Профессор Максим Хлопов о космомикрофизике – науке о фундаментальной взаимосвязи теории Вселенной и физики микромира

Хлопов Максим Юрьевич — профессор, доктор физико-математических наук. Главный научный сотрудник Института Физики Южного Федерального Университета, Профессор кафедры Физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ, Директор Виртуального Института астромикрофизики (VIA).

В 1974 с отличием окончил МФТИ, тема кандидатской диссертации «Физические и астрофизические эффекты слабых взаимодействий» (1978 г.), тема докторской диссертации: «Астрофизические проявления сверхслабых взаимодействий элементарных частиц» (1986).В 2005—2006 Хлопов занимал должности приглашенного специалиста в INFN Сектора Лечче (Италия), Центре исследований очень низких температур (CRTBT, Гренобль, Франция), лаборатории субъядерной физики и космологии (LPSC, Гренобль, Франция).

С 2007 года, сохранив свои должности в МИФИ и «Cosmion» осуществляет научное руководство проектом Виртуального института астромикрофизики, на основе APC-лаборатории (Париж, Франция).

С 2010 года организатор ежегодных Международных симпозиумов “Что нас ожидает вне рамок стандартных моделей?” (Bled Workshops “What comes beyond the Standard models?”) в г. Блед, Словения

С 2018 года занимает должность главного научного сотрудника Института физики Южного Федерального Университета, осуществляя научное руководство проектом “Космомикрофизические исследования различных типов расширения Стандартной Модели на основе ограничений на природу скрытой массы Вселенной из данных физики и астрофизики высоких энергий”.

Член редколлегии международных научных журналов Gravitation and Cosmology, International Journal of Modern Physics D, Symmetry, Particles, Universe, Physics.

Хлопов является автором 24 книг, учебников и глав в книгах. Среди них монография Cosmoparticle physics, изданная в 1999 году в World Scientific, «Космологические проявления микромира в инфляционной Вселенной» (Cosmological pattern of microphysics in the inflationary Universe), изданная Kluwer Academic Publishers в 2004 году, «Основы космомикрофизики»,  изданная URSS в 2004 году (2е издание 2011 год) и “Fundamentals of Cosmic Particle physics”,  изданная CISPSpringer в 2012 году.

Область научных исследований: космомикрофизика, скрытая масса, первичные черные дыры, физика элементарных частиц.

Что такое космомикрофизика?

Космомикрофизика — наука, изучающая основы микро- и макромира и их фундаментальную взаимосвязь, проявляющуюся в комплексном сочетании микрофизических, астрофизических и космологических эффектов. Ее появление — закономерный этап развития космологии и физики элементарных частиц, которые в своих теоретических построениях и целом ряде фундаментальных положений вынуждены опираться на представления, процессы и явления, недоступные прямой лабораторной проверке и требующие, поэтому, косвенных, в том числе и астрономических методов исследования.

Отвечая на вопросы о причинах космологического расширения, о происхождении барионного вещества и существовании во Вселенной иных, небарионных форм материи, современная космология выходит за пределы экспериментально изученной области физики и неизбежно привлекает такие предсказания теории микромира, проверка которых, в свою очередь, основывается на их космологических эффектах. Выход из этого порочного круга проблем связан с развитием космомикрофизики. Зарождение этой науки отразило неизбежный этап внутреннего развития и космологии, и физики элементарных частиц.

Какими ещё неизученными наблюдаемыми феноменами интересуется космомикрофизика?

Физика массы нейтрино и ее космологические проявления, физические основания существования и возможности астрономического поиска зеркального и теневого вещества, нестабильные массивные нейтрино, невидимый аксион, неравновесные потоки энергичных частиц во Вселенной и теория неравновесного космического нуклеосинтеза, неоднородный бариосинтез, источники антинуклонов и домены антивещества в барион-асимметричной Вселенной, первичные черные дыры, разнообразные стабильные и нестабильные частицы скрытой массы — далеко не полный перечень тех элементов космомикрофизического анализа, который позволит подойти к всестороннему изучению Вселенной и физических законов, определивших ее происхождение, структуру и эволюцию. Особое внимание заслуживает роль отечественных исследований и наследия российских научных школ в формировании космомикрофизики, их значению в контексте современного развития мировой науки.

