Увидеть Вселенную обнаженной: физик Максим Вялков о нейтрино и детекторах будущего

5–6 октября в московском кластере «Ломоносов» пройдет масштабный международный ТехноНаучный образовательный форум 2026, который объединит представителей науки, бизнеса и государства стран БРИКС. Одним из спикеров мероприятия станет Максим Вялков — физик-теоретик, исследователь нейтрино и лауреат престижного рейтинга Forbes «30 до 30».

В преддверии этого события мы поговорили с Максимом о его пути в науке, о том, как увлечь молодое поколение физическими дисциплинами, и об уникальном международном проекте «Сатурн», развернутом на базе Национального центра физики и математики в Сарове. Успех исследования не только позволит обнаружить неуловимый магнитный момент нейтрино и выйти за рамки Стандартной модели, но и, возможно, поможет разгадать тайну темной материи.

День физика

— Вы учились в Москве, в МГУ, а затем переехали в небольшой закрытый город — Саров. Каково было после столицы оказаться в таком месте?

— Конечно, Саров невозможно сравнивать с Москвой — это два совершенно разных мира. Москва для меня остается родным городом, я ее очень люблю. Но при этом не всем нужен ритм большого мегаполиса: кому-то гораздо ближе спокойная, камерная атмосфера небольшого города.

Для меня главным компенсирующим фактором стало не столько отсутствие привычной городской динамики, сколько масштаб и важность задач, которыми мы занимаемся. Создание Национального центра физики и математики — это очень амбициозный проект, вокруг которого формируется уникальная научная среда.

Я рад, что не побоялся сделать этот шаг и попробовать пройти этот путь. Сейчас наш академгородок только развивается, но есть ощущение, что постепенно он может превратиться в современное пространство для науки и стать настоящим городом-спутником, где будет кипеть интеллектуальная жизнь.

— Вы смотрели сериал «Теория большого взрыва»? В массовой культуре существует определенный стереотип о физике-теоретике: например, Шелдон Купер — немного эксцентричный человек с мелом у доски, постоянно погруженный в формулы. А как на самом деле выглядит работа физика-теоретика?

— Надо отдать должное создателям «Теории большого взрыва»: у сериала были очень хорошие научные консультанты, и в целом он довольно точно передает дух мышления ученых, физиков и инженеров.

Если говорить о работе физика-теоретика, то это профессия, в которой невозможно перестать учиться. Каждый день появляются новые научные статьи, методы, подходы, идеи. Мне кажется, физик-теоретик — это своего рода идеал научного мышления: человек, который стремится видеть не только отдельные явления, а понимать фундаментальные принципы, лежащие в их основе.

Типичный день физика-теоретика выглядит примерно так: изучение новых публикаций, работа с научной литературой, размышления над задачами, поиск подходящих методов решения, математические расчеты. А ближе к вечеру часто проходят научные семинары, где исследователи обсуждают новые результаты, рассказывают о своих идеях, делятся тем, что удалось найти и понять. Кроме того, я читаю лекции студентам.

— Вот эти знаменитые исписанные формулами доски — они действительно существуют в жизни физиков или это больше кинематографический образ?

— Конечно, формулы и расчеты никуда не исчезли, но сейчас я, например, чаще работаю с планшетом, чем с доской. Это очень удобно: все записи, статьи и расчеты находятся под рукой. При этом есть важный момент: с развитием искусственного интеллекта часть рутинной математической работы может выполняться быстрее, и возникает риск, что какие-то навыки ручного вывода формул будут использоваться реже. Но фундаментальное понимание все равно требует самостоятельной работы.

Например, на лекциях я по-прежнему вывожу формулы вручную. Это нужно не просто для запоминания, а для того, чтобы глубже понимать логику построения теории. После этого уже можно использовать современные инструменты, в том числе искусственный интеллект, чтобы развивать идеи дальше.

— А насколько часто ИИ ошибается в расчетах в математике и физике?

— Все меньше и меньше. Модели умеют решать сложные математические задачи, помогать анализировать информацию. Конечно, это не означает, что искусственный интеллект заменяет ученого. Но первый становится очень интересным инструментом — своеобразным интеллектуальным помощником, с которым уже можно даже обсуждать разные подходы, проверять идеи и находить новые направления. Иногда в таком диалоге действительно удается обнаружить что-то полезное и неожиданное.

Игра стоит свеч

— Возникает ли у вас ощущение некоего экзистенциального трепета, когда вы пытаетесь приблизиться к самым основам устройства Вселенной? Каково это, как говорил тот же герой сериала, «видеть Вселенную обнаженной»?

