13 мая 2009 г.

Практическая польза от теоретической физики элементарных частиц

В комментариях к предыдущим постам (1,2), а также в обсуждениях в ЖЖ-синдикате (1,2) раз за разом возникает вопрос -- ну всё-таки, какая практическая польза от хиггсовского бозона или от теоретической физики элементарных частиц вообще?

Хорошо, отвечу, а точнее, снова повторю, но на этот раз с новым примером из свежего выпуска Nature Physics.

Сначала базовое утверждение (тем, кто серьезно не изучал теорфизику, придется в него поверить): математические описания совершенно разных явлений из совершенно разных областей физики бывают очень схожими. Поэтому если мы разовьем это математическое описание в каком-то одном разделе физики (просто потому, что там было больше свободы в экспериментировании и быстро вырисовывалась теория), мы сможем пользоваться им в других разделах физики.

Теперь про практическую пользу. Наверно, можно с полным правом сказать, что самый практически полезный раздел физики -- это физика конденсированных сред. В этом разделе есть ряд чрезвычайно сложных задач, которые непонятно как решать, но от решения которых будет огромная практическая отдача. Например, создание исчерпывающей теории высокотемпературной сверхпроводимости, благодаря которой, возможно, будут созданы комнатнотемпературные сверхпроводники. Или еще более широко -- изучение сильно-коррелированных многоэлектронных систем (т.е. электронные характеристики веществ, разный экзотический магнетизм, квантовый эффект Холла, сверхпроводимость и другие макроскопические квантовые явления и т.д.), которые могут привести к электронике нового типа.

Конечно, физики над ними работают. И слава богу, что у нас в природе есть много различных элементов с самыми разнообразными электронными оболочками -- можно комбинировать элементы и смотреть, как меняются электронные свойства получившегося вещества.

Но кое-что сделать всё-таки нельзя. Например, у нас имеется всего один тип электронов -- и мы не можем ни изменить их массу, ни заполнить вещество каким-то другим типом электронов. Взаимодействуют электроны за счет самых обычных электромагнитных сил, и их мы тоже не можем изменить. И т.д.

В физике элементарных частиц тоже встречается задача о сильно коррелированных фермионах. Но там у нас доступны для изучения новые степени свободы. Кварков не один, а несколько типов, взаимодействие между ними иное, чем между электронами, и т.д. Поэтому среди трудностей, которые стоят перед физикой конденсированных сред и физикой элементарных частиц, есть кое-что общее. Так что неудивительно, что иногда удается найти параллели между явлениями их этих двух разделов физики -- эти параллели идут через одинаковое математическое описание.

Подчеркну, что эти близкие аналогии между далекими разделами физики через математическое описание -- это не выдумка человека, это тоже своеобразный закон природы, им нельзя пренебрегать.

Есть много классических конкретных связей между физикой конденсированных сред и квантовой теорией поля (т.е. по сути теоретической физикой элементарных частиц) -- перенормировка, конденсаты, спонтанное нарушение симметрий, теоретико-групповые явления, коллективные степени свободы и т.п. Из последних лет в голову приходит графен (электронные возбуждения в нем описываются так же, как безмассовые киральные фермионы в теории поля) и применение AdS/CFT соответствия к нерелятивистским системам, в том числе к конденсированным средам.

В общем, практическая польза от теоретической физики элементарных частиц состоит хотя бы в том, что она подстегивает теоретическую физику конденсированных сред, конструктивно взаимодействует с ней, помогает ей, например, находить новые материалы с необычными свойствами.

И я хочу подчеркнуть вот что. Эти параллели не есть что-то исключительно редкое. Если следить за свежими публикациями в PRL, в архиве и т.д., то такие связи возникают довольно регулярно.

Вот на закуску конкретный пример из самого свежего Nature Physics: статья с заголовком "Observation of a large-gap topological-insulator class with a single Dirac cone on the surface". Вот первая половина аннотации:

Недавние эксперименты и теории позволяют предположить, что сильная спин-орбитальная связь в некоторых изоляторах может привести к новому квантовому состоянию вещества, так называемому топологическому изолятору, демонстрирующему макроскопические эффекты квантового запутывания. Такие системы обладают двумерными поверхностными состояниями, электродинамические свойства которых описываются не обычными уравнениями Максвелла, а скорее аксионным полем, которое в свое время было предложено для описания взаимодействующих кварков. Имеется предположение, что на границе между сверхпроводником и топологическим изолятором с единственным дираковским конусом можно будет создать стойкий к ошибкам вычисления квантовый компьютер...

Жирным я выделил то, на что надо обратить внимание в свете нашего обсуждения.

Если совсем простыми словами, то вот: гипотетическая частица (аксион), которую физики придумали когда-то давно для изучения процессов сугубо из мира элементарных частиц, оказалась самым удобным математическим инструментом для описания электронных состояний в изоляторе нового типа с многообещающими (в практическом плане!) свойствами.