Наиболее серьезный барьер в восприятии космомикрофизики — психологический. Предмет ее исследования необычен вдвойне. В физике элементарных частиц эту науку интересуют еще не известные редкие процессы взаимодействий. В астрономии — редкие явления или новая интерпретация уже известных фактов. Как всякая экзотика, это привлекает и будоражит воображение. Но в той же мере воспринимается отстраненно, именно как экзотика — яркая, броская, красивая, но ничего, кроме легкого возбуждения, уму и сердцу не дающая. Не вкладывается в рамки сложившихся стереотипов и другая сторона космомикрофизики — отсутствие прямых экспериментов по проверке ее представлений, необходимость сочетания разнородных наблюдательных и экспериментальных методов для такой проверки.

Но чтобы проверить теорию Вселенной потребуются миллиарды лет!

Привычная логика развития науки — ожидание экспериментального подтверждения каждого нового теоретического предположения — здесь, кажется, не срабатывает, поскольку эти предположения относятся к процессам в мире элементарных частиц, часто недоступным лабораторному изучению, и к стадиям эволюции Вселенной, которые непосредственно не могут фиксироваться в астрономических наблюдениях.

Однако эти барьеры преодолимы. Непривычные понятия быстро усваиваются и становятся общепринятыми и необходимыми, а способ их проверки лишь на первый взгляд разительно отличается от апробированных методов лабораторного исследования.

Возникшая на основе идей великого синтеза фундаментальных сил природы, космомикрофизика по необходимости сочетает в своих построениях анализ с синтезом. В этом ее специфика или, возможно, специфика ее сегодняшнего дня.

Как исторически складывались взаимоотношения астрономии и физики, которые привели к возникновению космомикрофизики?

Космомикрофизика – закономерный результат внутреннего развития и физики элементарных частиц и космологии. Появление этой науки обязано слиянию двух тенденций — развитию теории элементарных частиц, нетривиальные проявления которой раскрываются только в процессах при сверхвысоких энергиях, и возникновению представлений о новых формах материи, необходимых для самосогласованного описания совокупности наблюдаемых явлений во Вселенной. Отчетливое осознание взаимосвязи между проблемой определения структуры микромира и проблемой обоснования структуры макромира вывело совместное рассмотрение микро- и макромира на новый уровень, на котором эти задачи сливаются, образуя новое качество. В космомикрофизике структура микромира озвучивается гармонией небесных сфер.

Связь представлений о микро- и макромире прослеживается на всех этапах их развития. Долгое время суждения о мироздании и о его первоначалах, составляя единое целое, оставались чисто умозрительными. Источником таких суждений были наблюдения и умозаключения на их основе.

Затем появились оптические приборы, вооружившие глаз наблюдателя. Интересно, что обращение в глубь явлений с помощью микроскопа и расширение взгляда на мир с помощью телескопа было основано на одном и том же физическом принципе. И наверное, не случайно у истоков и физического эксперимента, и оптической астрономии стоит один и тот же ученый — Галилео Галилей. С этого момента оптическая астрономия и экспериментальная физика стали развиваться самостоятельно. Отчетливо выявилась и их специфика.

Астрономии было дано лишь пристально вглядываться во внешние проявления внеземных объектов, недра которых закрыты для глаз, наблюдать результаты процессов, причины и ход которых неподвластны контролю. В физическом же эксперименте можно дробить объекты исследования, докапываясь до их сути, можно менять начальные условия и контролировать ход процессов. Поэтому не удивительно, что во взаимоотношениях астрономии и физики усиленное внимание уделялось развитию последней, что определяло и прогресс астрономии, и степень осмысления астрономических результатов.

Так, исследованная физикой структура атомов и спектров их излучения вооружила астрономию методами спектрального анализа. Физические законы взаимодействия вещества и излучения легли в основу понимания закономерностей излучения звезд, а развитие ядерной физики открыло астрономам источники энергии этого излучения. Ответные астрофизические знаки благодарности физике можно перечесть по пальцам. Среди них открытие гелия по линиям излучения Солнца и существование уровня возбуждения в углероде, предсказанное теоретически для объяснения термоядерного горения гелия в звездах. Астрофизика, казалось, была обречена лишь на освоение прочно подтвержденных в лабораториях физических законов, на роль своеобразного полигона, преломляющего известные эффекты причудливыми сочетаниями неземных условий, подлежащих изучению.

Однако в 20-е годы XX века мысленному взору Фридмана предстала нестационарная Вселенная, изменчивость которой была затем подтверждена в наблюдениях Хаббла. На месте вечной и неизменной Вселенной открылась картина Вселенной, расширяющейся за конечное время из сверхплотной фазы до современного состояния.