— Самое интересное, что Вселенная все-таки не раскрывается полностью... Лично мне очень нравится именно ощущение этой неизвестности. Ты пытаешься понять правила, по которым работает Вселенная, но до конца не знаешь, как она устроена. И в этом есть особая красота.

Занимаясь фундаментальной теорией, человек сталкивается с огромной неопределенностью: некоторые идеи могут оказаться лишь красивыми конструкциями человеческого разума и не привести к реальным открытиям. В истории науки было немало теоретических направлений, которые в итоге не получили подтверждения.

Но, на мой взгляд, эта игра стоит свеч. Те моменты, когда удается действительно понять что-то новое, увидеть закономерность или найти решение сложной задачи, невероятно вдохновляют.

— Какое открытие вы хотели бы совершить, даже если пока оно кажется чем-то из области научной фантастики?

— Если говорить о самых смелых мечтах, мне было бы очень интересно, чтобы мои исследования или идеи когда-нибудь оказались полезными для человечества в области межзвездных путешествий.

С возрастом и по мере изучения физики, конечно, романтический взгляд на эти возможности меняется. Чем больше узнаешь о законах природы, тем яснее понимаешь, насколько сложны задачи, связанные с полетами к другим звездам. Но если вдруг существуют еще неизвестные нам принципы устройства Вселенной, которые однажды позволят преодолеть эти ограничения...

Другая область, которая кажется мне невероятно интересной, — это исследования на стыке физики и нейробиологии: как возникают мышление, сознание, интеллект. Сегодня много говорят об искусственном интеллекте, но современные ИИ-системы — это прежде всего сложные алгоритмические программы. Они уже изменили мир и, вероятно, продолжат это делать, но вопрос о природе живого интеллекта и сознания все еще открыт. Мне кажется захватывающей сама перспектива понять, как устроено мышление — не только с точки зрения новых технологий, но и разобраться в фундаментальных принципах работы разума.

Конечно, остаются и классические вопросы фундаментальной физики: например, природа темной материи или устройство элементарных частиц. Хотелось бы внести свой вклад хотя бы в одну из таких больших задач.

Наверное, это главная мечта любого ученого. Великие физики XX века смогли оставить след сразу в нескольких областях, и именно такая широта взгляда до сих пор вдохновляет.

— Если бы у вас была возможность поговорить с великими физиками прошлого, кому бы вы задали вопрос и о чем спросили бы?

— Наверное, прежде всего Ричарду Фейнману — не только о физике, но и о его взгляде на жизнь и на то, как устроена научная работа. Мне было бы интересно узнать, как он организовывал исследования, как принимал решения, как относился к повседневной стороне науки, ведь именно из таких деталей складывается большая часть работы. Также хотелось бы поговорить с физиками, которые создали отечественную научную школу, — Николаем Боголюбовым, Игорем Курчатовым, Яковом Зельдовичем, Андреем Сахаровым, Виталием Харитоном — о том, как они видели развитие науки и что чувствовали, работая над задачами огромного масштаба.

Тайна нейтрино и сверхтекучий гелий

— Теперь поговорим о ваших собственных исследованиях. Нейтрино называют «частицей-призраком». Считается, что если мы лучше поймем ее, то сможем открыть окно в новую физику и приблизиться к разгадке тайн Вселенной. Почему?

— Открытие бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере подтвердило правильность Стандартной модели — теории, которая описывает фундаментальные частицы и их взаимодействия. Но одновременно стало понятно, что эта модель неполна: она не объясняет природу темной материи и не дает полного ответа на вопросы, связанные, например, с нейтрино.

Если представить элементарные частицы как детали конструктора LEGO, то Стандартная модель — это инструкция, которая объясняет, какие детали существуют и как они взаимодействуют. Но в этой инструкции не хватает страниц.

Главная особенность нейтрино в том, что они чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом. Это одновременно и преимущество, и проблема. С одной стороны, нейтрино могут приносить информацию из самых далеких областей Вселенной, практически не изменяясь по пути. С другой — их крайне сложно зарегистрировать.

Сейчас мы работаем над созданием новых методов обнаружения нейтрино, в частности с использованием сверхтекучего гелия. Если мы лучше поймем свойства этой частицы — почему у нее такая малая масса и как она взаимодействует с окружающим миром, — это может подсказать направление к новой физике и помочь понять, где именно находятся границы наших современных представлений о Вселенной.

