограничены лабораторией или функционалом технологий. Их границы — фундаментальные теории, собственный разум и законы природы.

Главная же цель физиков-теоретиков — увидеть порядок в окружающем хаосе и зафиксировать «увиденное» и «понятное» математическим языком. Иными словами, они стремятся найти математические описания природных явлений, «уложить» законы природы в математические модели и на их основе предсказать новые явления, которые человечеству только предстоит открыть.

Что самое актуальное?

Над чем сейчас работают физики-теоретики? Один из главных вопросов этой области знаний — квантовые технологии, а именно проблема создания квантового компьютера.

«Сегодня в этой сфере работают множество ученых по всему миру. Конечно, активно развиваются и другие направления как фундаментальной, так и прикладной физики. Однако прогресс в этих сферах зависит в том числе от разработки квантовых компьютеров. Например, исследования в области квантовой теории гравитации связаны с анализом квантовых моделей, а продвинуться в этом помогут именно квантовые компьютеры», — отмечает кандидат  физико-математических наук, директор Института физики и квантовой инженерии Университета науки и технологий МИСИС Алексей Федоров.

В контексте разработки квантовых компьютеров ученые часто упоминают концепцию квантового вычислительного преимущества. Это идея о том, что ни один классический компьютер не справится с объемом и сложностью тех вычислительных задач, на которые способен квантовый. Для абстрактных и тестовых задач квантовое вычислительное преимущество уже было продемонстрировано физиками-теоретиками. Следующий шаг — демонстрация преимуществ при решении прикладных вопросов.

Еще одна актуальная область научных разработок — новые материалы. Так, ученые ИТМО исследуют возможности создания и использования топологических структур. Это особый тип искусственных материалов, в которых рассеяние света из-за дефектов или неоднородностей сведено к минимуму. Это их свойство позволит производить более энергоэффективные и компактные устройства, минимизировать риск потери энергии из-за ошибок в проектировании структуры или некачественных составляющих.

Новые материалы можно создавать и из «старых». Точнее, из двух или более компонентов с разными физическими свойствами. В результате получаются метаматериалы — новые материалы с уникальными характеристиками, которые до этого не наблюдались ни у одной из их «составляющих».

Физики-теоретики отбирают наиболее подходящие варианты веществ для создания таких материалов. Предсказывают, какими характеристиками они могут обладать и где использоваться. В результате практики смогут работать только с проверенными компонентами новых материалов, а также сократить время исследований и выхода нового продукта на научный рынок.

Среди других актуальных проблем — возможность управления отдельными атомами внутри молекул. Можно ли отделить внутри молекулы конкретный атом? Извлечь его? Или добавить новые? Получится ли в лаборатории собрать из отдельных атомов новые молекулы? Все эти вопросы остаются открытыми.

Фундаментальные проблемы теоретической физики

Современные исследования области фундаментальной теоретической физики сфокусированы вокруг трех основных вопросов: проблемы космологической постоянной, конфайнмента кварков и квантовой гравитации. Разбираемся, что это.

1. Проблема космологической постоянной

Эта проблема, вероятно, связана с вопросом наличия темной энергии во Вселенной. Понятие космологической постоянной ввел Эйнштейн при разработке общей теории относительности. Тогда технологии не позволяли фиксировать расширение Вселенной, и она считалась статичной. Это «свойство» космоса и выражалось в понятии постоянной, которая также фигурировала в расчетах ученых того времени и в итоге тогда была приравнена физиками к нулю. Однако уже в конце 1990-х после ряда наблюдений с более мощных телескопов стало понятно, что Вселенная расширяется ускоренно, а не с замедлением. А значит космологическая постоянная вовсе не равна нулю. Эту «невидимую» для астрофизиков «субстанцию» часто и называют темной энергией. Но какова ее природа? Как рассчитать эту величину из первых принципов? Это лишь малая часть вопросов, которые стоят перед физиками-теоретиками.

Вокруг вопроса расширения Вселенной появилось и множество научных предположений. Например, одно из решений физики-теоретики находили в том, что нас ждет еще один Большой взрыв. Предполагается, что однажды космос расширится до пределов и вновь схлопнется.

«Большой взрыв — это резкое экспоненциальное расширение с крайне большим показателем в экспоненте. Однако из-за темной энергии наша Вселенная даже сейчас находится в расширяющейся фазе, но уже с очень маленьким показателем в экспоненте, то есть в некотором слабом подобии Большого взрыва. Эти процессы можно сравнить с инфляцией на финансовых рынках. Условно, ежегодно она равна 3% и это считается нормой. Если же этот показатель резко возрастет, например, до 500%, произойдет гиперинфляция, то есть отклонение от нормы. По сути, большой взрыв был расширением Вселенной наподобие гиперинфляции — когда она расширилась не в рамках нормы, а резко и в очень большом масштабе», — как объясняет доктор физико-математических наук, заведующий кафедрой теоретической физики им. Л. Д. Ландау МФТИ Эмиль Ахмедов.

