Страница:
Уравнение, которое написано посредине, это первое нелинейное уравнение, которое было до конца проинтегрировано. Я здесь немножко огрубляю, но будем считать, что это – первое нелинейное дифференциальное уравнение, которое полностью проинтегрировано. Такие уравнения называются вполне интегрируемыми. Это был очень большой прорыв в математике, люди обрадовались, что они наконец могут осилить кое-какие нелинейные уравнения. Но если вы это уравнение чуть-чуть измените… Внизу показан пример, как можно изменить это уравнение. Оно тоже нелинейное, тоже на вид очень простенькое, почти не отличается от первого на вид, но оно уже не интегрируемое. И, в общем-то, мы по-настоящему не знаем, как изучать его решения. Кое-что мы можем сказать, но, в общем, здесь больше мрака, чем света.
Теперь давайте посмотрим на следующее уравнение. Видите, там сверху написано уравнение плазмы внутри установки «ТОКАМАК», где пытались и пытаются осуществить термоядерный синтез. Видите, насколько оно сложнее, чем те, которые были написаны раньше. Тем не менее, кое-что мы, используя некоторые новые методы, можем о нем узнать. На картинке вы видите плазменный жгут внутри «ТОКАМАКа». Его нельзя увидеть ни глазами, ни с помощью самых точных физических приборов, но математически его можно увидеть.
Покажите, пожалуйста, следующие слайды. Это срезы плазменных жгутов. Посмотрите, какие они красивые и разнообразные по форме. Они показывают, что плазма неустойчива. Вот решение с двумя лепестками, а вот с тремя. Если вы чуть-чуть измените некие параметры, например, как ток бежит по катушке, вы получите картинку с тремя лепестками. Это, как говорится, легким мановением пальца можно сделать, поскольку здесь присутствует нестабильность. В этом трудность получения термоядерного синтеза. Плазма страшно нестабильна, плазменный шнур должен находиться точно в центре и не касаться стенок. Так вот, эти нелинейные вещи в принципе можно увидеть глазами математики. Если бы мы научились это делать, мы бы сделали потрясающий шаг вперед, потому что математика стоит очень мало. Мой добрый друг Анатолий Моисеевич Вершик из Петербурга подсчитал, что стоимость одного танка выше, чем содержание всей российской математики в течение года. Теперь представляете, вложить в математику 10 танков, и мы бы научились решать нелинейные дифференциальные уравнения.
А.Г. Но есть прямо пропорциональная зависимость между количеством денег, которые в математику идут, и качеством.
А.В. Нет, нужно еще людей подбирать. Но у нас люди пока есть, а денег пока нет.
Вот как обстоят дела с нелинейными уравнениями. Здесь я выйду за пределы математики и займусь социальными вопросами, касающимися математики. Простейшие соображения показывают, что будь все так, как хотелось бы, мы бы сейчас, скажем, не имели бы энергетических проблем. Так вот, несмотря на это, и другие суперважные вещи математики ХХ века почти не занимались нелинейными дифференциальными уравнениями. Причина в том, что мода такова была.
В математике были предложены простые методы, я их только назову за недостатком времени – это методы функционального анализа, с помощью которых решают линейные уравнения. И там был достигнут большой прогресс. Но эти методы просто ни в какую дверь не влезают, когда нужно заниматься нелинейными уравнениями. Поэтому этими методами ничего нелинейного не было решено. Но под влиянием моды и авторитета таких людей, как Гильберт, Джон фон Нойман, эти методы были объявлены математической основой квантовой механики. Это примерно то же самое, что влияние Аристотеля на развитие физики – прошла тысяча лет, и только потом кое-как Галилею удалось сдвинуть дело с мертвой точки. Ситуация в квантовой физике просто точно такая же. Эти линейные методы являются сегодня тормозом развития как нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, так и квантовой физики. И настоящие физики это чувствуют. Дирак, который был физиком и видел физику вне тех или иных математических формализаций, однажды произнес замечательные слова: «Взаимодействия в квантовой теории поля настолько сильны, что они вышибают вектор состояния из гильбертова пространства в минимально короткое время». Хотя, может быть, только специалисты могут понять силу иронии, заключенной в этих словах. Гильбертово пространство – это база всех методов, которые основаны на авторитете Гильберта, Джон фон Ноймана и многих других великих математиков. Но тут всегда есть обратная сторона.
Это – коротко про нелинейные дифференциальные уравнения. Суть проблем, которые возникают в нелинейных дифференциальных уравнениях и в квантовой физике, с точки зрения такой языковой философии различна. Мы твердо знаем, что нелинейные дифференциальные уравнения мы можем изучить, развив язык классического дифференциального уравнения. А вот с квантовой физикой дело обстоит, по-видимому, гораздо более серьезно.
Но и на общем уровне, если вы прониклись такой философией языка, это понять легко. Механика, то есть физика ХVII века, родилась вместе со своим языком, дифференциальным исчислением. Тут трудно сказать, где курица, где яйцо, они тащили друг друга – язык, математика и физика (в те годы механика). А потом случилась такая вещь: физиками были открыты квантовые явления. И физики, а потом математики пытались их понять. Когда человек пытается что-то понять, он использует свой язык. Математики и физики стали глядеть по сторонам: какую математику тут можно использовать?
И, в частности, сам Джон фон Нойман поглядел-поглядел по сторонам и обратил внимание, что модно и, в общем, довольно элегантно математически использовать язык гильбертовых пространств (это такая «линеаризация»). Я могу на простом языке объяснить, что значит гильбертово пространство для решений линейных дифференциальных уравнений. Это точный аналог большевистского или нацистского лагеря. В принципе, всякое решение нелинейного дифференциального уравнения – сугубо индивидуально. Разные течения воды, например, имеют невидимую математическую структуру, скажем, они обладают конформной метрикой. Может быть, вы слышали этот термин в передачах, связанных с общей теорией относительности. Но это очень трудно заметить и не все это видят. А решения линейных уравнений в этом смысле все одинаковы. Там нет индивидуальности. Поэтому им можно дать «лагерный номер» – это называется «нормой» в математике. И все. В этом ужас ситуации: как все концлагеря одинаковы, так и, как математики говорят, все гильбертовы пространства изоморфны. И поэтому если пытаться «по Гильберту» описывать воду или плазму, такие разные вещи, то получится один и тот же концлагерь. Это простое обращение к повседневной жизни показывает, почему язык гильбертовых пространств, линейных топологических пространств, здесь никак не годится. Нужен новый язык.