Впечатляет?

14 комментариев:

  1. Анонимный13/5/09 06:11

    А что вы думаете об этом (шуточном) тексте?

    http://www.tema.ru/travel/dubna/IMG_0210.jpg

    Отсюда: "Дубна" http://www.tema.ru/travel/dubna/

    ОтветитьУдалить
  2. Есть ещё один момент, о котором редко говорят. Деньги тратятся отнюдь не абстрактную "науку", а на вполне конкретные экспериментальные установки. И ценность того же LHC в том, что при его постройке было решено множество чисто инженерных задач. Сегодня cверхпроводящие маниты разоняют пучок протонов, завтра они будут удерживать плазму в термоядерном реакторе. Решения по обработке громадного объёма данных от детекторов наверняка пригодятся не только физикам.

    ОтветитьУдалить
  3. Анонимный13/5/09 10:32

    Впечатляет, спасибо.

    ОтветитьУдалить
  4. По моему не хватает статей на русском языке, как пример, ссылка выше на Nature Physics и лишь небольшое описание на русском. Лично мне, очень не хватает статей написанных самими учеными, по новейшей физике в первую очередь.

    ОтветитьУдалить
  5. Анонимный13/5/09 21:59

    Почему-то мне кажется, что переубедить людей, отрицающих пользу науки, невозможно. Зато можно (и нужно!) напомнить им коротенькое произведение Ивана Андреевича об известном животном под известным деревом (к примеру, здесь - http://www.stihi-rus.ru/1/krylov/1.htm ). Хотя бы спесь сбить.
    К более "умеренным" вопрос: Откуда вы знаете, какие корешки/ветки можно почикать, а какие - нет? Речь ведь не об урожае текущего года!

    "Я не против фундаментальной науки, но пусть ее финансируют те, кому она интересна. Если фундаментальной наукой занимается частная контора или группа исследователей за свой счет - это ее личное дело."Вам жалко несколько миллиардов на LHC? А на рекламу не жалко несколько десятков миллиардов? Мне, вот, жалко. Мы с вами оплатили ее из своего кармана, и где сейчас та жожоба?
    Теперь о ФЭЧ. Пара проблем, решение которых может дать только она (ну, может и не дать...).
    Отклонение опасных для Земли астероидов/комет. Межзвездные сообщения, которые находятся в практическом тупике.
    Александр Б

    ОтветитьУдалить
  6. to michael: да, мне тоже кажется, что люди думают, будто эти миллиарды, которые ушли на LHC, ученые просто "проели". Только я тут обычно подчеркиваю, что реально львиная доля денег была потрачена на оплату поставок материалов и оборудования разнообразных фирм, которые выпускают наукоемкое оборудование. Т.е. получается прямая финансовая поддержка таких компаний.

    to Alexandr_A: конечно не хватает. Но кто их будет писать?

    Александру Б.: ну в целом я поддерживаю конечно, но только два ваших примера, по-моему, всё же мимо. ФЭЧ тут не поможет, по крайней мере в нынешнем столетии :)

    ОтветитьУдалить
  7. Анонимный14/5/09 17:57

    Человек выделился из животного мира не только благодаря интересу к окружающему его миру (этот интерес имеется и у животных), а в основном благодаря познанию законов Природы и лишь затем использованию (причем далеко не всегда) понятого им непосредственно на практике.
    Поэтому лишь можно порекомендовать, чтобы сомневающиеся в необходимости познания законов Природы, перестали использовать эти никчемные достижения цивилизации и вернулись туда, где этих проблем и затрат нет. Если гражданин не понимает основ своего существования как человека, то пускай возвращается в более понятную ему среду обитания. Пока они еще есть на Земле и попробует свои недюжинные силы там.

    ОтветитьУдалить
  8. Анонимный14/5/09 23:12

    Ну, не знаю... Мне не очень понравилось. С научной т. зрения Вы явно сузили прикладное значение ФЭЧ; она получается здесь как некий придаток других областей, которые могут заимствовать мат. аппарат оттуда. И это главное? А с практической -- мне кажется, обывателю трудно понять про все эти переносы идей, уж точно это практической пользой ему не покажется. Может лучше говорить про поиск "новых источников энергии", или "новых свойств пространства-времени". Я думаю, с одной стороны, такие слова для обывателя понятнее и, с другой стороны, не очень сужает истинной цели фундаментальной науки, то есть мы не сильно утрируем, когда обывателю объясняем. А если скажут -- это чересчур абстрактно, то можно напомнить пример (ставший уже классикой жанра) о том, как лет сто назад некий Максвелл писал странные для того времени абстрактные уравнения, практическую значимость которых сегодня трудно переоценить.
    Виталий

    ОтветитьУдалить
  9. В продолжение поста: «Человек выделился из животного мира не только благодаря интересу к окружающему его миру …» для понимания «сомневающимся» можно попытаться донести следующее:
    Разные есть представления о том «единственны ли мы во Вселенной». Но нельзя исключать, что в определенный момент цивилизации (подобные нашей) погибают. Тогда главный вопрос, который стоит перед человечеством: какова наиболее вероятная причина их гибели?
    На этот вопрос и должна ответить наука (в том числе и ФЭЧ).

