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 (Принстонский институт фундаментальных исследований) и Спартак Беляев (Курчатовский институт). Формулировки: «за формулировку дуальности между теорией струн в многомерном пространстве-времени и калибровочными теориями поля в четырех измерениях» (Малдасена) и за выдающиеся результаты в квантовой теории многих тел и их применение в теории атомного ядра».
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).
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 2S1/2 и 2P1/2, которые в нерелятивистской квантовой механике вырождены. Вырождение снимается в квантовой теории поля за счет взаимодействий с вакуумными флуктуациями (радиационные поправки). При этом состояние 2Р1/2 высвечивается за 10-8 секунды, что естественно, а состояние 2S1/2 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 2S1/2. 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 осцилляциями нейтральных К-мезонов и нейтрино. Поэтому на выходе из конденсатора пучок начинает светиться: появившееся состояние 2Р1/2 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 2Р1/2появлялось 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 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.
Борис Штерн
Фотографии Наталии Деминой и Елены Демидовой
Автор благодарен председателю Комитета премии Александру Горскому за помощь в подготовке материала.