ЗТВ у Харківській фізичній школі

ВІД РЕДАКЦІЇ. Продовжуємо серію публікацій до  100-річчя Загальної теорії відносності А. Ейнштейна. Розмову відкрив проф. Ю. ШКУРАТОВ, завідувач кафедри астрономії та космічної інформатики, член-кореспондент НАН України. Ми вдячні університетським провідним ученим- фізикам, математикам, які відгукнулися на наше запрошення  завершити Старий рік і  продовжити у Новому році  обговорення значення  НАУКИ і її науковців в історії людської цивілізації на прикладі 100-літньої ЗТВ Альберта Ейнштейна. Сьогодні розмову продовжують проф. В.Д. ХОДУСОВ, завідувач кафедри теоретичної ядерної фізики та вищої математики ім. О. І. Ахієзера та О. Ю. НУРМАГАМБЕТОВ, провідний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. А. І. Ахієзера ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут».

Был этот мир глубокой тьмой окутан,
Да будет свет! И вот явился Ньютон.
Но Сатана не долго ждал реванша.
Пришел Эйнштейн − и стало все,  как раньше…

З часів античності і до наших днів людство намагається намалювати чітку картину оточуючого світу, вичленувати будівельні «цеглинки», які створюють усю барвистість Природи, і проникнути в таємниці сил, що зв'язують ці складові частини воєдино. Найзагадковішою з цих сил є гравітація, що керує рухом планет, зоряних систем, галактик, та й самого Всесвіту.

Відкрита людьми однією з перших, гравітація донині залишається ареною запеклих суперечок про природу цього явища і про те, яким чином воно вписується в ландшафт сучасного природознавства. Як і інші науки про природу, фізика − наука експериментальна. Але ще великий Галілей відзначив, що «книга Природи написана мовою математики». Тому важливе місце у фізиці відводиться теорії, що пояснює в математичних термінах сенс спостережуваних в експерименті явищ. У теорії укладено наше розуміння суті того, що відбувається, а значить і передбачувана сила у відношенні того, що поки ще не виміряне на досвіді, а можливо і не буде виміряне ніколи. Першою теорією гравітації була відома всім за шкільним підручником фізики теорія Ньютона з однойменним законом, що характеризує силу взаємодії двох масивних тіл. Теорія Ньютона блискуче пояснила закономірності руху планет навколо Сонця, а її результати погоджувались з результатами багатовікових астрономічних спостережень. Погодження теорії з експериментом тривало близько двох століть, поки астрономи не виявили проблему: прецесія орбіти найближчої до Сонця планети − Меркурія − насправді виявлялася в два рази більшою, ніж випливало з теорії гравітації Ньютона. Це протиріччя поклало початок пошуку більш загальної теорії.

Трохи більше 100 років тому, 25 листопада 1915 року, в роботі, поданої в труди Прусської королівської академії наук, 36-річний Альберт Ейнштейн сформулював основи нової теорії гравітації, що об'єднала закон тяжіння Ньютона з основним положенням спеціальної теорії відносності − сталістю швидкості світла. Нова теорія Ейнштейна отримала назву Загальної теорії відносності. Первісним фактором успіху Загальної теорії відносності був дивовижний збіг обчисленої за її канонами величини зсуву перигелію Меркурія разом з астрономічними даними, які спостерігалися. Але абсолютно неймовірним наслідком ейнштейнівської теорії гравітації було відхилення світла в гравітаційному полі зірки, механізм якого вже не був пов'язаний з наявністю або відсутністю у тіл фізичної маси як в теорії Ньютона, однак апелював до зазначеного Ейнштейном зв'язку між тяжінням і геометрією простору-часу. Цей факт виявився вирішальним для експериментальної перевірки висновків Ейнштейна, що відбулася в 1919 році і підтвердила правильність Загальної теорії    відносності. Сформульована Ейнштейном теорія вплинула на весь наступний розвиток фізики ХХ століття. Загальна теорія відносності з'явилася першою на той період серйозною побудовою у фізиці, що базується не на послідовному − метод проб і помилок, тобто емпіричному і феноменологічному − застосуванні апарату математики для опису експериментальних феноменів Природи. У ній математика була віртуозно використана для пояснення вже встановлених і передбачення досі ще невідкритих явищ, що було стимулом розвитку техніки і методики експерименту. Крім того, незвичність математичної мови, яка використовувалась в Загальній теорії відносності, послужила початком розшарування товариства фізиків на чистих теоретиків і експериментаторів. Наступний опісля Загальної теорії відносності період бурхливого розвитку квантової механіки тільки збільшив окреслений Ейнштейном розлом між мистецтвом теоретичних побудов і мистецтвом постановки експерименту. Нарешті, Ейнштейн перший відзначив роль геометрії в описі фундаментальних фізичних явищ, що і знайшло підтвердження у всьому наступному розвитку фізики елементарних частинок і теорії фундаментальних взаємодій.

