Квантовая революция и загадки космоса: Алексей Семихатов о будущем науки и технологий
Как новые данные от телескопа «Джеймс Уэбб» меняют наше представление об эволюции Вселенной, чем может похвалиться квантовая механика на свой 100-летний юбилей, и какие открытия нас ждут впереди — читайте в эксклюзивном интервью «Науки».
Маленькие красные точки
— Какие, по вашему мнению, самые важные и интересные открытия, исследования последнего времени в вашей области?
— Разумеется, я субъективен. И все же одно из несомненно интересных открытий последнего времени — история о Маленьких красных точках.
Они были обнаружены космическим телескопом «Джеймс Уэбб», позволяющим заглядывать в прошлое дальше, чем его предшественники, и поэтому постоянно подкидывающим сюрпризы. Объекты, которые он фиксирует, часто оказываются гораздо более развитыми или сложными, чем ожидалось для таких ранних этапов жизни Вселенной. Здесь важно, что «видит» означает не то же самое, что на бытовом языке: телескоп фиксирует источники света, а не подробности типа формы и размера. Подробности извлекаются, в том числе, из спектрального анализа этого света, и важную роль в их интерпретации играет наше понимание физики процессов, которые могли бы там происходить. Наблюдения в физике и астрономии обретают смысл лишь в контексте теоретического понимания происходящих процессов. Например, сравнение с возможными физическими моделями позволило в уходящем году сделать вывод, что по крайней мере одна из маленьких красных точек — сверхмассивная черная дыра (а не галактика, например).
Это оказывается вызовом текущему пониманию основных процессов в ранней эволюции Вселенной: вокруг этой предполагаемой черной дыры почти не видно другой материи, что остро ставит вопрос о ее происхождении (чтобы черная дыра получилась массивной, ей надо успеть «напитаться» необходимым количеством материи. Загадка сверхмассивных черных дыр, которые наблюдаются в центрах большинства галактик, существует уже давно, и хотя в гипотезах недостатка нет, ясности до сих пор не наступило.
Что возникло первым — галактика или сверхмассивная черная дыра в ее центре? До недавнего времени на основе имеющихся фактов и моделей считалось, что сначала образовывались галактики, но теперь, возможно, придется пересмотреть это утверждение. Данные продолжают поступать, и их анализ приведет к улучшенному пониманию эволюции Вселенной, часть имеющихся положений будут уточнены. Насколько революционными окажутся эти «уточнения» — вопрос интригующий. Продолжаем следить за развитием событий!
Темная энергия
Еще один пример того, как наблюдения становятся научными фактами при включении их в теоретическую схему — темная энергия.
Мы полагаем, что это основное энергетическое наполнение космоса, но никогда ее не наблюдали. В наблюдениях же было обнаружено нечто совсем иное: темп расширения Вселенной изменяется со временем, а именно, увеличивается в течение последних примерно 5 млрд лет. Уравнения, описывающие расширение Вселенной (уравнения Эйнштейна или их специализированный вид для однородной и изотропной Вселенной, называемый уравнениями Фридмана), способны воспроизвести это «ускоренное расширение», если в них присутствует одно определенное слагаемое. Оно-то и называется темной энергией. О ее природе существует немало гипотез, но нет данных.
Темная энергия могла бы быть и свойством вакуума, и неким полем; сами по себе уравнения Эйнштейна ничего не говорят о ее сущности. Чем бы темная энергия ни была, ее наличие — фактически синоним наблюдаемого ускоренного расширения Вселенной. До сих пор предполагалось, что плотность темной энергии не меняется со временем, но в 2024 году появились первые указания, а в 2025 дополнительные свидетельства, что сама темная энергия эволюционирует со временем. Отсюда, вероятно, удастся извлечь какое-то дополнительную, ранее неизвестную, характеристику этого явления, что сузит возможные интерпретации и укажет направление к пониманию физики, лежащей в его основе
Шестая проблема Гильберта
Это одна из математических задач, которые великий математик предложил решить в начале XX века — и она имеет немалое отношение к физике. Проблема касается математической связи между несколькими физическими моделями, которые которые крайне важны, в том числе, в приложениях. Речь идет о движении среды — скажем, газа в турбине или жидкости в русле или системе труб. Мы, разумеется, знаем, что на самом «мелком» уровне все происходящее описывается как движение отдельных молекул. Но их настолько невообразимо много даже в одном кубическом миллиметре, что нет никакой возможности проследить за каждой в их непрестанных взаимодействиях друг с другом.
