Космос и Человечество

Ученые-космологи стоят на пороге открытий, способных перевернуть наше представление о физических законах и приоткрыть тайны возникновения ВселеннойГость программы – Дмитрий Горбунов, лауреат премии президента России молодым ученым за 2010 год, старший научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук, кандидат физико-математических наук. Тайна рождения Вселенной близка к разгадке Одним из главных открытий астрофизики ХХ века стало обнаружение темной материи. Она никак не взаимодействует с электромагнитными возмущениями, что делает невозможным ее прямое наблюдение. Обнаружить ее можно лишь по колоссальным гравитационным эффектам. Темная материя состоит из еще не открытых элементарных частиц, которые, по мнению ученых, играли важную роль на ранних стадиях формирования Вселенной. По логике, вещество в постоянно расширяющейся Вселенной за миллиарды лет должно было разлететься, не дав сформироваться галактикам, звездам и планетам. Именно частицы темной материи послужили своеобразным "цементом", который скрепляет все мироздание. Говорит Аркадий Гальпер, профессор Московского инженерно-физического института, директор Института космофизики МИФИ: "Надо иметь в виду, что темная материя находится всюду, в том числе в окружающем нас околосолнечном пространстве и гелиосфере. И значительная ее часть попадает на Землю". Для обнаружения этих частиц несколько лет назад был создан крупнейший экспериментальный прибор – Большой адронный коллайдер, где международное сообщество физиков пытается приблизиться к разгадкам тайн Вселенной. Ускоряя и сталкивая элементарные частицы, ученые надеются получить так называемый бозон Хиггса - единственную до сих пор не обнаруженную частицу, предсказанную в рамках стандартной модели возникновения Вселенной. Однако ответы, которые получают ученые, непременно приводят к новым вопросам. Поясняет Евгений Велихов, академик, президент Российского научного центра "Курчатовский институт": "Но есть еще более непонятные вещи. Когда мы изучаем историю расширения Вселенной, то мы видим, что сегодня это расширение ускоряется. Объяснить это можно только так называемой темной энергией. Когда мы говорим "темная", это слово надо понимать в смысле, что мы не видим, не знаем, не понимаем. Сегодня Вселенная загадывает загадку, которая позволяет нам считать, что мы на пороге великих открытий, которые в корне изменят наше понимание того, как устроена материя. А отсюда пойдет все остальное". Современная космология – наука о возникновении и развитии Вселенной – переживает настоящий бум. Ученые стоят на пороге открытий, способных перевернуть наше представление о казалось бы известных физических законах. Рассказывает Рашид Сюняев, академик: "Сейчас астрономия и космология привлекают колоссальное внимание людей. Люди всегда думали о том, почему наш мир такой, почему он так устроен. Что с нами будет дальше? Откуда мы взялись? И решения этих вопросов мы до сегодняшнего дня не имеем. Но космология движется сейчас такими быстрыми темпами. Непрерывно происходят открытия". Стандартная модель, предложенная Эйнштейном еще в тридцатых годах ХХ столетия, уже не в состоянии объяснить многие экспериментально полученные факты. Например, взаимодействие обычной материи с антиматерией. Наблюдаемая часть Вселенной почти целиком состоит из обычного вещества, а значит, в ней должны существовать и области, где основная масса будет состоять из антиматерии. Говорит Равиль Ахметов, генеральный конструктор Государственного научно-производственного ракетно-космического центра "ЦСКБ-Прогресс": "Если таковые будут обнаружены - это для того, чтобы понять, вернее, приблизиться к пониманию, из чего же состоит Вселенная, как она устроена, как образовалась, как будет развиваться, двигаться. До сих пор строили теории того, как образовалась Вселенная, как она существует, а откуда взялась - нет". Важность фундаментальных исследований недавно была подтверждена на самом высоком уровне. Премию Президента Российской Федерации в области науки и инноваций "за цикл работ в области физики элементарных частиц и фундаментальных проблем эволюции Вселенной" получил российский физик из Института ядерных исследований Дмитрий Горбунов. Интервью Кулаковская: Здравствуйте. Гость нашей программы - Дмитрий Горбунов, представляющий Институт ядерных исследований РАН. Напомню, что в феврале Дмитрий Медведев вручил премию в области науки и инноваций для молодых ученых за 2010 год. Размер ее составляет 2,5 миллиона рублей. Из трехсот работ очень высокого класса президентским Советом по науке, технологиям и образованию было отобрано всего четыре. Две из них связаны с исследованием космического