Спрашивается, как и где этот язык искать. Я сейчас сделаю шокирующее заявление, но потом попячусь назад. Я вам должен сказать, что сейчас социальная ситуация в мире математики такова, что профессора математики и, прежде всего, те, которые занимаются дифференциальными уравнениями, на самом деле не знают, что это такое. И не потому что они глупые – я хочу сказать другое, я хочу подчеркнуть социо-культурный аспект ситуации. Доказать же это очень просто. Если есть студенты, которые смотрят эту передачу, то любой из них может подойти к своему профессору и спросить: а что такое симметрии дифференциального уравнения? Некоторые профессора вообще не ответят, некоторые скажут: это, как в алгебре, замена переменных, которые не меняют форму уравнения. Этот ответ неправильный. И тогда студент может позвонить в вашу редакцию, и таким образом можно провести некий социальный опрос.
Почему это доказывает, что математики не знают, что такое дифференциальное уравнение? Когда вы имеете четкое представление о каком-то объекте, то… Например, вот круг, он симметричен относительно этого диаметра или этого другого диаметра. А кроме того, его можно вращать, это тоже симметрия. Значит, если вы ясно видите объект, то ясно представляете, каковы его симметрии, то есть такие преобразования, которые его как бы накладывают на себя. Если вы повернете круг, вы не заметите, что что-то изменилось. Вот вы посмотрите на круг, потом отойдете, а я его поверну. Когда вы вернетесь, вы не заметите, что что-то произошло. Это идея симметрии, которая сейчас очень широко используется в физике. В частности, если рассматривать две элементарные частицы, нельзя сказать – где Маша, а где Таня, они близнецы, которых нельзя различить.
Такова ситуация в математике, таково влияние моды, которое нужно преодолевать.
Я хочу сейчас перескочить к квантовой физике, раз уж мы стали об этом говорить. Итак, мы подозреваем, что нужен новый язык. Но как его отыскать? Природа нам тихим голосом дает наводящие указания – и математика тоже. Если мы себе признаемся честно: «я не знаю, что такое дифференциальное уравнение», значит, нужно КОНЦЕПТУАЛЬНО определить, что это такое, и нужны какие-то критерии того, что я действительно это знаю. Например, если я точно знаю что такое дифференциальное уравнение, то я могу точно сказать, что такое его симметрии.
Я раньше вам показал не дифференциальные уравнения, а их запись, как бы их паспорта. Паспорт расскажет бюрократу много полезных вещей, но сути владельца он не раскроет. И точно так же, по этой записи вы мало что узнаете о дифференциальных уравнениях. Но вернемся к языку. Если вы спросите обычного математика, я имею в виду не специалиста по дифференциальным уравнениям, какие он знает дифференциальные уравнения, то нормальный математик вам скажет, что уравнения бывают (я немножко огрубляю) эллиптические, гиперболические и параболические. И больше ничего. Это тоже показывает, что на самом деле мы не знаем, что такое дифференциальное уравнение. И понять это можно, попытавшись нарисовать его портрет.
Когда мы изучаем алгебру, мы рисуем графики функций. Скажем, геометрический образ уравнения «икс квадрат плюс игрек квадрат равняется единице» есть окружность. Это то, чему учат в старших классах школы. Это соответствие между алгеброй и геометрией можно использовать в двух направлениях – можно с помощью алгебры выводить свойства геометрических фигур и, наоборот, глядя на геометрический образ, понять, как решить алгебраическую проблему. Например, великую теорему Ферма, которая столько шума наделала, именно так и решили – создали, это был длительный процесс, геометрию, которая позволяла придти к решению.
Так вот, сейчас мы знаем, как найти геометрический портрет (аналогичный портрету алгебраического уравнения) уравнения в частных производных. Это вещь, которую я не могу попробовать здесь описать. Это нечто нестандартно бесконечномерное, и даже некоторые математики перед этим образом теряют психологическое равновесие. Сейчас даже идет полемика. Некоторые считают, что все это нужно рассматривать на конечном уровне, не на бесконечном. Но это пройдет, потому что это уже позволило решить ряд очень важных задач.
И вот когда мы увидели этот бесконечномерный объект, мы увидели там особое дифференциальное исчисление. Этот объект, если воспользоваться современным языком, – со многими «прибабахами», и эти «прибабахи» называются геометрическими структурами. Стандартное дифференциальное исчисление, которое уважает эти структуры, это – ВТОРИЧНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ. И что меня радует – это то, что новый язык для квантовой теории поля родился сам собой, естественно. Это вторичное дифференциальное исчисление очень хорошо вписывается в проблематику квантовой теории поля.
Например, траектория вторичного векторного поля, это не обычная кривая, а такая, которая удовлетворяет «принципу неопределенности». Она, вообще говоря, не существует, существует виртуально. Но когда мы ее загоним в ящик, как говорят физики, тогда она станет вполне определенной.
Кроме того, в последние годы были наблюдены поразительные совпадения. Физики пытались своими методами прояснить некоторые темные места квантовой теории поля. Мы же размышляли над «дурацкой проблемой» о том, что такое дифференциальные уравнения. Потом совершенно независимо обнаружили, что результаты физиков – это элементы уже «нашей» готовой теории. Мы даже и не думали, что это как-то связано с квантовой физикой. Речь идет, я скажу специалистам, об «антиполях», о «духах» и т.п. Кстати, это научный термин – «дух», ghost. Этот термин сами физики выдумали, в физике есть другие мистические слова – аномалия, перенормировка и так далее. Они указывают на то, что сам этот язык ненормален. Это на самом деле, я бы сказал так, полублатной язык. Физикам просто уже не хватает слов, чтобы объяснить происходящее.
