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?