пространства. Дмитрий Горбунов отмечен президентской премией за цикл работ в области физики элементарных частиц и фундаментальных проблем эволюции Вселенной. Его работы по поиску частиц темной материи включены в международную экспериментальную программу Большого адронного коллайдера. Дмитрий, здравствуйте. Горбунов: Здравствуйте. Кулаковская: Дмитрий, премия президента России была присуждена вам за цикл работ в области физики элементарных частиц и фундаментальных проблем эволюции Вселенной. Расскажите, пожалуйста, что это за работа? Горбунов: Во-первых, сама область деятельности. Есть физика элементарных частиц, и есть стандартная модель, которая ее описывает. Есть указания о том, что эта стандартная модель физики частиц, в том виде, в котором мы ее знаем, не полна. Конечно, все знают о том, что в рамках стандартной модели частиц есть такая частица – бозон Хиггса, который ищут на Большом адронном коллайдере. Это предсказание, которое есть в этой модели, и это последняя частица, которую там не нашли. Задача Большого адронного коллайдера – найти эту частицу. В то же время есть серьезные указания на то, что физика, какой мы ее знаем в рамках стандартной модели, не полна. Есть прямое указание на так называемые нейтринные осцилляции. За их открытие несколько лет назад была дана Нобелевская премия. А есть еще указания на неполноту стандартной модели. Эти указания следуют из космологии. Есть, например, проблема темной материи во Вселенной и проблема отсутствия антивещества, или антиматерии. Кулаковская: То есть, стандартная модель уже не может объяснить такие явления? Горбунов: Стандартная модель в рамках эйнштейновской гравитации не может объяснить такие явления. Сам факт того, почему в нашей Вселенной есть вещество, а антивещества нет, - это загадка. Кулаковская: А вы предлагаете новые теоретические идеи? Горбунов: Да. Задача физика-теоретика, который работает в области поиска новой модификации стандартной модели (способной объяснить, в частности, эти явления), заключается в том, чтобы описать наш мир, в котором мы живем. Кулаковская: В то же время эксперименты уже реализуются на пучках Большого адронного коллайдера? Горбунов: В том, что уже реализовалось, последнее слово за экспериментаторами. Их задача – попытаться посмотреть эту физику и, если кому-то из нас повезет, подтвердить свои предсказания. Поиски на Большом адронном коллайдере, безусловно, позволят улучшить наше понимание, потому что одна из этих проблем – проблема темной материи. Есть указание на существование темной материи как из космологии, из истории развития Вселенной, так и из астрофизики, указания которой говорят о том, что в современном мире нам не хватает тех частиц, которые у нас есть, чтобы объяснить наблюдения. Простые примеры – это когда люди смотрят за галактиками, видят, как в галактиках вращаются звезды или облака горячего газа. Мы все знаем, что движемся с некоторой скоростью, с первой космической, второй космической. Но эти скорости существенно меньше, чем скорость света. Поэтому здесь для описания мы можем использовать обычный гравитационный закон Ньютона, который все проходили в школе. Он прост и понятен всем. Смотрим на звезду. Звезда движется с некоторой скоростью. Скорость эту измеряют по эффекту Доплера, который мы тоже проходили в школе. Там есть покраснение или посинение цвета, поэтому скорость мы тоже знаем. Предположим, астрономы измеряют расстояние до объекта, до центра галактики. Дальше мы вычисляем, а что же там внутри, какая масса. Мы видим звезды, газ. Мы измеряем это все, суммируем и определяем полную массу. Отсюда мы знаем гравитационную силу, которая действует на какую-то звезду. А именно эта сила и заставляет ее вращаться. Мы видим, что массы звезд и массы газа недостаточно, чтоб объяснить это вращение. Это и есть загадка. Значит, требуется ввести некоторую компоненту в галактику, чтобы это объяснить. Теперь переходим на другой масштаб, на большее скопление галактик. Скопления галактик точно также крутятся друг вокруг друга. Можно посмотреть детали этого вращения и увидеть общий гравитационный потенциал, который создают только галактики. Там везде есть горячий газ в центрах скопления. Его очень хорошо видно в рентгеновском диапазоне. Но этого недостаточно, чтобы объяснить эти движения галактик внутри скопления. Кроме того, есть явление гравитационного линзирования, когда есть источник (квазар или галактика), а между источником и наблюдателем (наблюдатель в данном случае – это астроном на земле) опять-таки это замечательное скопление галактик. Луч, проходя рядом с центром скопления, отклоняется, и астроном видит некую причудливую картину разных изображений. Он устанавливает