Алексей СЕМИХАТОВ: Достижения науки вызывают и интерес, и недоверие

Алексей Семихатов – доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией в Физическом институте имени П.Н.Лебедева РАН, ведущий программы «Вопрос науки» на телеканале «Наука», автор и ведущий фильма «Время» и проекта «Гравитация. Главная сила». В прошлом году Алексей Семихатов стал лауреатом премии «Знание» в номинации «За вклад в просвещение на радио и ТВ». В своих программах Семихатов привлекает внимание широкой аудитории к достижениям в разных областях науки. «Учительская газета» обсудила с Алексеем интересные научные открытия, а также вопрос популяризации науки.

– Алексей Михайлович, вы специалист по квантовой физике. Большинству людей сложно понять, что это собой представляет. Можете привести примеры массового практического использования квантовых явлений, с которыми каждый из нас встречается ежедневно, но не подозревает об этом?

– Не то что «использования», а само существование всего, что нас окружает, включая и нас самих, было бы категорически невозможно, если бы составляющие части материи вели себя «как маленькие бильярдные шары», а не по законам квантовой механики. Сами атомы, из которых собран окружающий нас мир, – это квантово-механическое явление. Собственно, квантовая механика начала развиваться с того момента, когда было осознано, что атом «в виде маленькой планетной системы» не имеет отношения к реальности. Подумайте вот о какой ерунде для начала: ни одна планетная система не повторяет никакую другую, а в то же время все атомы одного элемента совершенно одинаковы, где бы они ни находились во Вселенной. С таким даже уточнением: в магнитном поле свойства атома несколько меняются, но тоже вполне однозначным способом в зависимости от магнитного поля, и это позволяет нам измерять эти поля на колоссальных расстояниях от Земли, наблюдая просто излучаемый атомами свет. Вообще взаимодействие вещества и света – тоже квантово-механическое явление; это относится к тому, как мы видим, и к тому, как выясняем химический состав далеких объектов, анализируя приходящий от них свет.

А Солнце «горит», благодаря тому что протоны в нем совершают туннельный переход: квантовые правила игры позволяют им попадать туда, где согласно привычным законам («для маленьких бильярдных шаров») они оказаться в принципе не могут. Таким образом, все, что нам дорого на Земле, включая нас самих, питается энергией, которая выделяется исключительно в силу квантовых законов.

Из того, чем можно заняться у себя на кухне: железка, которую вы нагреваете на огне добела, светится все ярче согласно законам квантовой механики (первый такой закон, собственно, и приоткрывший дверь в квантовый мир, – это закон излучения, кстати, он же используется для дистанционного определения температуры). Лазеры, которые сейчас на каждом шагу, – это выраженный квантово-механический эффект. Ну что еще назвать из того, что под рукой? Ферромагнетики, от сердечников в трансформаторах и статоров в электромоторах до жестких дисков, – все это существенно квантовые материалы, потому что обладают своими свойствами благодаря явлению, у которого вообще нет неквантового аналога.

– Что такое квантовый компьютер? Каковы его преимущества перед нынешней техникой? Как скоро он может войти в повсеместное использование?

– Начнем с того, что это совсем не «обычный, но накачанный цифровой компьютер». Это устройство особого класса, по существу, аналоговый компьютер, только с парой важных добавлений. Во-первых, он работает в некотором роде с абсолютной точностью. Если какое-то число, закодированное у него внутри, равно квадратному корню из двух, то оно в точности равно квадратному корню из двух, а не примерно 1,41, или примерно 1,4121, или чему-то еще. Во-вторых, квантовый компьютер не занимается сложением (и умножением, и всем остальным) чисел. Он занимается манипуляциями с состояниями простых квантовых систем, а уж в этих состояниях могут быть закодированы какие-то числа.

Состояния (они называются еще волновыми функциями) – это, по существу, суть квантовой механики. Это математический объект, который живет не в нашем физическом трехмерном пространстве, а в некотором математическом пространстве (я говорю о них подробнее в своей книге «Все, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной», которая готовится к изданию в «Альпина нон-фикшн»). Небольшой курьез состоит в том, что состояния нельзя наблюдать непосредственно, но ими можно манипулировать. Так вот, квантовый компьютер – это цепочка таких манипуляций, в результате которых числа, закодированные в состояниях, перегруппируются и комбинируются в нечто такое, из чего мы можем узнать ответ «вычисления».

Что касается второй части вашего вопроса, придумано совсем немного таких способов манипуляций состояниями, которые приводят к ответу на какой-нибудь интересный вопрос, и поэтому квантовый компьютер – штука довольно бессмысленная дома или в офисе. Однако среди небольшого числа задач, которые он в принципе может решить, имеется задача разложения чисел на множители, а она используется в шифровании данных. Речь идет о разложении на множители не числа типа 15, которое есть трижды пять, а чисел огромной длины. Два числа, даже очень длинных, легко перемножить на компьютере, но если вам известен только результат умножения, то вы долго промучаетесь в поиске исходных чисел, даже если в вашем распоряжении самый мощный суперкомпьютер. Разложить очень длинное число на множители и означает найти ключ, и до тех пор, пока нет способа быстро это сделать, шифры оказываются довольно стойкими. Однако квантовый компьютер взламывает их с неожиданной легкостью.

Но для манипуляций с квантовыми системами требуется, чтобы они не имели «паразитных» контактов с внешним миром. Любой контакт с остальной Вселенной нарушает их работу. Здесь и лежит технологическая сложность создания квантовых компьютеров.

