Золотая медаль им. Л.Д.Ландау за выдающийся научный вклад в теоретическую и математическую физику присуждается Российской академией наук раз в пять лет. Лауреатом 2023 года стал член-корреспондент РАН Александр Белавин. Автор фундаментальных научных результатов, в значительной степени определивших состояние современной квантовой теории поля и теории Суперструн, работает в Институте теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН и преподает на Кафедре квантовой теории поля, теории струн и математической физики МФТИ.

Какие свои работы сам ученый считает главными, что такое теорема Белавина-Книжника и кто помог горьковскому студенту стать физиком-теоретиком мирового уровня – в интервью Александра Белавина сайту и телеграм-каналу РАН @rasofficial.

Александр Абрамович, поздравляем Вас с наградой, которой Академия отметила значение более 130 Ваших научных работ. Но начать хотелось бы с самого актуального. Над чем Вы работаете сейчас?

Сейчас я занимаюсь точно решаемыми моделями теории суперструн (теория суперструн рассматривает элементарные частицы не как точечные - нольмерные, а как одномерные квантовые объекты – струны, которые вибрируют и в разных состояниях интерпретируются как разные частицы – Ред.). В частности, я занимаюсь компактификацией теории суперструн. Что это такое? Скажу в двух словах.

В основе т.н. Стандартной модели сильных, электромагнитных и слабых взаимодействий лежит локальная калибровочная симметрия с группой SU(3)хSU(2)хU(1). Мультиплеты глюонов, векторных бозонов с фотоном, как и кварков с лептонами, строятся по специальным представлениям этой группы. Однако Стандартная модель, описывая замечательно точно сильные, электромагнитные и слабые взаимодействия кварков и лептонов, не включает четвертое взаимодействие - квантовую гравитацию.

Единственный вариант (пока не подтвержденный, но и не отвергнутый экспериментом) объединения Стандартной модели и квантовой гравитации – это модель суперструн. В основе ее лежит идея замены аксиомы о фундаментальном объекте. Им является 1-мерный объект - струна, вместо 0-мерного – точечной частицы. А также идея компактификации шести из десяти измерений на 6-мерные многообразия Калаби-Яу.

Построить теорию, удовлетворяющую всем требованиям самосогласованности, удается в 10-мерном рространстве-времени. А наше пространство-время, как мы думаем, как мы знаем по своему опыту, является 4-мерным: три пространственных измерения и время. В теории струн пространственных измерений девять, и шесть из них являются компактными, маленькими. Их не видно невооружённым глазом, на ускорителях мы их тоже не очень скоро сможем «нащупать», но это не значит, что они не проявляются в своих физических последствиях.

Кроме того, чтобы построить правильную теорию, нужно предположить, что это 6-мерное компактное пространство является многообразием специального типа, а именно, многообразием Калаби–Яу.

Такой вариант компактификации необходим для решения двух проблем. А именно, для решения проблемы калибровочной иерархии, заключающейся в огромной разнице двух важных величин: массы бозона Хиггса, которая имеет порядок 10^2 Gev, и массы Планка, характеризующей эффекты квантовой гравитации, имеющей порядок 10^19 Gev. А также для объяснения право-левой асимметрии слабых взаимодействий. Для решения первой проблемы необходимо наличие суперсимметрии, а для решения второй надо, чтобы это была N=1 суперсимметрия (а не N>1). Необходимыми для решения этих двух проблем свойствами обладают лишь 6-мерные специальные многообразия Калаби-Яу.

В представлении Отделения физики РАН перечислено много ваших работ за более, чем полвека научных поисков. Что вы сами считаете наиболее важными результатами прошлых десятилетий?

Расскажу про два результата, которые, возможно, имелись в виду коллегами. Первое – это открытие инстантонов в так называемой калибровочной квантовой теории, работа 1975 года. Постараюсь понятно объяснить. Современная теория, которая описывает фундаментальное устройство микромира, говорит о том, что все известные элементарные частицы – протоны, нейтроны и другие экспериментально наблюдаемые – состоят из кварков и лептонов. Последних небольшое количество: 6 кварков и 6 лептонов, те и другие объединены в три пары, которые называются поколениями. Из u- и d-кварков первого поколения состоит весь окружающий нас мир и мы сами. Нуклоны – протоны и нейтроны атомного ядра – состоят, каждый, из трех кварков этого первого поколения. Так вот, силы, которые их держат, заставляют притягиваться между собой и в результате взаимодействия образовывать эти частицы, описываются как раз неабелевой калибровочной квантовой теорией поля, которая была открыта около 70 лет назад.

Под полем понимаются поля, которые участвуют во взаимодействии элементарных частиц: электромагнитное, гравитационное и еще два поля, которые отвечают за сильное и слабое взаимодействие. Стандартная модель, теория, которая исходя из первых принципов, прежде всего принципов симметрии, специальной теории относительности и калибровочной инвариантности, очень красивым и однозначным способом объясняет то, как все устроено.

Но есть такая проблема. Обычные частицы (протон, нейтрон и электрон) могут поодиночке «рождаться» при столкновении ядер на ускорителях. Они оставляют следы и про них все известно: масса, электрические заряды. А вот кварки, о которых мы сейчас говорим и из которых – мы уверены – состоят протоны и нейтроны, мы не видим, они не «рождаются». Это явление называется конфайнмент кварков. Разбить в коллайдере два сталкивающихся протона и получить составляющие их кварки не удается, хотя они там есть. Эта невозможность разбить на «видимые» косвенным образом составляющие, про свойства которых мы знаем (такие как заряд, масса и т.д.), и называется конфайнментом.