Поэтому мы прибегаем к среднему описанию: делая некоторые «физически разумные» предположения о поведении молекул, выводим уравнения, которые описывают поведение «средней молекулы». Но и такое описание оказывается очень подробным, а потому сложным. На еще более «обобщенном» уровне мы забываем про молекулы и представляем жидкость как непрерывную среду, которая в каждой своей точке характеризуется несколькими свойствами, такими как температура, давление и скорость. Все эти свойства возникают из поведения молекул, но проследить в деталях за тем, как именно, не удавалось.
Шестая проблема Гильберта заключалась в математическом установлении связи между этими уровнями — микроскопическим, мезоскопическим и макроскопическим. Задача эта вовсе не абстрактная, потому что она относится к точности наших моделей среды, а потому и к способам моделирования — что имеет первостепенное значение в наш век реактивных двигателей и объектов, для которых радикально существенно их обтекание воздухом или водой (во всем мире суперкомпьютеры — масштабные и дорогие устройства — заняты такими вычислениями).
В 2025 году был достигнут прогресс в выводе мезоскопического описания газа из микроскопического — из того уровня, где развитие событий определяется беспрестанными столкновениями отдельных молекул. Для описания характера самих столкновений была выбрана модель «твердых сфер»: это приближение к реальности, но оно отражает наиболее существенные черты межмолекулярного взаимодействия. Соответствие между двумя картинами удалось установить на сколь угодно большом интервале времени — что нетривиально, потому что с каждой отдельной молекулой может со временем «случиться что угодно», из-за чего искомое соответствие могло выйти из-под контроля (технически, проблема состояла в повторных столкновениях одной и той же пары молекул). Достижение открывает новые перспективы: дальнейшие шаги — установить, что происходит, если столкновения описываются не моделью твердых сфер, а какой-то более точной, или если, скажем, учитываются квантовые свойства.
Тренды будущего
— За какими темами стоит следить в будущем году?
— Квантовые компьютеры переживают интересный этап, связанный с борьбой с ошибками. Современный уровень, называемый NISQ (Noisy Intermediate-Scale Quantum) — это «шумные» системы среднего масштаба. Масштаб измеряется количеством кубитов, а «шум» — это и есть ошибки, т.е. неконтролируемые спонтанные изменения, которые возникают или в самих кубитах, или при выполнении операций с ними. Целью является создание FASQ (Fault-Tolerant, Scalable Quantum Computers) — квантовых компьютеров для коммерческого применения, на работе которых не сказываются ошибки.
Путь к этому еще предстоит немалый, потому что появление ошибок — неизбежность ввиду того, насколько деликатными объектами мы управляем в квантовом компьютере. Кубиты, как и всякие квантовые объекты, крайне «чувствительны»: практически любой контакт изменяет их состояние. Но вычисление в квантовом компьютере состоит в управлении состояниями всех кубитов по правилам, которые определяются исполняемым алгоритмом, и сбои в этих состояниях «сбивают алгоритм с дороги».
Имеется несколько конкурирующих платформ для реализации кубитов — физических систем, квантовыми состояниями которых предлагается управлять. У каждой из них есть свои сильные стороны и свои сложности. Для того, чтобы выявлять и исправлять ошибки в состояниях кубитов, довольно остроумным образом используются вспомогательные кубиты --- такие же физические системы, расположенные по соседству, которые придают системе больше надежности. Но поскольку эти кубиты тоже подвержены ошибкам, задача усложняется. Ключевой вопрос сейчас в том, в какой мере использование вспомогательных кубитов позволит снизить ошибки до приемлемого уровня и как получаемые системы, устойчивые к ошибкам, будут масштабироваться на большое число кубитов. В первую очередь это вопрос к технологиям, но здесь есть и важнейшие теоретические аспекты касательно того, как именно детектируются и исправляются ошибки. Решение этой проблемы будет иметь важное значение для применения квантовых компьютеров в реальных задачах.
Кризис физики?