гравитационный потенциал, гравитационную линзу на предмет того, почему луч света отклоняется так же, как в замечательном опыте, который подтвердил справедливость эйнштейновской теории, что, когда свет отклонялся вблизи Солнца. По этому отклонению можно попытаться установить гравитационный потенциал, оценить массу, которая его так исказила. Но этой массы опять-таки недостаточно, требуется добавить какую-то материю, которую мы с вами не видим в обычном электромагнитном диапазоне наблюдений. Кулаковская: То есть, вы ищете массу темной материи? Горбунов: Поиски темной материи – отдельная интересная история. Существуют разные способы поиска частиц темной материи, если говорить об объяснении этого явления как о добавлении неких новых частиц. Здесь существуют разные варианты, они очень интересные. Например, есть вариант, когда частица совсем никак не взаимодействует с нашими частицами. То есть, имеется только гравитационное взаимодействие. Этот вариант очень тяжел для поиска, потому что собственно из гравитационных эффектов мы и сделали заключение о том, что такие частицы нам нужны. Это наша гипотеза. К сожалению, нельзя исключить вариант того, такие частицы – только гравитационного взаимодействия. В этом смысле все остальные поиски, которые ведутся сейчас, могут не дать никакого результата. Это не будет доказательством того, что частиц темной материи не существует. Предположим, что они все-таки взаимодействуют с нашими частицами. Тогда, исследуя наши частицы, мы можем судить о том, что те частицы все же присутствуют. Есть прямые и косвенные поиски. Прямые поиски заключаются в следующем. Вы берете какое-то вещество, образец, охлаждаете его до низких температур и ждете. Частицы темной материи, также как звезды и газ, под действием гравитационной силы вращаются вокруг центра галактики и, в том числе, и в нашей. Они проходят через нас, но их сила взаимодействия очень маленькая, поэтому ничего особенно страшного не происходит. Особенно ничего не видно, но время от времени эти частицы будут во взаимодействии, в частности, с веществом образца, который вы охладили. Они будут толкать эти атомы, передавать им некоторую энергию. Если можно будет зарегистрировать эту энергию, тогда это будет указанием на существование такой частицы, на то, что такая частица пролетела и взаимодействовала в вашем образце. Это прямой поиск. Понятно, что для этого вам нужна лаборатория (часто под землей), чтобы не мешали космические лучи и другие фоновые события. Другой тип исследования. Эти частицы летают в космосе, в нашей галактике и время от времени могут встречаться. Если у них есть взаимодействие с нашими частицами, то может произойти такая ситуация, когда две частицы темной материи встретились и гелировали (то есть обе пропали), но при этом передали свою энергию, родили те частицы, которые мы знаем – электроны, позитроны, фотоны, протоны, антипротоны. Они уже летят к нам, и мы пытаемся их найти. Интересные каналы исследований здесь – это античастицы. Поскольку в аннигиляции рождается одинаковое число частиц и античастиц, то интересно смотреть, например, за позитронами (позитрон – это античастица к электрону) или за антипротонами. Поиск таких частиц в космических лучах – это попытка найти непрямые указания на факт аннигиляции частиц темной материи в гало галактики. Это если предположить, что это, например, частица. Или, например, то, что называют слабо взаимодействующим WIMP. Аббревиатура WIMP (Weakly Interacting Massive Particle – прим.ред.) – это слабовзаимодействующие тяжелые частицы. Предположим, например, что у нас есть нестабильный нейтрон. Он электрически нейтрален. Теперь предположим, что он стабильный – он немножко потяжелее. Он точно также участвует в слабых взаимодействиях, но он стабильный. Такого рода частицы удобно искать, они взаимодействуют с нами за счет слабых процессов. И такая бы частица вполне подошла на роль частицы темной материи. Очень вероятно, что на Большом адронном коллайдере могут быть найдены именно такие частицы, если они реализовались нашей природой. Мы знаем, что наша Вселенная расширяется, она заполнена реликтовыми фотонами, у них термальный чернотельный спектр. Это означает, что в прошлом Вселенная была более плотная, там была плазма всех частиц стандартной модели. Предположим, что реализовывались довольно высокие температуры, то есть температуры, которые сейчас отвечают энергиям столкновения на Большом адронном коллайдере. Это энергия температуры, которая в сотни раз превышает массу покоя протона. Предположим, что такие температуры реализовывались, и были частицы типа нейтронов, только тяжелые, слабовзаимодействующие и, главное, стабильные. Такие частицы рождались