Я сейчас абсолютно уверен, что ВТОРИЧНОЕ дифференциальное уравнение превратит квантовую физику в точную науку в том же смысле, каковой является классическая физика, благодаря языку «первичных» дифференциальных уравнений.
Вот, пожалуй, главное, что я хотел сказать. И еще хочу отметить, что вторичное дифференциальное уравнение – это язык очень интересный. Покажите мне, пожалуйста, картинку 12. Что общего у квантовой теории поля с этой картинкой? Сейчас я вам расскажу, что такое алгебраическая топология. Алгебраическая топология, если сказать попросту, это «исчисление дыр». На этом рисунке между точками А и B есть нульмерная дыра. Чтобы соединить точки А и B вы должны построить одномерный мост. При этом можно исчислять дырки. Вы мост переходите в одном направлении, поэтому дыра, как говорят математики, ориентирована. На этом чертеже показано, как можно складывать дырки. Если вы дырку А–B сложите с дыркой B–С – получите дырку С–А. Это теория нульмерных дырок.
Пожалуйста, следующий слайд. На этом торе я поясню вам теорию одномерных дырок. На верхнем торе вы видите две одномерных дырки. У одной край – красная линия, у другой – зеленая линия. Почему это дырка? Потому что, скажем, красный контур вы не можете стянуть в точку, двигаясь только по поверхности тора. Дырки можно складывать. Что значит, прибавить красную дырку саму к себе? Это значит два раза обойти ее в нужном направлении. А если вы возьмете трехкратную красную дырку и двукратную зеленую и сложите их, получится красивый трилистник на поверхности тора.
Так вот, бывают дырки двумерные, n-мерные, любой размерности. Это называется гомологиями. А функции на дырках являются когомологиями. Топологическую форму тела, если не принимать во внимание ее метрические размеры, можно довольно точно описать, сказав, какие дырки имеются и какой размерности. Этими данными можно описать топологию многомерной поверхности или, как мы говорим, многообразия.
А теперь давайте перейдем к нелинейным дифференциальным уравнениям и квантовой физике. Так вот, функции на дырках называются когомологиями. И если вы возьмете пластинку из какого-то металла и начнете ее сгибать, вы можете себе представить, что там образуются инфинитезимальные дырки. В зависимости от материала эти инфинитезимальные дырки будут разной формы, и они, эти дырки, описываются когомологиями типа Спенсера. Язык вторичного дифференциального исчисления когомологичен: он исчисляет эти инфинитезимальные дырки. Тут есть чему удивиться: элементарные частицы и исчисление бесконечно малых дыр!?
Теперь представьте себе, что я вам это рассказал, и вы что-то почувствовали. И теперь на этой базе мы начнем развивать точную науку? Не получится. Нужна все-таки очень аккуратная формализация. Нужно создать язык, сделать из него исчисление. Замечательно, что если мы будем рассматривать один аспект проблемы, получится язык для нелинейных уравнений. А если другой, так сказать, «социальный» аспект – это будет квантовая физика.
А.Г. У этого нового языка есть название?
А.В. Вторичное дифференциальное исчисление. А та небольшая часть физики, где он только-только начал использоваться, сейчас называется когомологической физикой. Но пока еще только очень ограниченное число людей это знает и над этим работает.
В оставшееся время я хотел бы попросить показать 14-й слайд. Я вам хочу задать вопрос: вы хорошо видите эти два текста?
А.Г. Вижу.
А.В. Представьте, что вы археолог, и раскапываете какую-то цивилизацию. Раскопали две плиты и видите письмена. Эти письмена принадлежат одной и той же цивилизации, но одна из них более архаична, другая – менее. По-вашему, какой из этих двух текстов более архаичен? Правый или левый?
А.Г. Правый.
А.В. Вы мне доставили большое удовольствие. Потому что правый текст написан на языке гильбертовых пространств, а левый – это язык вторичного дифференциального исчисления. Интересно, какое мнение будет у зрителей? Правда, я немножко поспешил, объявив ответ.
А.Г. Ну, у них было время, пока я решал, какая из этих частей мне кажется более архаичной. А вот наше время уже закончилось, к сожалению. Спасибо. Если я и не понял до конца, что вы хотели сказать, то, по крайней мере, почувствовал.
А.В. Это была моя цель. Спасибо.
Синхротронное излучение
Участники:
Михайлин Виталий Васильевич – доктор физико-математических наук
Халилов Владислав Рустемович – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: …во-первых, мне очень понравилось определение «светящийся электрон». А во-вторых, сама история открытия увлекательна. Расскажите, если можно, с самого начала.
Виталий Михайлин: Начинается все с работы Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчука 1944 года. В книге Д. Гамова «Моя мировая линия» приведены воспоминания Д. Иваненко о научной жизни того времени и о том, как они с И. Померанчуком пришли к идее синхротронного излучения. Хотя так оно тогда не называлось. Как раз в это время в Америке построили первые синхротроны. А на научном семинаре, который проходил в Московском университете, обсуждалась проблема ограничения энергии в бетатроне – доходили до какого-то предела и не могли дальше ускорить. И Иваненко, и Померанчук на одном из семинаров (так он пишет в воспоминаниях) пришли к выводу, что это ограничение возникает за счет того, что происходят очень большие потери на излучение. И в первой работе они показали, что эти потери пропорциональны энергии в четвертой степени. Причем, многие известные физики возражали и говорили, что это излучение должно было бы гаситься. Но Иваненко и Померанчук решились и опубликовали свои результаты в «Физрэв» и в наших «Докладах Академии наук». Статья эта называлась «О максимальной энергии, достижимой в бетатроне», и в ней они показали, что потери пропорциональны энергии ускоренного электрона, а вот где это излучение, в какой спектральной области, они не написали.
