23 мая состоялась очередная лекция в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру». Впервые лекция проходила в новом помещении – библиотеке-читальне имени И. С. Тургенева. Физик-теоретик Александр Сергеевич Горский прочитал лекцию на тему «Между кварками и черными дырами. Жизнь на экране». Она была посвящена области современной теоретической физики, активно развивающейся последние 15 лет, эта область известна под названием «голографическая дуальность», она возникла благодаря синтезу идей теории струн и квантовой хромодинамики. Она выявляет новую, неожиданную связь между кварковым миром и миром черных дыр.
Александр Горский – доктор физико-математических наук, преподаватель кафедры теоретической астрофизики и квантовой теории поля факультета общей и прикладной физики МФТИ. С 1982 по 2014 годы – сотрудник Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ), заведующий отделом теоретической физики.
В начале лекции Александр Горский отметил, что в фундаментальной физике порой наступают периоды «большого синтеза». Один из таких периодов начался в начале XX века и ознаменовался рождением квантовой теории. Другой – в конце века, когда возникли понятия кварков, глюонов, струн, бран и так далее. Каждый раз такой период требует от математики разработки нового инструмента для физиков. Развитие квантовой теории неразрывно связана с теорией вероятности и теорией матриц, новый «большой синтез» потребовал разработки алгебраической геометрии и теории бесконечномерных групп.
Современная Стандартная модель, венчающая квантовую теорию, объединяет три взаимодействия (то есть все кроме гравитационного), бозоны – переносчики взаимодействий, кварки и лептоны. Предсказания, которые делаются в рамках Стандартной модели, многократно подтверждались экспериментально. Однако есть вопросы, на которые она пока не дает ответа. Это, например, вопрос о том, почему невозможно получить изолированный кварк (проблема конфайнмента), или вопрос о квантовой природе гравитации.
Плодотворным синтезом ряда физических идей, появившихся в течение последних 30 лет, стала «голографическая дуальность». В ней оказались совмещены, в частности, идеи из теории струн с квантовой теорией поля. Основателем ее считается аргентино-американский физик Хуан Мартин Малдасена (Juan Martín Maldacena), благодаря статье, которую он опубликовал в 1996 году. Однако нельзя не упомянуть отечественного физика Александра Полякова, многолетние труды которого во многом подготовили этот прорыв.
Слово «голографическая» в названии этой теории отсылает нас к давно известным оптическим голограммам, в которых на плоскости мы видим изображение объемного тела. Подобным образом, наш четырехмерный мир можно рассматривать как проекцию, как голографический экран для событий, происходящих в дополнительных измерениях. Именно этим объясняются слова «жизнь на экране» в названии лекции.
Эта идея взята изначально из физики черных дыр, про которые ученым уже было известно, что горизонт событий черной дыры содержит в себе значительную часть информации о ее свойствах (например, ее энтропии или эффективной температуре). Даже не проникая под горизонт событий, мы получаем доступ к этой информации.
Второе слово – «дуальность» – отражает связь между разными, даже далекими друг от друга физическими теориями. По словам физиков, занимающихся этой проблемой, теория, описывающая строение элементарных частиц, и теория гравитации представляют собой одно и то же явление, наблюдаемое с разных сторон. В общем виде голографический принцип был сформулирован в 1993 году нидерландским физиком-теоретиком Герардом т' Хоофтом (Gerard 't Hooft).
В переведенной на русский язык и опубликованной в 2006 году журналом «В мире науки» статье «Иллюзия гравитации» Хуан Малдасена пишет: «Голографическая теория сопоставляет одни физические законы, которые действуют в некотором объеме, с другими, справедливыми на поверхности, его ограничивающей. Физика на границе представлена квантовыми частицами, которые имеют «цветные» заряды и взаимодействуют почти как кварки и глюоны стандартной физики частиц. Законы внутри — разновидность теории струн, включающая силу тяготения, которую трудно описать в терминах квантовой механики. Однако физика на поверхности и физика в объеме полностью эквивалентны несмотря на совершенно различные способы описания».
Важно то, что голографическая дуальность уже находит свое применение в различных областях физики, позволяя математически описывать то, что раньше было описать невозможно. В частности, сравнительно неожиданно, она принесла важные результаты в физике конденсированных сред, в физике жидкостей и твердого тела. Например, было доказано, что существует минимальная вязкость вещества.
Отвечая на вопрос слушателей об общих успехах теории струн, Александр Горский сказал, что было время, когда теория струн обещала очень многое. Тогда многим ученым казалось, что, если не в нынешнем году, то через год или два, при помощи теории струн будет построена Теория всего. Но этого не случилось, более того, проверяемых предсказаний теории струн тоже дает очень мало. Все это вызвало быструю смену моды на теорию струн на довольно большое разочарование в ней. Однако Александр Горский считает, что то направление теории струн, которое развивалось в работах Александра Полякова и привело к созданию голографической дуальности перспективным и уже принесшим значительные результаты. Хотя когда-то оно вовсе не было «мейнстримом» теории струн. Особо Александр Горский отметил, что голографическая дуальность – это область, в которой сейчас происходит наиболее плодотворное сотрудничество физиков и математиков, обогащающее обе науки.