Стандартная модель настолько точна, что многие эксперименты снова и снова подтверждают ее предсказания. Но для настоящего прорыва физикам как раз нужен эксперимент, который покажет расхождение с существующей теорией. Именно такие несоответствия в прошлом привели к появлению квантовой механики и общей теории относительности.

— Нейтрино регистрируют с помощью больших объемов воды или льда, например. В проекте, где вы участвуете, рассматривается создание нового детектора со сверхтекучим гелием? Создание такой установки, вероятно, еще сложнее и дороже?

— Да, это действительно очень сложная технология. Сейчас несколько научных групп в мире работают над детекторами нового типа на его основе. В основном такие проекты направлены на поиск темной материи, но в работе профессоров  Александра Студеникина и Константика Кузакова и итальянских коллег было предложено использовать сверхтекучий гелий для исследования электромагнитных свойств нейтрино.

Если охладить жидкий гелий ниже 2,17 кельвина — это температура примерно на 270 градусов ниже нуля по Цельсию, — он переходит в состояние сверхтекучести. Эффект был открыт Петром Капицей в 1938 году, за что он впоследствии получил Нобелевскую премию. Сверхтекучий гелий обладает удивительными свойствами: например, он может двигаться вдоль стенок сосуда практически без трения.

Главная идея нашего подхода заключается в том, что частица, пролетающая через сверхтекучий гелий, может вызвать в нем очень слабые колебания, которые можно зарегистрировать. Мы пытаемся уловить минимальные энергетические отдачи.

Можно провести аналогию: если бросить большой камень в воду, вы сразу увидите всплеск. Но маленький камешек в огромном океане может остаться незамеченным. Наша задача — создать инструмент, который сможет увидеть именно такие «маленькие камни».

В нашей группе под руководством профессора Александра Студеникина из МГУ, его коллегами и зарубежными партнерами мы изучаем возможность поиска новых проявлений физики на очень низких энергиях. Это как раз та область, где могут скрываться неизвестные свойства нейтрино и, возможно, явления за пределами современного понимания физики.

— То есть пока это еще стадия расчетов и разработки?

— Да, но работа уже переходит от теории к созданию прототипов. Пока готового детектора нет, но есть эксперименты, которые показали принципиальную возможность такого подхода. Это новый тип детекторов, и неизбежно будут возникать неожиданные сложности. Но именно поэтому такие исследования и интересны — мы работаем практически на неизведанной территории.

В рамках долгосрочной программы создание полноценной установки рассматривается в перспективе 2030–2040-х годов. Это кажется далеким горизонтом, но для фундаментальной физики такие сроки вполне обычны. А если такой детектор однажды позволит увидеть не только нейтрино, но и частицы темной материи, это станет настоящим прорывом!

Свойства частицы-призрака

— Проект направлен прежде всего на поиск магнитного момента (способность частицы создавать магнитное поле и реагировать на внешние магнитные поля) нейтрино. Это кажется почти невероятной величиной для измерения. Ведь даже массу этой частицы определить точно невозможно, насколько я понимаю. Как вообще можно изучать такие свойства настолько неуловимой частицы?

— Именно в этом и заключается главная сложность. Сейчас считается, что у нейтрино есть масса, но в этом случае у него должны появиться электромагнитные свойства, в том числе магнитный момент.

Теоретически ожидаемая величина этого момента крайне мала — порядка 10⁻¹⁹ магнитона Бора. Это практически недостижимый уровень для современных экспериментов. Однако если магнитный момент окажется больше предсказаний, это может стать признаком новой физики за пределами Стандартной модели.

Именно поэтому в проекте «Сатурн» мы рассматриваем возможность создания нового типа детектора элементарных частиц. Сегодня существующие ограничения на магнитный момент нейтрино находятся примерно на уровне 10⁻¹¹–10⁻¹² магнитона Бора. Мы рассчитываем улучшить эти оценки и приблизиться к гораздо более чувствительным значениям. А если частице действительно присущ более высокий магнитный момент, у нас появляется шанс его обнаружить.

— Еще вы изучаете декогеренцию нейтрино. Термин «декогеренция» (процесс, при котором квантовая система теряет суперпозицию из-за взаимодействия с окружающей средой) чаще всего звучит в контексте квантовых компьютеров: там важно сохранить квантовые состояния и управлять ими. Но зачем понимать декогеренцию нейтрино?

— Нейтрино в процессе движения может менять свой тип благодаря явлению, которое называется осцилляциями нейтрино.