А дальше получилось очень интересно. Американцы тут же отреагировали и стали искать это излучение. Блюит стал искать его в микроволновой области. Потом будет ясно, что это был неверный путь. Он косвенно показал, что эти потери есть, орбита схлопывалась в бетатроне, но прямого излучения он не видел. А прямое излучение увидели в 1947 году, на одном из первых синхротронов фирмы «Дженерал электрик». Синхротрон от бетатрона отличается тем, что бетатрон – индукционная машина, магнитное поле и несущее и ускоряющее – как в трансформаторе. А в синхротроне поворотные магниты расположены по кольцу, где электроны поворачивают, там они и стоят. И вот инженер Флойд Хабер проводил профилактику. Камера стеклянная, внутри она покрыта аквадагом, чтобы заряд стекал. В одном месте этот аквадаг счистили (это сделал Флойд Хабер, молодой инженер, к сожалению, дальше я не нашел его следов в литературе), и он видит это яркое излучение.
А.Г. В оптическом диапазоне?
В.М. В оптическом диапазоне. Машина маленькая, мы ее потом покажем. Причем, это было яркое голубоватое свечение. Я много раз наблюдал это излучение, на разных машинах, оно производит фантастическое впечатление. Ну, а дальше он пригласил своих коллег, он был в группе Поллака. Это было 24 апреля 1947 года. Мне легко запомнить, мне как раз 12 лет исполнилось.
Вообще Иваненко и Померанчук называли этот эффект – «светящийся электрон», а тут его на синхротроне увидели. Если бы это излучение увидели на бетатроне, может быть, оно бы называлось «бетатронным», а так стали называть «синхротронным». А дальше, поскольку эффект колоссальный, речь пошла о Нобелевской премии. Бесспорными были два человека – Иваненко и Померанчук, нужен был третий. Спор пошел между Поллаком и Блюитом, забыли про Хабера, этого мальчика, который мог бы быть третьим. Пока обсуждали, Померанчук умер, а посмертно Нобелевские премии не дают. Потом мы вернемся и посмотрим, как Флойд Хабер наблюдает это излучение. А сейчас взглянем на эту карту. Во всем мире сейчас около 80 центров синхротронного излучения. Это очень дорогие установки. Курчатовский источник синхротронного излучения стоил около 70 миллионов долларов, а 100 миллионов долларов дают на всю Академию наук, то есть это сложные, дорогие установки. И вот взгляните, на Россию. В Москве – пять источников СИ. Первый – на 250 МэВ Векслеровский в Институте ядерных исследований, он сейчас законсервирован, но его можно включить в любую минуту. В ФИАНе две машины: одна работает с 1954 года, другая в Троицке под Москвой. И Курчатовский источник синхротронного излучения – из двух накопителей: малая машина работает уже 20 лет. Вторая машина на 2.5 ГэВ работает уже с 1999 года, и этот источник посещал президент.
В Новосибирске существует Сибирский международный центр синхротронного излучения с двумя накопителями, которые построили еще при Г.И. Будкере. На территории бывшего Союза есть еще одно пятнышко, это накопитель в Харькове на 100 МэВ. В Армении работал синхротрон АРУС. А вообще, взгляните на карту, в Европе, в США, только в Японии почти 20 источников, в Бразилии, в Сингапуре…
А.Г. Индия, Китай.
В.М. В Канаде к концу года запустят Канадский источник СИ. В общем, около 80 центров, в некоторых несколько машин.
Выставка «Экспо-2000» в Гамбурге проходила под девизом «Синхротронное излучение – свет будущего», в немецком варианте, а в английском – «Свет будущего тысячелетия». Но это свет не в бытовом смысле, а свет для исследования. Дело в том, что сейчас почти все эффекты, которые связаны с взаимодействием излучения с веществом, исследуются с синхротронным излучением.
А.Г. Прежде чем вы продолжите, я хотел бы, чтобы вы дали определение синхротронному излучению. Что это?
Владислав Халилов: Ради Бога. В наиболее простом определении, это излучение релятивистского (то есть движущегося со скоростью близкой к скорости света) заряда (в данном случае электрона, поскольку в синхротроне ускоряются электроны), который движется по криволинейной (круговой) траектории, и, следовательно, имеет центростремительное ускорение. Ну, в общем, с точки зрения…
А.Г. Но движется при этом в магнитном поле?
В.Х. Да, в магнитном поле. Его называют также магнитно-тормозным излучением, еще циклотронным можно назвать это излучение. Циклотронное излучение отличается от синхротронного излучения тем, что в циклотроне излучают нерелятивистские (медленно движущиеся) частицы. Синхротронное излучение – это, по существу, циклотронное излучение плюс эффект Допплера, то есть смещение длины волны, излучаемой движущимся источником в короткую область.
Несколько слов по поводу терминов, которые были употреблены, наверное, не все это знают. Бетатрон – это ускоритель, синхротрон – это тоже ускоритель. Накопитель – это накопительное кольцо, это как бы жаргон. Дело в том, что в бетатроне и синхротроне частицы ускоряются, и их цикл прохождения по траектории – очень короткий, короткое время ускорения и всё, они выбывают как источники излучения. Накопитель, это кольцо, в котором пучок электронов сохраняется в течение длительного времени на равновесной орбите – до 24 часов, до суток и даже больше. Этот пучок поддерживается на равновесной орбите благодаря тому, что там специально устроены некие короткие промежутки с переменным электрическим полем. Виталий Васильевич уже говорил, что синхротронное излучение вначале считалось вредным, потому что при излучении электрон теряет энергию. А есть тесная связь между радиусом равновесной орбиты электрона и его энергией. Когда электрон излучает, он теряет …
А.Г. Теряет энергию.
В.Х. Да, теряет энергию.
А.Г. И теряет свою орбиту.
В.Х. Да, и значит, радиус орбиты движения электрона изменяется. И ясно, так как область движения электрона не может быть слишком большой (она ограничена, скажем, стенками ускорителя или накопителя), то вследствие излучения энергия и радиус орбиты изменяются, и он выбывает из режима ускорения, падая на стенку. А вот для накопительного кольца придумали, каким образом избежать этого. В 4-х коротких прямолинейных промежутках, расположенных по орбите, ставят резонаторы с высокочастотным (переменным во времени) электрическим полем, частота которого подобрана ровно так, чтобы потери энергии электрона на излучение за один оборот были бы скомпенсированы за счёт ускорения электрона электрическим полем при прохождении этих промежутков. И за счёт этого механизма средняя энергия, а потому и радиус равновесной орбиты электрона, практически не изменяются в течение длительного времени, и пучок электронов сохраняется в кольце очень долго.