Завдяки розвитку Загальної теорії відносності, теоретична фізика XXI століття вільно оперує поняттями, що вважалися донедавна долею швидше наукової фантастики, аніж реальної теорії. Тут і концепція додаткових, прихованих від погляду зовнішнього спостерігача, вимірювань, і нова фізика чорних дір, які можуть, при вже принципово досяжних ультрависоких енергіях, кардинально змінити уявлення вчених про процеси народження ядерної матерії і можливо відповісти на питання: « З чого Всесвіт з'явився? » Приємно усвідомлювати, що і наші співвітчизники − науковці з України, з Харкова, Києва, Одеси, Львова, вже внесли і продовжують вносити свій внесок в обслуговування гігантської прискорювальної машини − Великого адронного колайдера в ЦЕРН, у забезпечення обробки даних експериментів і в розробку нових теорій, що виходять за межі вже загальноприйнятої Стандартної Моделі. А нова теорія для об'єднаної фізики елементарних частинок, тепер уже узагальнююча Загальну теорію відносності Ейнштейна, вже більше не оперує з частинками; це − теорія не-точкових об'єктів, теорія струн! І центральне місце в сучасних теоретичних концепціях займає принцип Суперсиметрії.

Відкриття суперсиметрії нерозривно пов'язане з ім'ям видатного радянського, українського фізика-теоретика, професора, Заслуженого діяча науки УРСР, академіка Національної Академії Наук України Дмитра Васильовича Волкова, 90-річний ювілей якого наукова громадськість Харкова відзначила в липні 2015 року. Приємно відзначити той факт, що Дмитро Васильович Волков − випускник, аспірант кафедри теоретичної ядерної фізики ядерного відділення Харківського університету, який захистив свою першу дисертацію під керівництвом знаменитого Олександра Ілліча Ахієзера. Все його творче життя пройшло в стінах Харківського фізико-технічного інституту, нині Національного наукового центру «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України. Тут він створив наукові праці, що увійшли до класики теоретичної фізики XX століття, такі як парастатистика Волкова-Гріна-Грінберга, «змова полюсів Реджє» Волкова-Грибова, систематика елементарних частинок за представленням груп вищих симетрій і їх колінеарних підгруп, спонтанні вакуумні переходи в дуальних моделях сильних взаємодій, механізми компактифікації додаткових просторово-часових вимірів, нові моделі частинок і струн, і, звичайно ж, Суперсиметрія і її локальна версія − Супергравітація. Довгі роки Дмитро Васильович Волков був членом редакційних колегій журналу «Ядерна фізика» (Москва) та збірника «Проблеми ядерної фізики і космічних променів» (Харків, ХДУ), входив до складу Наукової ради з проблем ядерної фізики Національної Академії Наук України, головував у Бібліотечній Раді ХФТІ. Понад двадцять років на фізико-технічному факультеті Харківського університету проходили семінари з фізики елементарних частинок під керівництвом академіка Волкова. На цих семінарах студентська молодь мала можливість на власні очі оцінити всю складність сучасної фізики, що було стимулом до отримання нових знань, побачити виступи провідних радянських, а потім українських та російських вчених. Для багатьох студентів участь у семінарах була першим кроком на шляху у велику науку. Тому цілком органічним стало проведення в листопаді 2015 року на фізико-технічному факультеті ХНУ науково-практичної конференції студентів та молодих вчених, присвяченій 90-річному ювілею Дмитра Васильовича Волкова.

Але, мабуть, найбільш значущим дітищем Волкова є створення Наукової школи з теоретичної фізики елементарних частинок, представники якої, в основному випускники фізико-технічного факультету Харківського університету, добре відомі світовому науковому загалу. Саме зі своїми учнями − найближчими науковими соратниками − і були зроблені піонерські роботи із суперсиметрії і супергравітації, а їх розвитку та застосуванню до фундаментальних проблем фізики елементарних частинок присвячена більш ніж 40-річна робота представників однієї з найяскравіших в Україні наукових шкіл. У 2009 році Д.В. Волков (посмертно) і група його учнів були удостоєні Державної премії України в галузі науки і техніки за цикл робіт «Відкриття та розвиток принципів суперсиметрії і супергравітації та їх застосування до побудови єдиної теорії фундаментальних взаємодій елементарних частинок».