Другой фундаментальный вопрос здесь — темная материя. Как и темную энергию, ее нельзя увидеть в телескоп. Однако темная материя начинает проявлять себя на существенно меньших масштабах. Заметить ее влияние можно уже в движении звезд в галактиках. На роль частиц темной материи ряд ученых предлагает гипотетические аксионы. Но пока эти частицы так и не были обнаружены.

В 2023 году физики из ИТМО совместно с нобелевским лауреатом, профессором Фрэнком Вильчеком опубликовали работу, в которой показали, что уравнения электромагнетизма в некоторых искусственных средах оказываются такими, будто в среде имеются аксионы. Поэтому, даже если космических аксионов не существует, похожие эффекты точно есть в искусственных средах.

2. Проблема конфайнмента кварков

Это вопрос образования и взаимодействия с другими элементами одних из мельчайших известных на сегодня частиц материи — кварков. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Они взаимодействуют друг с другом при помощи ядерных сил. При столкновении протонов высвобождается энергия и появляется большое количество новых частиц — адронов, которые состоят из тех самых частиц — кварков. Они участвуют во всех четырех фундаментальных взаимодействиях: электромагнетизме, гравитации, сильном взаимодействии и слабом взаимодействии. Однако относительно особенностей поведения этих частиц пока остается много вопросов. Так, ученые не имеют фундаментального научного объяснения причины, почему кварки не существуют по отдельности, а только группами внутри адронов? Как кварки, практически свободные при очень высоких энергиях, собираются в единое целое при достаточно низких энергиях и образуют адроны?

3. Проблема квантовой гравитации

Если опустить все детали, то ученые пытаются описать, как действительно работает гравитация во Вселенной. Сейчас понимание того, как происходит взаимодействие между материальными телами в рамках общей теории относительности, оставляет много вопросов с точки зрения квантовой механики. Связать все воедино и пытаются физики. Но проблема в том, что эти две теории (квантовая и гравитационная) опираются на противоречащие друг другу принципы. Грубо говоря, квантовая теория имеет дело с очень маленькими объектами, а гравитационная — с очень большими. Новая концепция даст ответы на многие вопросы устройства Вселенной и позволит приблизиться к так называемой «теории всего».

Что тормозит развитие теоретической физики?

Современная теоретическая физика — это наука, объединяющая множество узкоспециализированных сфер исследований. Ученые, работающие над разными областями знаний, не всегда могут понять друг друга, так как говорят на «разных языках». Это затрудняет коммуникацию. Кроме того, одному человеку практически не под силу освоить тот объем данных, который существует на данный момент. Поэтому сейчас, в отличие от времен Ньютона или Эйнштейна, фактически нет «энциклопедистов», которые знают все и обо всем.

Обнародование новых результатов в современной науке тоже не быстрый процесс. Чтобы опубликовать итоги исследования, необходимо пройти через несколько этапов рецензирования. Это, с одной стороны, делает науку более точной, позволяет научному сообществу всесторонне оценить работу. С другой — бюрократизирует ее и в конечном счете тормозит.

«Медлительность здесь — обратная сторона точности. Можно публиковать исследования без рецензирования и проверки, но тогда мы столкнемся с потоком некачественных данных. Исчезнет предохраняющий от ошибок “фильтр”. К примеру, такого фильтра нет в некоторых платных “хищнических” журналах. Цель таких изданий — прибыль. Из-за них в научном информационном поле могут появляться не вполне достоверные материалы», — обращает внимание кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник физического факультета ИТМО Максим Горлач.

Замедляет развитие науки и установка на получение результатов «здесь и сейчас». В итоге, по словам Максима Горлача, вместо амбициозного, но с неясными перспективами исследования, приоритет зачастую отдается относительно мелким задачам, которые дадут гарантированный результат.

Мышление в рамках классических теорий также «стесняет» физиков-теоретиков. Многие вопросы, которые сейчас возникают перед учеными, противоречат наивным представлениям о мире. Например, почему пространство-время четырехмерное и почему время отличается от пространства? Ответа на этот вопрос нет, однако именно на эти две категории часто ориентируются и физики-практики, и физики-теоретики. Поэтому многие эксперты теоретической физики считают, что требуется корректировка и расширение устоявшихся фундаментальных теорий.

Разрешить эти противоречия в ближайшем будущем предстоит ученым. И хотя перед физиками-теоретиками стоят действительно сложные задачи, а многие ограничения тормозят развитие науки, именно они первые смогут прикоснуться к разгадкам тайн Вселенной и понять, как на самом деле устроен наш мир.