Теперь давайте посмотрим на следующее уравнение. Видите, там сверху написано уравнение плазмы внутри установки «ТОКАМАК», где пытались и пытаются осуществить термоядерный синтез. Видите, насколько оно сложнее, чем те, которые были написаны раньше. Тем не менее, кое-что мы, используя некоторые новые методы, можем о нем узнать. На картинке вы видите плазменный жгут внутри «ТОКАМАКа». Его нельзя увидеть ни глазами, ни с помощью самых точных физических приборов, но математически его можно увидеть.
Покажите, пожалуйста, следующие слайды. Это срезы плазменных жгутов. Посмотрите, какие они красивые и разнообразные по форме. Они показывают, что плазма неустойчива. Вот решение с двумя лепестками, а вот с тремя. Если вы чуть-чуть измените некие параметры, например, как ток бежит по катушке, вы получите картинку с тремя лепестками. Это, как говорится, легким мановением пальца можно сделать, поскольку здесь присутствует нестабильность. В этом трудность получения термоядерного синтеза. Плазма страшно нестабильна, плазменный шнур должен находиться точно в центре и не касаться стенок. Так вот, эти нелинейные вещи в принципе можно увидеть глазами математики. Если бы мы научились это делать, мы бы сделали потрясающий шаг вперед, потому что математика стоит очень мало. Мой добрый друг Анатолий Моисеевич Вершик из Петербурга подсчитал, что стоимость одного танка выше, чем содержание всей российской математики в течение года. Теперь представляете, вложить в математику 10 танков, и мы бы научились решать нелинейные дифференциальные уравнения.
А.Г. Но есть прямо пропорциональная зависимость между количеством денег, которые в математику идут, и качеством.
А.В. Нет, нужно еще людей подбирать. Но у нас люди пока есть, а денег пока нет.
Вот как обстоят дела с нелинейными уравнениями. Здесь я выйду за пределы математики и займусь социальными вопросами, касающимися математики. Простейшие соображения показывают, что будь все так, как хотелось бы, мы бы сейчас, скажем, не имели бы энергетических проблем. Так вот, несмотря на это, и другие суперважные вещи математики ХХ века почти не занимались нелинейными дифференциальными уравнениями. Причина в том, что мода такова была.
В математике были предложены простые методы, я их только назову за недостатком времени – это методы функционального анализа, с помощью которых решают линейные уравнения. И там был достигнут большой прогресс. Но эти методы просто ни в какую дверь не влезают, когда нужно заниматься нелинейными уравнениями. Поэтому этими методами ничего нелинейного не было решено. Но под влиянием моды и авторитета таких людей, как Гильберт, Джон фон Нойман, эти методы были объявлены математической основой квантовой механики. Это примерно то же самое, что влияние Аристотеля на развитие физики – прошла тысяча лет, и только потом кое-как Галилею удалось сдвинуть дело с мертвой точки. Ситуация в квантовой физике просто точно такая же. Эти линейные методы являются сегодня тормозом развития как нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, так и квантовой физики. И настоящие физики это чувствуют. Дирак, который был физиком и видел физику вне тех или иных математических формализаций, однажды произнес замечательные слова: «Взаимодействия в квантовой теории поля настолько сильны, что они вышибают вектор состояния из гильбертова пространства в минимально короткое время». Хотя, может быть, только специалисты могут понять силу иронии, заключенной в этих словах. Гильбертово пространство – это база всех методов, которые основаны на авторитете Гильберта, Джон фон Ноймана и многих других великих математиков. Но тут всегда есть обратная сторона.
Это – коротко про нелинейные дифференциальные уравнения. Суть проблем, которые возникают в нелинейных дифференциальных уравнениях и в квантовой физике, с точки зрения такой языковой философии различна. Мы твердо знаем, что нелинейные дифференциальные уравнения мы можем изучить, развив язык классического дифференциального уравнения. А вот с квантовой физикой дело обстоит, по-видимому, гораздо более серьезно.
Но и на общем уровне, если вы прониклись такой философией языка, это понять легко. Механика, то есть физика ХVII века, родилась вместе со своим языком, дифференциальным исчислением. Тут трудно сказать, где курица, где яйцо, они тащили друг друга – язык, математика и физика (в те годы механика). А потом случилась такая вещь: физиками были открыты квантовые явления. И физики, а потом математики пытались их понять. Когда человек пытается что-то понять, он использует свой язык. Математики и физики стали глядеть по сторонам: какую математику тут можно использовать?
И, в частности, сам Джон фон Нойман поглядел-поглядел по сторонам и обратил внимание, что модно и, в общем, довольно элегантно математически использовать язык гильбертовых пространств (это такая «линеаризация»). Я могу на простом языке объяснить, что значит гильбертово пространство для решений линейных дифференциальных уравнений. Это точный аналог большевистского или нацистского лагеря. В принципе, всякое решение нелинейного дифференциального уравнения – сугубо индивидуально. Разные течения воды, например, имеют невидимую математическую структуру, скажем, они обладают конформной метрикой. Может быть, вы слышали этот термин в передачах, связанных с общей теорией относительности. Но это очень трудно заметить и не все это видят. А решения линейных уравнений в этом смысле все одинаковы. Там нет индивидуальности. Поэтому им можно дать «лагерный номер» – это называется «нормой» в математике. И все. В этом ужас ситуации: как все концлагеря одинаковы, так и, как математики говорят, все гильбертовы пространства изоморфны. И поэтому если пытаться «по Гильберту» описывать воду или плазму, такие разные вещи, то получится один и тот же концлагерь. Это простое обращение к повседневной жизни показывает, почему язык гильбертовых пространств, линейных топологических пространств, здесь никак не годится. Нужен новый язык.