Это явление нужно было объяснить. Инстантоны – это специальные конфигурации неабелевых калибровочных полей, которые и обеспечивают конфайнмент кварков. Они были открыты в нашей работе с А.М. Поляковым, А.С. Шварцем и Ю.С. Тюпкиным в поиске явления, которое противодействует нарушению локальной калибровочной симметрии, благодаря которой существует конфайнмент. Они (инстантоны) являются решениями т.н. уравнений самодуальности в теории Янга-Миллса, которые были также открыты в этой работе.

Еще одна Ваша работа вошла в учебники по теории струн и, считается, что в значительное мере определила ее (теории струн) дальнейшее развитие в последующие десятилетия. В чем именно вы с коллегами дополнили теорию струн?

Теория струн возникла в некоторой степени случайно при попытке построить феноменологическую теорию рассеяния сильно взаимодействующих частиц, которая связана с теорией дуальных моделей – собственно, из нее она по ходу дела родилась. Чтобы теория стала согласованной, она должна обладать специальной симметрией, а именно симметрией относительно алгебры Вирасоро. В результате выполнения этого требования в теории возникают частицы с массой 0 и спином 2. А как раз этими свойствами обладает гравитон, квант гравитационного поля. Джон Шварц и Жоэль Шерк (авторы теории бозонных струн – Ред.), заметив это, предположили, что описывающая феноменологически сильное взаимодействие теория на самом деле может быть «теорией Всего», включая квантовую гравитацию. Таким образом родилась теория струн.

При последующем развитии теории струн оказались важными в т.ч. результаты нашей с коллегами Александром Поляковым и Александром Замолодчиковым работы, в которой были построены основы двухмерной конформной теории поля, поскольку любой вариант теории струн является специальным случаем конформной теории поля.

Кроме сказанного я хотел бы упомянуть по крайне мере еще две свои работы. Одна из них – с математиком Владимиром Дринфельдом (лауреат Филдсовской премии 1990 г., работает в США – Ред.). Она посвящена классификации решений уравнений Янга-Бакстера и явного нахождения этих решений. А другая работа – с молодым физиком Вадимом Книжником, который очень рано от нас ушел (к.ф.-м.н. В.Г. Книжник работал в ИТФ и умер в возрасте 25 лет – Ред.). В ней была получена т.н. теорема Белавина-Книжника – утверждение об аналитических свойствах амплитуд рассеяния в теории струн. Эта теорема позволяет однозначно определить многопетлевые амплитуды в теории струн.

Вы начинали учиться в университете в Нижнем Новгороде, тогда Горьком, на радиофизическом факультете. Что или кто вдохновил Вас изменить, как сейчас принято говорить, «образовательную траекторию»?

Да, я проучился три с половиной года на радиофизическом факультете в Горьковском университете. К нам туда приезжали ученые из Москвы из ФИАНа: И.Е. Тамм, В.Л. Гинзбург и Е.Л. Фейнберг. Они выступали с доступными и очень интересными лекциями на научные темы. Кстати, Игорь Евгеньевич рассказывал в своей лекции не о физике, а о генетике. Запрет на генетику был как раз в то время отменен именно благодаря активным действия Тамма и ряда других физиков. И Тамм считал актуальным о ней рассказать студентам-физикам. Большую роль в моей жизни сыграл Евгений Львович Фейнберг. Он как раз рассказывал нам о физике элементарных частиц, и я почувствовал, что это «моё».

А лекции у нас на курсе читал профессор Горьковского университета, замечательный ученый, педагог, писатель и человек Михаил Адольфович Миллер. Я попросил Миллера спросить Фейнберга, где можно получить образование по физике элементарных частиц. Евгений Львович сказал Миллеру, что «этому учат в МФТИ и в МИФИ, но в МИФИ учат лучше». И после разрешения некоторых проблем (произошло это снова благодаря Миллеру, который попросил помочь мне академика Михаила Александровича Леонтовича), я перевелся из Горьковского университета в Москву в МИФИ на Факультет экспериментальной и теоретической физики на кафедру теоретической ядерной физики (ТЯФ).

В частности, лекции по физике элементарных частиц в МИФИ нам читал замечательный физик Исаак Яковлевич Померанчук, который одновременно руководил Теоретическим отделом в Институте теоретической и экспериментальной физики. У нашей кафедры в МИФИ была тесная связь с ИТЭФ – это был главный в CCCР исследовательский институт, который занимался ядерными исследованиями и физикой элементарных частиц. И я уже с четвертого курса стал ходить в ИТЭФ на семинары и лекции. Привел меня в ИТЭФ и рекомендовал Льву Борисовичу Окуню наш преподаватель квантовой механики в МИФИ Евгений Дмитриевич Жижин, за что я ему очень благодарен.

Это был 1965-67 г.г. Моим научным руководителем в это время стал Михаил Васильевич Терентьев, а после моего поступления в аспирантуру ИТЭФ – Игорь Юрьевич Кобзарев – замечательные физики-теоретики. Все они – мои учителя, как и Лев Борисович Окунь, Владимир Наумович Грибов и Карен Аветович Тер-Мартиросян. Я им очень благодарен, как и своим коллегам – Александру Полякову, Льву Липатову, Александру Замолодчикову, Алексею Замолодчикову, Владимиру Фатееву, Владимиру Захарову, Владимиру Дринфельду, Борису Фейгину, Вадиму Книжнику, Александру Бейлинсону, Алексею Литвинову, а также многим другим коллегам. Взаимодействие с ними было очень важно.

Беседовала Ольга Калантарова.

Фото: Наталия Демина, «Правмир».