Тем самым астрономия предоставила физике естественный ускоритель, масштабы и значение которого начинают в полной мере осознаваться физикой микромира только сейчас. Создание теории нестационарной Вселенной почти на десятилетие опередило революционный переворот, сделанный в 1930-е годы в представлениях об элементарных частицах.

Выход из мучительных проблем, связанных с сохранением энергии и момента в бета-распаде, с “азотной” катастрофой и загадкой строения ядра, физика микромира нашла в отказе от идеи вечных и неизменных частиц, в переходе к представлениям о возможности их рождения и уничтожения в процессах их взаимодействий. Другой урок, преподнесенный в 1930-е годы, состоял в том, что число элементарных частиц в Природе оказалось значительно больше, чем этого требует простая и экономная картина строения вещества.

Революции в физике элементарных частиц и в науке о Вселенной в целом, космологии, произошли в одно десятилетие, и хотя они охватывали совершенно не пересекающиеся в то время области знания, близость по времени этих двух событий далеко не случайна. Осознание факта нестационарности Вселенной психологически подготовило и смену представлений о свойствах микрочастиц: во Вселенной, за конечное время радикально меняющей свое состояние, вечным и неизменным частицам нет места. Отсюда и смена взгляда на основания физики — законы сохранения и взаимодействия элементарных частиц.

Так, сохранение электрического заряда становилось не простым следствием сохранения неуничтожимых электрически заряженных частиц, а нетривиальным правилом, определяющим строгий локальный баланс уничтожения и рождения заряженных частиц. Менялось и представление о заряде как мере электромагнитного взаимодействия — от неотъемлемой характеристики вечной и неизменной частицы к характеристике закона превращения, при котором уничтожение начальной и рождение конечной заряженных частиц сопровождались рождением или уничтожением электромагнитного кванта.

Эта смена представлений содержала богатейший простор для обобщений. Аналогичным образом можно было описать и законы ядерных превращений под действием сильного и слабого взаимодействий. В таких превращениях уничтожение и рождение частиц сопровождаются рождением и поглощением квантов поля сильного или слабого взаимодействий.

Логический шаг к единообразному описанию всех фундаментальных взаимодействий мог бы быть сделан еще в 1930-е годы, но на самом деле для его осуществления потребовалось целых полвека. Трудность пути к построению единой картины всех взаимодействий была связана с необходимостью совместить сходство описания с различием в наблюдаемых свойствах этих взаимодействий. Нужно было объяснить, почему слабое взаимодействие проявляется только на малых расстояниях, превращение каких именно частиц вызывает сильное взаимодействие, и с какими зарядами взаимодействуют кванты его поля.

Ответы на эти и другие вопросы легли в основу современной теории электромагнитного, слабого и сильного взаимодействий, основанной на симметрии превращений частиц и объясняющей наблюдаемые различия их свойств нарушением этой симметрии. Расширяя симметрию, можно было перейти от единообразия описания разных взаимодействий к их фундаментальному единству. Но такой шаг, поначалу подкрепленный и надеждой на экспериментальное подтверждение распада протона, и жесткой, соответствующей экспериментальным данным, связью зарядов слабого и электромагнитного взаимодействий, означал скачок теории к области сверхвысоких энергий, недоступной прямому экспериментальному изучению.

С этим шагом теория теряла непосредственную опору в экспериментальной физике высоких энергий. От привычной прямой экспериментальной проверки своих предсказаний теория должна была перейти к анализу сочетания косвенных проявлений своих фундаментальных построений. Миру физики высоких энергий, опиравшемуся дотоле на собственные экспериментальные возможности, открылись все допустимые косвенные способы исследования гипотетических явлений, прямое экспериментальное изучение которых не представляется возможным. В этом контексте взаимосвязь физики микромира с космологией приобретает особое значение, становится необходимой опорой развития теории микромира.

Эта взаимосвязь вырастает в необходимую основу развития и современной космологии. Первоначально развитие теории расширяющейся Вселенной проходило относительно самостоятельно. Открытие в 1965 году теплового фона электромагнитного излучения подтвердило выдвинутую Г.Гамовым так называемую горячую модель расширяющейся Вселенной. Современная температура этого излучения мала (3К), мала и его плотность энергии в сравнении с плотностью энергии покоя атомов, но, прослеживая в прошлое известный закон расширения, мы приходим к картине не только плотного, но и горячего состояния вещества с доминирующей плотностью энергии излучения.