Спрашивается, как и где этот язык искать. Я сейчас сделаю шокирующее заявление, но потом попячусь назад. Я вам должен сказать, что сейчас социальная ситуация в мире математики такова, что профессора математики и, прежде всего, те, которые занимаются дифференциальными уравнениями, на самом деле не знают, что это такое. И не потому что они глупые – я хочу сказать другое, я хочу подчеркнуть социо-культурный аспект ситуации. Доказать же это очень просто. Если есть студенты, которые смотрят эту передачу, то любой из них может подойти к своему профессору и спросить: а что такое симметрии дифференциального уравнения? Некоторые профессора вообще не ответят, некоторые скажут: это, как в алгебре, замена переменных, которые не меняют форму уравнения. Этот ответ неправильный. И тогда студент может позвонить в вашу редакцию, и таким образом можно провести некий социальный опрос.
Почему это доказывает, что математики не знают, что такое дифференциальное уравнение? Когда вы имеете четкое представление о каком-то объекте, то… Например, вот круг, он симметричен относительно этого диаметра или этого другого диаметра. А кроме того, его можно вращать, это тоже симметрия. Значит, если вы ясно видите объект, то ясно представляете, каковы его симметрии, то есть такие преобразования, которые его как бы накладывают на себя. Если вы повернете круг, вы не заметите, что что-то изменилось. Вот вы посмотрите на круг, потом отойдете, а я его поверну. Когда вы вернетесь, вы не заметите, что что-то произошло. Это идея симметрии, которая сейчас очень широко используется в физике. В частности, если рассматривать две элементарные частицы, нельзя сказать – где Маша, а где Таня, они близнецы, которых нельзя различить.
Такова ситуация в математике, таково влияние моды, которое нужно преодолевать.
Я хочу сейчас перескочить к квантовой физике, раз уж мы стали об этом говорить. Итак, мы подозреваем, что нужен новый язык. Но как его отыскать? Природа нам тихим голосом дает наводящие указания – и математика тоже. Если мы себе признаемся честно: «я не знаю, что такое дифференциальное уравнение», значит, нужно КОНЦЕПТУАЛЬНО определить, что это такое, и нужны какие-то критерии того, что я действительно это знаю. Например, если я точно знаю что такое дифференциальное уравнение, то я могу точно сказать, что такое его симметрии.
Я раньше вам показал не дифференциальные уравнения, а их запись, как бы их паспорта. Паспорт расскажет бюрократу много полезных вещей, но сути владельца он не раскроет. И точно так же, по этой записи вы мало что узнаете о дифференциальных уравнениях. Но вернемся к языку. Если вы спросите обычного математика, я имею в виду не специалиста по дифференциальным уравнениям, какие он знает дифференциальные уравнения, то нормальный математик вам скажет, что уравнения бывают (я немножко огрубляю) эллиптические, гиперболические и параболические. И больше ничего. Это тоже показывает, что на самом деле мы не знаем, что такое дифференциальное уравнение. И понять это можно, попытавшись нарисовать его портрет.
Когда мы изучаем алгебру, мы рисуем графики функций. Скажем, геометрический образ уравнения «икс квадрат плюс игрек квадрат равняется единице» есть окружность. Это то, чему учат в старших классах школы. Это соответствие между алгеброй и геометрией можно использовать в двух направлениях – можно с помощью алгебры выводить свойства геометрических фигур и, наоборот, глядя на геометрический образ, понять, как решить алгебраическую проблему. Например, великую теорему Ферма, которая столько шума наделала, именно так и решили – создали, это был длительный процесс, геометрию, которая позволяла придти к решению.
Так вот, сейчас мы знаем, как найти геометрический портрет (аналогичный портрету алгебраического уравнения) уравнения в частных производных. Это вещь, которую я не могу попробовать здесь описать. Это нечто нестандартно бесконечномерное, и даже некоторые математики перед этим образом теряют психологическое равновесие. Сейчас даже идет полемика. Некоторые считают, что все это нужно рассматривать на конечном уровне, не на бесконечном. Но это пройдет, потому что это уже позволило решить ряд очень важных задач.
И вот когда мы увидели этот бесконечномерный объект, мы увидели там особое дифференциальное исчисление. Этот объект, если воспользоваться современным языком, – со многими «прибабахами», и эти «прибабахи» называются геометрическими структурами. Стандартное дифференциальное исчисление, которое уважает эти структуры, это – ВТОРИЧНОЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ. И что меня радует – это то, что новый язык для квантовой теории поля родился сам собой, естественно. Это вторичное дифференциальное исчисление очень хорошо вписывается в проблематику квантовой теории поля.
Например, траектория вторичного векторного поля, это не обычная кривая, а такая, которая удовлетворяет «принципу неопределенности». Она, вообще говоря, не существует, существует виртуально. Но когда мы ее загоним в ящик, как говорят физики, тогда она станет вполне определенной.
Кроме того, в последние годы были наблюдены поразительные совпадения. Физики пытались своими методами прояснить некоторые темные места квантовой теории поля. Мы же размышляли над «дурацкой проблемой» о том, что такое дифференциальные уравнения. Потом совершенно независимо обнаружили, что результаты физиков – это элементы уже «нашей» готовой теории. Мы даже и не думали, что это как-то связано с квантовой физикой. Речь идет, я скажу специалистам, об «антиполях», о «духах» и т.п. Кстати, это научный термин – «дух», ghost. Этот термин сами физики выдумали, в физике есть другие мистические слова – аномалия, перенормировка и так далее. Они указывают на то, что сам этот язык ненормален. Это на самом деле, я бы сказал так, полублатной язык. Физикам просто уже не хватает слов, чтобы объяснить происходящее.
Я сейчас абсолютно уверен, что ВТОРИЧНОЕ дифференциальное уравнение превратит квантовую физику в точную науку в том же смысле, каковой является классическая физика, благодаря языку «первичных» дифференциальных уравнений.