Суть в том, что нейтрино может находиться в квантовой суперпозиции различных состояний. Пока эта квантовая связь сохраняется, нейтрино способно переходить из одного состояния в другое. Но если происходит декогеренция — то есть разрушение этой суперпозиции, — осцилляции прекращаются или изменяются, и это можно увидеть в экспериментах.

Это еще одна загадка. Возможно, нам потребуется более глубокое и изящное описание этих процессов за пределами существующих представлений.

Сегодня точность нейтринных детекторов уже позволяет изучать такие эффекты. Наши исследования вызвали интерес у научного сообщества: опубликованная в 2025 году работа получила внимание, что приятно.

Это интересно еще и потому, что нейтрино позволяют проверять основы квантовой механики в необычных условиях — при огромных расстояниях распространения частиц и высоких энергиях.

— Встречаются исследования, где предполагается, что нейтрино могут быть связаны с темной материей. Насколько эта идея вам близка?

— Здесь важно понимать, что темная материя — это не обязательно один конкретный вид частиц. Мы знаем, что во Вселенной есть дополнительная масса, которую мы не можем напрямую наблюдать, но она проявляется через гравитационное воздействие. Вполне возможно, в будущем окажется, что она состоит из нескольких компонентов.

Обычные нейтрино, которые мы уже знаем, не могут объяснить всю темную материю: их масса слишком мала, а движение слишком быстрое, чтобы они могли быть основным ее компонентом. Но некоторые гипотетические разновидности этой частицы, например стерильные нейтрино, действительно рассматриваются как возможные кандидаты на роль части темной материи. Поэтому изучение нейтрино остается крайне важным направлением.

На границе миров

— Вы физик-теоретик, но при этом работаете над экспериментальным проектом «Сатурн», связанным с нейтрино и сверхтекучим гелием. Что для вас интереснее: построить математическую модель или увидеть ее подтверждение в реальном эксперименте?

— Еще несколько лет назад я, скорее всего, ответил бы, что мне ближе расчеты и теория. Но сейчас мне очень интересно наблюдать, как рождаются реальные экспериментальные установки: какие возникают инженерные задачи, какие сложности приходится решать, как теория превращается в работающий прибор.

Это помогает не оставаться в мире абстракций, а постоянно задавать себе вопрос: можно ли проверить мои расчеты на практике? Твоя модель становится не просто красивой математической конструкцией, а предположением, которое можно сравнить с реальностью.

Мне нравится находиться на границе двух миров — между теорией и экспериментом. Ты что-то рассчитываешь, выводишь, строишь гипотезу, а потом ждешь проверки: оказалась ли модель правильной или нужно искать новый путь.

— Вы занимаетесь еще и популяризацией науки: читаете лекции, выступаете на открытых мероприятиях. Зачем ученому тратить на это время?

— Наверное, здесь есть ощущение определенного долга. Когда-то я сам оказался в научной среде благодаря таким мероприятиям, как фестиваль «Наука 0+». Помню, как один из физиков подписал мне книгу со словами: «Приходи к нам учиться». Для меня это было очень сильным впечатлением и, возможно, повлияло на мой дальнейший путь.

Сейчас мне хочется передавать этот опыт дальше — показать людям, что наука может вдохновлять. Сегодня мы снова живем в эпоху, когда физики, химики, биологи и математики становятся заметнее, а интерес к научным профессиям растет. К примеру, сейчас вместе с «Росатомом» мы создаем бесплатную Сетевую онлайн-школу по естественным наукам: платформу с курсами по физике, химии, математике и биологии от ведущих преподавателей, которые готовят школьников к олимпиадам и поступлению в ведущие вузы. Моя задача — развивать научно-популярный блок, чтобы ученики понимали не только формулы и задачи, но и то, где эти знания применяются и какие возможности открывают.

Мне нравится придумывать новые способы объяснять сложные идеи простым языком. Конечно, такие объяснения не могут быть абсолютно точными, как научная статья или учебник, но их задача другая — заинтересовать человека и показать, насколько удивителен окружающий мир.

Мне также важно показать людям, что существует что-то в противовес псевдонаучным представлениям. Наука сама по себе не менее захватывающая, чем любые мистические объяснения! Она напрямую влияет на нашу жизнь. Например, современные процессоры работают благодаря исследованиям квантовой механики: размеры элементов электроники уже приближаются к атомному масштабу. Или взять системы спутниковой навигации: их работа невозможна без учета эффектов Теории относительности Эйнштейна. Такие примеры помогают людям увидеть, что фундаментальная наука — это не абстрактные идеи, а основа технологий, которыми мы пользуемся каждый день.