    P.S. Игорь. Вас эта тема интересует давно, если не ошибаюсь. Тем более, что она затрагивает то, чем Вы занимаетесь. Может попытаетесь объединить эти разрозненные мысли разных людей в нечто единое и логически последовательное.
    Поскольку, к сожалению, «первый звонок» уже есть:
    Ситуация с выходом Австрии из состава ЦЕРНа остается неопределенной
    http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111#n431081

    P.S.P.S. И обидно будет, что столько усилий и коту …

    ОтветитьУдалить
  10. анонимному комментатору: мне кажется, вы искажаете проблему. Люди не спорят, что наука приносит много пользы -- ведь примеры у всех перед глазами. Люди спорят, что не приносит пользу фундаментальная наука, т.е. та, которая ориентирована на изучение законов природы, а не на практические приложения. Да, фундаментальная наука как раз и является основой прикладной, но убедить в этом намного труднее.

    Виталию:

    > Может лучше говорить про поиск "новых источников энергии", или "новых свойств пространства-времени"А вот это будет самый настоящий обман, потому что никаких новых источников энергии и никаких новых способов использования пространства-времени ФЭЧ не сулит, по крайней мере в ближайшие десятилетия или даже столетия. Это ни в коей мере не является ничьей мотивацией.

    Да, обывателю трудно понять про перенос идей, но что ж поделать, надо объяснять. Этим моментом все пренебрегают, и получается зияющая дыра в понимании обществом того, как работает наука.

    to Alextos: наука (и в частности ФЭЧ) вовсе не обязана отвечать на все вопросы, в том числе и касающиеся причин гибели внеземных цивилизаций.

    А за усилия не беспокойтесь (не знаю, правда, что именно вас беспокоит).

    ОтветитьУдалить
  11. Анонимный17/5/09 01:52

    Вы просто говорите о *сегодняшнем* прикладном значении ФЭЧ (или фундаментальной науки). Ну а я попытался сказать, что обывателю, возможно, будет интереснее зажечь глаза будущими (хоть и неясными) перспективами. И в *этом* аспекте Вы очень обобщаете, когда говорите, что "ФЭЧ не сулит" и "не является мотивацией". Ясно, что у создателей квантовой механики была своя, весьма специфическая мотивация, но атомная энергетика все-таки реальность...
    Виталий

    ОтветитьУдалить
  12. Анонимный17/5/09 09:16

    Любая деятельность человека, направлена на удовлетворение какойто потребности тогоже человека. Фундаментальная наука, удовлетворяет одну из фундаментальных потребностей человека, любопытство, желание познания. Чтобы не говорили ученные о практической важности Ф.Н. реально ими движет любопытство. Может вы не знаете, какой это кайф узнавать что то новое. Когда каждая клеточка вашего мозга наполняеться, смыслом, энергией. Так вот у меня вопрос к тем господам, которые ищут пользу Ф.Н. "Если вам совершенно не интересен мир в котором вы живете, то какая польза от вашей жизни?"

    ОтветитьУдалить
  13. "Так вот у меня вопрос к тем господам, которые ищут пользу Ф.Н. "Если вам совершенно не интересен мир в котором вы живете, то какая польза от вашей жизни?""
    Можно мне, заводскому слесарю ответить?
    Ваша попытка противопоставить "любопытство, желание познания" и интерес к миру в котором живут, выглядит как оффтоп, это мягко говоря. И что за вопрос "какая польза от вашей жизни?" Вы вообще из какого отдела товарищ?

    ОтветитьУдалить
  14. Отрицаниие всякой фундаментальной работы чем-то напоминает не только басню ивана андреевича , но чем ,то Royal academy of Science образца 19 века. Там тоже все думали, что в физике сделаны целые числа ,остались только цифры после запятой. Но 20 век показал насколькоо они были "правы"))) Потому мы никогда не можем знать ,что нас ждет в исследованиях. Но тот факт, что к чему -то мы да придем должен не вызывать сомнений.
    В качестве еще одного примера могу предложить моего лектора Виктора Веселаго. Этот человек в свое время тоже занимался абсолютно ненужной "ерундой" ходил и утверждал ,что E!=m*c^2 ,а E=m*c(фазовая)*с(групповое). В этом году он неполучил нобеля за отстутсвие экспериментального потверждения ( а его не было за неимением денег) . Но американцы прочитали все его исследования про световое прятяжение , про среды с показателем преломления меньше нуля и сделали шапку невидимку в микроволновом диапазоне)

    ОтветитьУдалить