там, тоже были в этой плазме. Потом, в процессе расширения Вселенной, замораживается процесс аннигиляции их рождения. Температура уже сильно упала, кинетическая энергия частиц настолько невелика, что их нельзя родить просто по кинематике. Они тяжелые. Можно вычислить, сколько частиц осталось в плазме. Оказывается, для того, чтобы мы увидели столько темной материи, сколько нам нужно, темп взаимодействия должен быть подобным темпу слабых процессов. Дальше масса этих частиц оказывается зажата. Она не может быть намного больше, чем масштаб энергии столкновения на Большом адронном коллайдере. То есть, и по кинематике, и по силе взаимодействия Большой адронный коллайдер вполне способен рождать такие частицы, если наша темная материя создана из них. В этом смысле есть другой способ прямого рождения этих частиц в столкновениях протона-протона. Для Большого адронного коллайдера первая задача – это поиск бозона Хиггса, а вторая – это попытка исследовать, найти ту физику, которая стоит за загадкой частиц темной материи. Очень высока вероятность того, что их найдет именно Большой адронный коллайдер. Кулаковская: Интересно. Поскольку у нас остается не так много времени, давайте перейдем к более общим вопросам, но в то же время – более частным. Я знаю, что вы преподаете на кафедре физики частиц и космологии физфака МГУ. Скажите, насколько востребована сейчас наука космология? Как вы оцениваете развитие российской науки в целом в настоящее время? Много ли среди ваших студентов ребят, которые подают надежды? Горбунов: У моего научного руководителя Валерия Анатольевича Рыбакова есть хорошая фраза о том, что теоретики – народ штучный. Кулаковская: Понятно, что штамповать нельзя. Горбунов: Это и не нужно. Кулаковская: Наверное, это должно быть дано природой. Горбунов: Люди разные. В нашем отделе довольно много молодых сотрудников. По сравнению с другими институтами это замечательно. Но этот отбор – довольно продолжительный процесс, и люди остаются вовсе даже не каждый год. Иногда бывает так: в какой-то год много хороших студентов, и многие из них остались. Процесс идет волнами, но я не вижу особенных проблем в том, что остается мало народа. Если посмотреть на то, как устроена структура науки за рубежом, то там далеко не все студенты в конце концов превращаются в профессоров. Там тоже профессор – это один человек, а все остальные – это такая пирамидка, на вершине которой он. В этом нет ничего плохого. Кулаковская: И страшного. Горбунов: Да. Но люди, которые приходят на кафедру и говорят "Я хочу заниматься наукой", очень сильно мотивированы. Кулаковская: Чем? Горбунов: Интересом к науке. Даже в ситуации, когда человек уезжает на Запад и занимается наукой за рубежом, все равно его материальные блага небольшие. Зарплата не очень высокая. А если человек уходит с научной стези и переходит в какие-то инженерные подразделения, то его зарплата существенно выше. Кулаковская: Но в том нет такого интереса, как в науке? Горбунов: Там создаешь вполне конкретный новый прибор, устройство. Там тоже нужен человек с креативом. В этом смысле он вполне может себя реализовать (в инженерии – прим.ред.). Как правило, это вовсе не трагедия для человека. Конечно, люди бывают разные. Но в принципе за рубежом нормально, когда большая часть людей так или иначе уходит – в бизнес или инженерное подразделение. Но у нас, конечно, такого нет. К сожалению, в России, как правило, люди переходят... Кулаковская: За границу? Горбунов: Нет. Если по науке, то за границу, а если не по науке, то это деятельность, которая реально никак не связана с полученным образованием. Конечно, жалко. Я преподаю на старших курсах, и там студенты уже окончательно определились. Наверное, со временем эта система устаканится. Кулаковская: У меня последний и совершенно банальный вопрос. Изменилась ли ваша жизнь после встречи с президентом? Узнают ли вас студенты с других факультетов, берут ли автографы? Что дала вам эта премия? Горбунов: Слава Богу, автографы не берут, и большего количества наплыва незнакомых людей нет. В этом смысле все нормально. Кулаковская: Но студенты, наверное, были рады. Горбунов: Студенты рады. Но наша кафедра – это ограниченный набор людей, толпы к нам не повалили. Набор на кафедру происходит осенью. Кулаковская: Еще увидим. Горбунов: Хорошо, посмотрим. Кулаковская: Все-таки это большие деньги. Горбунов: Да, но это одна премия. Ситуация изменилась бы кардинально, если бы государство сформулировало свою перспективу видения науки в стране. Сейчас делается многое, появилось много новых грантов, возможностей для молодых ученых. Но студенты сейчас – это люди, которые родились уже в постсоветское время. Они привыкли