Звичайно, нелегко донести до непідготовленого читача всю глибину і красу висунутих Дмитром Васильовичем революційних концепцій Суперсиметрії і супергравітації, однак можна спробувати, нехай навіть і дещо наївно, дати їх інтерпретацію. З часів класичних робіт з квантової механіки відомо, що частинки поділяються на два великі класи - бозони і ферміони − властивості яких сильно різняться. Зокрема, частинки-бозони допускають виникнення великих «колективів» частинок, у той час як частинки-ферміони є яскравими «індивідуалістами»: в одному і тому ж стані (звичайно ж, в квантовому стані) не можуть перебувати більш ніж двох фермі-частинок. Такі властивості частинок загадковим чином пов'язані з їх роллю в сучасній картині світу: частинками матерії, з якої складається наш Всесвіт, та й ми з вами, є ферміони, тоді як роль бозонів − служити переносниками фундаментальних взаємодій між будівельними цеглинками Всесвіту − ферміонами. А чи можна якимось чином відновити «демократію» у світі частинок, і наділити бозони тими ж правами, що і ферміони? Виявляється − можна, і таке «демократичне» співтовариство частинок і буде суперсиметричним. Спеціальні математичні перетворення в такому суперсиметричному світі переводитимуть частинки однієї природи, скажімо бозони, в ферміони, і навпаки, стираючи тим самим всі грані відмінності між частинками матерії і переносниками фундаментальних взаємодій. Локалізація, або залежність перетворень суперсиметрії від вибору точки в просторі-часі, призводить до суперсиметричного узагальнення Загальної теорії відносності Ейнштейна, або Супер-гравітації.

Говорячи про практичну значимість відкритого Дмитром Васильовичем Волковим принципу суперсиметрії, можна лише висловлювати обережні припущення. На даний момент ми маємо справу з відкритою лише теоретично новою парадигмою природознавства, але ми сподіваємося на дослідне підтвердження факту існування суперчастинок. Як тільки цей принцип буде зведено в ранг експериментально підтвердженого, наступним кроком буде спроба усвідомлення можливостей його застосування на практиці. Такий природний перебіг розвитку науки і техніки, від наукового відкриття до технологічного впровадження. Підтвердженням тому є маса прикладів з історії фізики. Скажімо, відкриття лазера, відзначене Нобелівською премією з фізики, як здавалося в далеких 60-х ХХ століття, жодним чином не може бути втілено в практику. Тим не менш, після лише півстоліття, вже нікого не можна здивувати голографією, лазерними указками і лазерною мишею. Те ж саме можна сказати і про ефект Мессбауера, іншого Нобелівського результату, відкритого у фундаментальній ядерній фізиці, що дав життя цілій галузі сучасної медицини − комп'ютерної томографії. Звичайно ж, над впровадженням відкриттів фундаментальної фізики в повсякденне життя повинен працювати спеціальний штат висококваліфікованих інженерів-фізиків. Завдання ж вчених − розширювати горизонти пізнання, шукати приховані зв'язки між явищами Природи.

Все ж скептики можуть заперечити, що теорія Суперсиметрії є не більш ніж математичною «іграшкою», і в реальному світі Суперсиметрії немає. Однак, як і у випадку з вже експериментально виявленими W- і Z-бозонами Стандартної Моделі і з відкритим нещодавно бозоном Хіггса, сліди суперсиметричних партнерів елементарних частинок цілком можуть проявиться на нових, ще не досліджених, масштабах енергій Великого адронного колайдера. Відкриття Суперсиметрії без жодного перебільшення стане тріумфом нашого видатного співвітчизника − Дмитра Васильовича Волкова, тріумфом української фізики, тріумфом України!

Проф.  В. ХОДУСОВ, завідувач кафедри теоретичної ядерної фізики та вищої математики ім. О.І.Ахієзера,
О.  НУРМАГАМБЕТОВ, провідний науковий співробітник Інституту теоретичної фізики ім. А.І. Ахієзера ННЦ «Харківський фізико-технічний інститут».