– Почему популяризация науки сама по себе сегодня не очень популярная тема?

– Наша цивилизация по своему способу существования научно-техническая, поэтому довольно естественно, что достижения науки вызываю интерес. Любопытство. Иногда смешанное с недоверием, иногда ищущее основы для доверия. Понятное дело, что не у всех, не в одинаковой мере и не по любому поводу. Но вот вы же меня спросили про квантовую природу мира. Это из как бы абстрактного. А, скажем, разработка новых лекарств – штука колоссально наукоемкая, но при этом, согласитесь, не лишенная интереса для всех нас. Проблемы популяризации в другом – в том, что наука для повышения собственной эффективности использует особый язык и особые приемы мышления. Они плохо переводятся на обычный язык, и хороший перевод может требовать немалых усилий, и, как всегда в подобных случаях, не все попытки одинаково удачны (с обычными переводами, кстати, то же самое).

– Если бы вам надо было провести презентацию человечества на межгалактической встрече и туда можно было бы привезти на ракете только один экспонат, что бы вы с собой взяли?

– ДНК. Уж не знаю, в виде какого макета, но кусок ДНК достаточной длины, чтобы передать идею. Это ведь удивительное явление, потому что там соединяются между собой атомы, но только соединяются иерархически, да так, что получается, по существу, цифровая структура. Собственно, атомы числом примерно по полтора десятка собираются в значащие молекулы (они прикрепляются еще к некоторой служебной части примерно из такого же числа атомов). А далее довольно неожиданный поворот: эти значащие молекулы всего четырех типов используются как буквы в алфавите.

Если отбросить детали, то эти «буквы» соединяются в длинные «слова» и «предложения», в которых записана информация о живом организме. Клетки в каждом из нас ежесекундно читают, что там записано, и в соответствии с прочитанным производят белки. Белки – и субъект, и объект практически всего, что имеется и что происходит в живой клетке, но они не слишком долговечны, и для того чтобы мы могли существовать, текст нашей ДНК должен читаться без остановки. Поэтому ДНК – молекула жизни. Заодно, кстати, она же после некоторых приключений достается нашим детям.

– Уже сегодня искусственный интеллект способен на чудо вроде вождения беспилотного автомобиля. Доживем ли мы до времен, когда ИИ станет писать романы, сравнимые по качеству с человеческими?

– Ох, тут надо избегать ловушки слов. Искусственный интеллект – это, в общем, статистическая обработка большого объема данных, позволяющая находить в них закономерности, не видимые «на глаз». Например, ИИ в беспилотном автомобиле занимается – среди прочего! – предсказанием поведения соседних участников дорожного движения на основе объемной тренировки, из которой он сделал выводы, что участники с такими признаками склонны вот к такому вождению, а какие-то другие – к некоторому другому.

В сложных играх, таких как шахматы и го, ИИ обогнал человека, но там есть ясные правила и всего один критерий оценки: выиграл/проиграл. Во многих областях человеческой деятельности нет ни того ни другого. Если вы натренируете ИИ, чтобы он улучшал неудачные фотографии, то он дорисует, скажем, второстепенные подробности на затемненной фотографии вашего дачного участка, руководствуясь тем, что имеется на дачных участках, в общем похожих на ваш (если вы не олигарх, то такие найдутся в достаточном числе, и вы сможете его натренировать).

В таких случаях ИИ производит добротную посредственность: то же, что у всех, но не тупо, а с учетом текущих обстоятельств. Поручив ИИ писать романы, вы должны скормить ему изрядное количество уже написанных литературных произведений и придумать критерии для оценки его попыток. Судите сами, что получится. Ну хорошо, чтобы никого не обижать, давайте я скажу, что получится очень хорошая посредственность. Почему бы ей не конкурировать с посредственным же средним уровнем человеческих романов? Возможно, я отстал от жизни и кто-то из недавно появившихся середнячков – это ИИ. Идея настолько носится в воздухе, что, думаю, мы вот-вот услышим, сколько продано экземпляров «искусственного» романа.

– Телевидение уделяет достаточное внимание вопросам науки?

– Нет. Но телевидению непросто это сделать, потому что научно-популярное потребление – штука существенно более нишевая и менее рейтинговая, чем привычный телевизионный контент. Я уже говорил о проблеме перевода. Вы не будете вслушиваться в текст на незнакомом вам языке, а если вам предлагается плохой перевод, то вы утомляетесь, пытаясь его понять, и в конце концов переключаетесь на что-то другое.

Похожее происходит со средневзятой попыткой рассказать что-нибудь научное: ученый может быстро оторваться от ауди­тории, уйдя в сложности, да еще в монтаже часть его пояснений сократят, время ведь дорого. А рассказ от лица того, кто сначала поговорил с учеными, а потом взялся пересказать услышанное, грешит использованием слов и понятий, значения которых говорящий не совсем понимает. Зритель это тоже детектирует и переключается. Я не хочу, разумеется, сказать, что нет приятных исключений из этой картины, есть и профессиональные ученые, которые отлично рассказывают, и прекрасные научные журналисты, но в целом проблема имеется. В передаче «Вопрос науки» мы ее осознаем и стремимся к тому, чтобы наука из первых уст – от действующих ученых – звучала дружественно для широкой аудитории.

Александр СЛАВУЦКИЙ