Очень интересны данные о ранней Вселенной. “Холодная” или “горячая” она была?

Простые оценки показывают, что в ранней Вселенной вещество и излучение находились в термодинамическом равновесии. Соединение закона расширения Вселенной с законами термодинамики позволило получить логически замкнутую картину космологической эволюции вещества и излучения, в которую элементарные частицы, открываемые физикой высоких энергий, вносили лишь малые количественные поправки. Эта картина превращения радиационно-доминированной горячей плазмы в современную неоднородную структуру вещества, пронизываемую однородным фоновым излучением, качественно подтверждалась данными астрономических наблюдений.

Качественно внутренне самосогласованная, эта картина требовала, однако, задания определенных начальных условий при очень высоких температурах и плотностях на очень ранних стадиях расширения Вселенной, наблюдательная информация о которых отсутствует. И для обоснования этих начальных условий космология должна была обратиться к таким предсказаниям теории элементарных частиц, которые оказывались недоступны лабораторной проверке.

На основе именно этих, не проверенных в лабораториях представлений физики микромира, современной космологии удалось обосновать причины расширения и замечательную однородность наблюдаемой части Вселенной, создать теорию инфляционной Вселенной, объяснить ее барионную асимметрию и природу малых начальных неоднородностей, развитие которых привело к образованию современной крупномасштабной структуры Вселенной, количественно согласовать формирование этой структуры с наблюдаемой изотропией реликтового излучения.

Эти успехи современной космологии были достигнуты ценой привлечения в теорию гипотетических форм материи, определивших скрытую массу Вселенной на различных этапах ее эволюции. Тем самым недоступные прямой проверке в астрономических наблюдениях основы современной космологии сливаются с недоступными прямому опыту основами современной теории микромира.

До тех пор пока физика микромира ограничивалась изучением отдельных превращений известных элементарных частиц, обращение к миру в целом в ее теоретических построениях казалось излишним. С другой стороны, знание законов общей эволюции Вселенной также на первый взгляд имело мало общего с детальными представлениями об отдельных процессах с элементарными частицами.

Какова роль физики элементарных частиц в теории происхождения Вселенной и ее строении?

Обращаясь к основаниям и симметрии микромира и начальных условий расширения Вселенной, мы обнаруживаем неразрывную связь физики элементарных частиц и космологии. Фундамент микро- и макромира оказывается единым. Изучение этого единого фундамента во всем многообразии его проявлений и является предметом космомикрофизики.

На пути к единому описанию структуры микро- и макромира космомикрофизика естественным образом сочетает теоретические исследования, вычислительный эксперимент и все возможные способы получения косвенной информации в лабораторных экспериментах и астрономических наблюдениях.

Эти составные элементы космомикрофизики опираются на прогресс в развитии экспериментальных методов не только физики высоких энергий, но и космологии. Высокая, буквально “астрономическая” точность определения параметров расширения Вселенной, ее структуры и эволюции позволяют говорить о наступлении эры “прецизионной космологии”. Открытие гравитационных волн дополняет исследование Вселенной на основе данных о космических лучах, о космических излучениях в различных диапазонах спектра (от радиоволн до гамма лучей) и о потоках космических нейтрино. Это открывает дорогу “многочастичной” (multi-messenger) астрономии, которая позволит получить всестороннее представление о структуре астрономических объектов и астрофизических процессах в них.

Насколько эксперименты на Большом Адронном Коллайдере способствуют исследованиям в области космомикрофизики?

Парадокс современной ситуации состоит в том, что, хотя физические основания современной космологии базируются на расширениях стандартной модели элементарных частиц, эксперименты на Большом Адронном Коллайдере не дают пока положительных результатов поиска новых эффектов (например новых частиц), предсказываемых в популярных вариантах таких расширений.

Исторический опыт однако показывает, что Природа никогда не оправдывает наших простейших представлений о новых явлениях в ней. Поэтому тот факт, что мы живем во Вселенной, наполненной на 95% неизвестными формами вещества и энергии, вселяет уверенность, что методы космомикрофизики позволят нам подойти к их физической природе и овладеть мощью этих новых фундаментальных сил Природы.

Интервью: Иван Степанян

Read more: Современная наука с Иваном Степаняном ...