рассчитывать на себя, они смотрят и говорят: "А дальше что?". Там дальше – неизвестно что. Это им не нравится. Кулаковская: Одноразовое пособие. Это не может изменить ситуацию. Горбунов: Конечно, это им не очень нравится. Поэтому они, например, уезжают за рубеж к понятно прописанной структуре. Люди заранее знают, что из 10 человек профессором станет один. Но они более-менее знают, что им нужно делать. Человек должен быть успешным. Конечно, ему должно повезти, но тем не менее, он видит, как это происходит, и знает, куда ему уходить. А наша система никак не прописана. Я думаю, что когда человек снаружи смотрит на то, как она функционирует, ему это удивительно и непонятно. А непонятность всегда пугала человека. Кулаковская: А почему не уехали вы? Неужели у вас не было предложений? Горбунов: Были, но я хочу работать здесь. Здесь замечательные студенты. Как ни усердствуют деятели из Министерства науки и образования, студенты пока еще не испортились, пока образование в той системе, которая есть у нас, еще хорошее. Здесь заниматься научной деятельностью люди могут с более раннего возраста. По крайней мере, это относится к естественным наукам. Интересно работать с новыми людьми. У них мозги тоже ориентированы на физику, но по-другому устроены. Это очень интересно. Кулаковская: Как прошла сама встреча с президентом? Как впечатление она произвела на вас? Было ли вручение премии неожиданным для вас, или вы знали об этом заранее? Горбунов: Я знал о том, что такая премия существует. Представление писал мой научный руководитель, и он сообщил мне, что он туда меня представил. В этом смысле это с самого начала не было для меня неожиданностью. Я знал, когда примерно будет известен результат, потому что это День науки. Конечно, все это было очень торжественно. Каждый лауреат мог пригласить с собой нескольких лиц. Это, как правило, члены семьи. Кулаковская: Или научные руководители? Горбунов: Научный руководитель – это квота, которая заполнялась отдельно. Мне сказали, что можно пригласить пятерых. Кулаковская: С кем вы пришли? Расскажите про вашу семью. Это очень интересно. Горбунов: Мама, папа, жена и дети. Правда, пустили только старшего ребенка. Ему очень понравилось. Кулаковская: У вас большая семья. Горбунов: Да, у меня трое детей. Даже среди лауреатов в предыдущий год есть лауреаты с большими семьями. Кулаковская: Это хорошо. Горбунов: Дети – это самое замечательное, что есть на свете. Кулаковская: Естественно. Как они реагировали? Горбунов: Очень хорошо, им очень понравилось. И сама организация, и отношение людей. Это референтура президента. Конечно, ребенку там не везде можно бегать, но все было сделано очень мягко и хорошо. Кулаковская: Это наша новая политика: дети - это наше все. Горбунов: Они были просто в восторге. Все функционировало довольно четко. Когда смотришь на органы государственной власти рангом пониже, пониже, еще пониже, то видно, что, в принципе, все можно делать хорошо и быстро. Многие вопросы решались аккуратно. Кулаковская: А какое впечатление на вас произвел сам президент, когда он жал вам руку, вручал диплом? Горбунов: Он улыбался. Я довольно прилично нервничал. Я не привык к такого рода публичным действиям, поэтому я, возможно, не очень внимательно следил за тем, кто как выглядит, что говорит. Но президент сказал одну очень правильную фразу. Я думал, что там есть некое время на ответную речь, и в течение несколько минуточек можно было что-то сказать. Я придумал на эту тему один из вариантов, который я не стал говорить. Президент поднял эту тему, она очень правильная. Она относится просто к человеку, не к науке. Мысль заключается в том, что человек обязательно должен заниматься той деятельностью, которая ему нравится, которую он любит, какая бы она ни была. Тогда у него будет успех в этой деятельности. Если он занимается тем, что ему не нравится, то это будет для него мучением, и ни в коем случае не нужно этого делать. Президент как-то преломил это к науке, но на самом деле это относится к любой другой деятельности. Кулаковская: Ко всему. Горбунов: Да, это правильная мысль. Если у человека есть любовь к исследованию, к чему-то новому, когда он хватается за какие-то новые, совершенно непонятные вещи, и ему хочется это объяснить, проанализировать, если у него горят глаза, - то милости просим в науку. Кулаковская: Спасибо за оптимизм и надежду, которую вы в нас вселили. Горбунов: Пожалуйста. Кулаковская: Я напомню, что у нас в гостях был лауреат премии президента России молодым ученым за 2010 год, старший научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, кандидат физико-математических наук Дмитрий Горбунов. Источник: ФКА Роскосмос

ссылка на источник