Вот, пожалуй, главное, что я хотел сказать. И еще хочу отметить, что вторичное дифференциальное уравнение – это язык очень интересный. Покажите мне, пожалуйста, картинку 12. Что общего у квантовой теории поля с этой картинкой? Сейчас я вам расскажу, что такое алгебраическая топология. Алгебраическая топология, если сказать попросту, это «исчисление дыр». На этом рисунке между точками А и B есть нульмерная дыра. Чтобы соединить точки А и B вы должны построить одномерный мост. При этом можно исчислять дырки. Вы мост переходите в одном направлении, поэтому дыра, как говорят математики, ориентирована. На этом чертеже показано, как можно складывать дырки. Если вы дырку А–B сложите с дыркой B–С – получите дырку С–А. Это теория нульмерных дырок.
Пожалуйста, следующий слайд. На этом торе я поясню вам теорию одномерных дырок. На верхнем торе вы видите две одномерных дырки. У одной край – красная линия, у другой – зеленая линия. Почему это дырка? Потому что, скажем, красный контур вы не можете стянуть в точку, двигаясь только по поверхности тора. Дырки можно складывать. Что значит, прибавить красную дырку саму к себе? Это значит два раза обойти ее в нужном направлении. А если вы возьмете трехкратную красную дырку и двукратную зеленую и сложите их, получится красивый трилистник на поверхности тора.
Так вот, бывают дырки двумерные, n-мерные, любой размерности. Это называется гомологиями. А функции на дырках являются когомологиями. Топологическую форму тела, если не принимать во внимание ее метрические размеры, можно довольно точно описать, сказав, какие дырки имеются и какой размерности. Этими данными можно описать топологию многомерной поверхности или, как мы говорим, многообразия.
А теперь давайте перейдем к нелинейным дифференциальным уравнениям и квантовой физике. Так вот, функции на дырках называются когомологиями. И если вы возьмете пластинку из какого-то металла и начнете ее сгибать, вы можете себе представить, что там образуются инфинитезимальные дырки. В зависимости от материала эти инфинитезимальные дырки будут разной формы, и они, эти дырки, описываются когомологиями типа Спенсера. Язык вторичного дифференциального исчисления когомологичен: он исчисляет эти инфинитезимальные дырки. Тут есть чему удивиться: элементарные частицы и исчисление бесконечно малых дыр!?
Теперь представьте себе, что я вам это рассказал, и вы что-то почувствовали. И теперь на этой базе мы начнем развивать точную науку? Не получится. Нужна все-таки очень аккуратная формализация. Нужно создать язык, сделать из него исчисление. Замечательно, что если мы будем рассматривать один аспект проблемы, получится язык для нелинейных уравнений. А если другой, так сказать, «социальный» аспект – это будет квантовая физика.
А.Г. У этого нового языка есть название?
А.В. Вторичное дифференциальное исчисление. А та небольшая часть физики, где он только-только начал использоваться, сейчас называется когомологической физикой. Но пока еще только очень ограниченное число людей это знает и над этим работает.
В оставшееся время я хотел бы попросить показать 14-й слайд. Я вам хочу задать вопрос: вы хорошо видите эти два текста?
А.Г. Вижу.
А.В. Представьте, что вы археолог, и раскапываете какую-то цивилизацию. Раскопали две плиты и видите письмена. Эти письмена принадлежат одной и той же цивилизации, но одна из них более архаична, другая – менее. По-вашему, какой из этих двух текстов более архаичен? Правый или левый?
А.Г. Правый.
А.В. Вы мне доставили большое удовольствие. Потому что правый текст написан на языке гильбертовых пространств, а левый – это язык вторичного дифференциального исчисления. Интересно, какое мнение будет у зрителей? Правда, я немножко поспешил, объявив ответ.
А.Г. Ну, у них было время, пока я решал, какая из этих частей мне кажется более архаичной. А вот наше время уже закончилось, к сожалению. Спасибо. Если я и не понял до конца, что вы хотели сказать, то, по крайней мере, почувствовал.
А.В. Это была моя цель. Спасибо.
Синхротронное излучение
30.09.03
(хр. 00:52:53)
Участники:
Михайлин Виталий Васильевич – доктор физико-математических наук
Халилов Владислав Рустемович – доктор физико-математических наук
Александр Гордон: …во-первых, мне очень понравилось определение «светящийся электрон». А во-вторых, сама история открытия увлекательна. Расскажите, если можно, с самого начала.
Виталий Михайлин: Начинается все с работы Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчука 1944 года. В книге Д. Гамова «Моя мировая линия» приведены воспоминания Д. Иваненко о научной жизни того времени и о том, как они с И. Померанчуком пришли к идее синхротронного излучения. Хотя так оно тогда не называлось. Как раз в это время в Америке построили первые синхротроны. А на научном семинаре, который проходил в Московском университете, обсуждалась проблема ограничения энергии в бетатроне – доходили до какого-то предела и не могли дальше ускорить. И Иваненко, и Померанчук на одном из семинаров (так он пишет в воспоминаниях) пришли к выводу, что это ограничение возникает за счет того, что происходят очень большие потери на излучение. И в первой работе они показали, что эти потери пропорциональны энергии в четвертой степени. Причем, многие известные физики возражали и говорили, что это излучение должно было бы гаситься. Но Иваненко и Померанчук решились и опубликовали свои результаты в «Физрэв» и в наших «Докладах Академии наук». Статья эта называлась «О максимальной энергии, достижимой в бетатроне», и в ней они показали, что потери пропорциональны энергии ускоренного электрона, а вот где это излучение, в какой спектральной области, они не написали.
А дальше получилось очень интересно. Американцы тут же отреагировали и стали искать это излучение. Блюит стал искать его в микроволновой области. Потом будет ясно, что это был неверный путь. Он косвенно показал, что эти потери есть, орбита схлопывалась в бетатроне, но прямого излучения он не видел. А прямое излучение увидели в 1947 году, на одном из первых синхротронов фирмы «Дженерал электрик». Синхротрон от бетатрона отличается тем, что бетатрон – индукционная машина, магнитное поле и несущее и ускоряющее – как в трансформаторе. А в синхротроне поворотные магниты расположены по кольцу, где электроны поворачивают, там они и стоят. И вот инженер Флойд Хабер проводил профилактику. Камера стеклянная, внутри она покрыта аквадагом, чтобы заряд стекал. В одном месте этот аквадаг счистили (это сделал Флойд Хабер, молодой инженер, к сожалению, дальше я не нашел его следов в литературе), и он видит это яркое излучение.