— А как вообще с «открытиями» в квантовой механике? Встречалось мнение, что после великих открытий первой половины–середины XX века наука в этой области «замерла» и не особенно движется, особенно в XXI веке. Была даже целая серия в «Теории Большого Взрыва», где молодые физики впадали в депрессию из-за того, что все уже открыто, а то, что не открыто, то открыть невозможно. Вы согласны?
— Частично согласен, а частично нет. Со времен создания квантовой механики прошло 100 лет, и принципы ее не изменились. В этом смысле еще одной революции вроде той, какой была сама квантовая механика, не случилось. Зато, например, за это время мы разработали квантовую теорию поля — это «женитьба» квантовой механики на Специальной теории относительности. Она описывает, как стало понятно, самую фундаментальную структуру мира — квантовые поля. И на этой основе создана самая успешная теория — Стандартная модель элементарных частиц. Вообще-то, это теория квантовых полей, хотя в массовой культуре она представлена как небольшая табличка с элементарными частицами.
Уже относительно давно мы поняли, в том числе на основе данных о нейтрино, что Стандартную модель необходимо расширять — что она совершенно точно не полна. И очень бы хотелось узнать, в какую сторону расширять.
Теоретических идей здесь много, и они соревнуются между собой. Но для того чтобы выбрать одну из них, нужны данные о том, в чем именно наблюдение расходится с предсказаниями Стандартной модели. Так вот, ирония состоит в том, что как раз все то, что мы можем измерить (даже на Большом адронном коллайдере), отлично описывается Стандартной моделью!
Да, были недолгие периоды, когда из анализа уже полученных данных (а их объемы колоссальны) удавалось усмотреть намеки на новую физику — на расхождение между теорией и экспериментом, которое можно было исправить, только предположив существование чего-то нового. Но когда обрабатывалось большее число данных, выяснялось, что расхождений все-таки нет.
Отсутствие расхождений, как ни странно, — кризис, потому что нет развития. Нужны новые экспериментальные данные, но их нет, а может быть, не будет и в том случае, если мы построим еще больший ускоритель.
Некоторую надежду несет в себе космология: она стала такой наукой, где смыкаются собственно физика космоса и физика элементарных частиц. Вселенная, какой мы ее наблюдаем, — это следствие развития из чего-то квантового. В современной Вселенной совсем не просто усмотреть следы ее раннего состояния, когда определяющую роль играли квантовые законы, но задача это разумная, и вполне можно ожидать здесь некоторый прогресс.
Надежды связаны даже не столько с последними телескопами, сколько с гравитационными волнами. Умение детектировать гравитационные волны — это большое открытие и впечатляющий технологический прорыв. Сейчас подробно разработан план гораздо более «сильного» детектора гравитационных волн, который будет вынесен в космос. Есть надежда, что он откроет окно в настолько раннюю Вселенную, где мы будем видеть больше следов ее квантового прошлого.
А вообще-то квантовая механика в течение 100 лет своего существования, и особенно в последнее время, явилась основой для колоссальных технологических прорывов. Я даже не буду говорить, что лазеры — это устройства на квантовых принципах. Но стоит упомянуть, что мы сейчас измеряем время с невообразимой точностью в миллиардную от одной миллиардной доли секунды, и для этого используются глубокие квантовые эффекты. Квантовая механика — источник технологий, которые, по известному выражению, практически неотличимы от магии.
— Да, интересно: то, что сначала было фундаментальной научной революцией, сейчас стало прикладной областью.
— Точно! Это и тончайшие сенсоры, и разнообразные эффекты взаимодействия света и вещества (безоговорочно квантовые).
А вот теория квантовой гравитации нам пока не дается. Может быть, потому что ее «не там ищут», или даже потому что ее в некотором смысле не существует. Изучение теоретических аспектов черных дыр в сочетании с принципами квантовой механики подсказывает такой неожиданный поворот. До сих пор считалось, что задача — превратить нашу прекрасную теорию гравитации (Общую теорию относительности) в квантовую теорию. Но, может быть, постановка вопроса изменится в том ключе, что нужно не квантовать гравитацию, а в каком-то смысле «гравитизировать» квант.
Об этом высказываются отдельные мнения, которым далеко до сколько-нибудь последовательной теории. И тем не менее, не исключено, что включение гравитационных эффектов в квантовую механику модифицирует наше представление о самой квантовой механике.
Вторую часть интервью читайте здесь.
Беседовала: Елена Маслова
Сопротивление проводников