А.Г. В оптическом диапазоне?
В.М. В оптическом диапазоне. Машина маленькая, мы ее потом покажем. Причем, это было яркое голубоватое свечение. Я много раз наблюдал это излучение, на разных машинах, оно производит фантастическое впечатление. Ну, а дальше он пригласил своих коллег, он был в группе Поллака. Это было 24 апреля 1947 года. Мне легко запомнить, мне как раз 12 лет исполнилось.
Вообще Иваненко и Померанчук называли этот эффект – «светящийся электрон», а тут его на синхротроне увидели. Если бы это излучение увидели на бетатроне, может быть, оно бы называлось «бетатронным», а так стали называть «синхротронным». А дальше, поскольку эффект колоссальный, речь пошла о Нобелевской премии. Бесспорными были два человека – Иваненко и Померанчук, нужен был третий. Спор пошел между Поллаком и Блюитом, забыли про Хабера, этого мальчика, который мог бы быть третьим. Пока обсуждали, Померанчук умер, а посмертно Нобелевские премии не дают. Потом мы вернемся и посмотрим, как Флойд Хабер наблюдает это излучение. А сейчас взглянем на эту карту. Во всем мире сейчас около 80 центров синхротронного излучения. Это очень дорогие установки. Курчатовский источник синхротронного излучения стоил около 70 миллионов долларов, а 100 миллионов долларов дают на всю Академию наук, то есть это сложные, дорогие установки. И вот взгляните, на Россию. В Москве – пять источников СИ. Первый – на 250 МэВ Векслеровский в Институте ядерных исследований, он сейчас законсервирован, но его можно включить в любую минуту. В ФИАНе две машины: одна работает с 1954 года, другая в Троицке под Москвой. И Курчатовский источник синхротронного излучения – из двух накопителей: малая машина работает уже 20 лет. Вторая машина на 2.5 ГэВ работает уже с 1999 года, и этот источник посещал президент.
В Новосибирске существует Сибирский международный центр синхротронного излучения с двумя накопителями, которые построили еще при Г.И. Будкере. На территории бывшего Союза есть еще одно пятнышко, это накопитель в Харькове на 100 МэВ. В Армении работал синхротрон АРУС. А вообще, взгляните на карту, в Европе, в США, только в Японии почти 20 источников, в Бразилии, в Сингапуре…
А.Г. Индия, Китай.
В.М. В Канаде к концу года запустят Канадский источник СИ. В общем, около 80 центров, в некоторых несколько машин.
Выставка «Экспо-2000» в Гамбурге проходила под девизом «Синхротронное излучение – свет будущего», в немецком варианте, а в английском – «Свет будущего тысячелетия». Но это свет не в бытовом смысле, а свет для исследования. Дело в том, что сейчас почти все эффекты, которые связаны с взаимодействием излучения с веществом, исследуются с синхротронным излучением.
А.Г. Прежде чем вы продолжите, я хотел бы, чтобы вы дали определение синхротронному излучению. Что это?
Владислав Халилов: Ради Бога. В наиболее простом определении, это излучение релятивистского (то есть движущегося со скоростью близкой к скорости света) заряда (в данном случае электрона, поскольку в синхротроне ускоряются электроны), который движется по криволинейной (круговой) траектории, и, следовательно, имеет центростремительное ускорение. Ну, в общем, с точки зрения…
А.Г. Но движется при этом в магнитном поле?
В.Х. Да, в магнитном поле. Его называют также магнитно-тормозным излучением, еще циклотронным можно назвать это излучение. Циклотронное излучение отличается от синхротронного излучения тем, что в циклотроне излучают нерелятивистские (медленно движущиеся) частицы. Синхротронное излучение – это, по существу, циклотронное излучение плюс эффект Допплера, то есть смещение длины волны, излучаемой движущимся источником в короткую область.
Несколько слов по поводу терминов, которые были употреблены, наверное, не все это знают. Бетатрон – это ускоритель, синхротрон – это тоже ускоритель. Накопитель – это накопительное кольцо, это как бы жаргон. Дело в том, что в бетатроне и синхротроне частицы ускоряются, и их цикл прохождения по траектории – очень короткий, короткое время ускорения и всё, они выбывают как источники излучения. Накопитель, это кольцо, в котором пучок электронов сохраняется в течение длительного времени на равновесной орбите – до 24 часов, до суток и даже больше. Этот пучок поддерживается на равновесной орбите благодаря тому, что там специально устроены некие короткие промежутки с переменным электрическим полем. Виталий Васильевич уже говорил, что синхротронное излучение вначале считалось вредным, потому что при излучении электрон теряет энергию. А есть тесная связь между радиусом равновесной орбиты электрона и его энергией. Когда электрон излучает, он теряет …
А.Г. Теряет энергию.
В.Х. Да, теряет энергию.
А.Г. И теряет свою орбиту.
В.Х. Да, и значит, радиус орбиты движения электрона изменяется. И ясно, так как область движения электрона не может быть слишком большой (она ограничена, скажем, стенками ускорителя или накопителя), то вследствие излучения энергия и радиус орбиты изменяются, и он выбывает из режима ускорения, падая на стенку. А вот для накопительного кольца придумали, каким образом избежать этого. В 4-х коротких прямолинейных промежутках, расположенных по орбите, ставят резонаторы с высокочастотным (переменным во времени) электрическим полем, частота которого подобрана ровно так, чтобы потери энергии электрона на излучение за один оборот были бы скомпенсированы за счёт ускорения электрона электрическим полем при прохождении этих промежутков. И за счёт этого механизма средняя энергия, а потому и радиус равновесной орбиты электрона, практически не изменяются в течение длительного времени, и пучок электронов сохраняется в кольце очень долго.