В этом месяце свой 50-летний юбилей отметил Николай Николаевич Колачевский ─ член-корреспондент РАН, директор Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), доктор физико-математических наук. В интервью «Научной России» ученый рассказал о загадках квазаров, об исследовании ранней Вселенной и дальнего космоса и, конечно, о проектах ФИАН и своем пути в науку.
─ Вы родом из семьи физиков. С детства решили, что пойдете по стопам родителей?
─ Да, физика была мне интересна с детства, но на самом деле еще больше я любил химию и самостоятельно изучал ее до десятого класса. Что касается физики, то я учился в знаменитой Заочной физико-технической школе МФТИ, но для меня это было в некотором смысле рутиной, и химия привлекала намного больше, но по химическому пути я в итоге не пошел.
─ Почему?
─ Я поступил на факультет общей и прикладной физики МФТИ, а химия на тот момент там была не в почете. Как-то не удалось развить в себе эти навыки, да и физика начала увлекать меня больше.
─ А в чем, на ваш взгляд, заключается принципиальное различие между физикой и химией?
─ Исходя из моего опыта, из того, как я это прочувствовал на себе, химия ─ менее строгая наука, она более интуитивная: там нужно очень хорошо чувствовать, что получится, а что нет. Там ниже вероятность успеха получить ожидаемый результат. Большое количество химических формул, которое ты представляешь, вообще просто не существуют. Ты хотел бы с ними что-то сделать, но у тебя не получается. В этом смысле физика ─ более строгая наука.
─ И не такая абстрактная как математика.
─ Да. Физика ─ это экспериментальная наука, и, если физику с химией еще можно сравнивать, потому что обе они экспериментальные, то математика в этот ряд вписывается с трудом. Настоящая математика действительно абстрактна, и не стоит ждать, что ты сможешь проверить экспериментально какие-то результаты, выводы, постулаты.
─ В то время как любая теоретическая физика рано или поздно обязательно должна подтверждаться экспериментом?
─ Скажем так, это крайне желательно. Конечно, сейчас теоретическая физика все больше уходит в область теории поля, в область таких величин энергий, которые недостижимы в существующей Вселенной. Есть попытки построить теорию великого объединения, узнать больше о ранних стадиях Вселенной, ведь сейчас мы, как известно, находимся в холодной Вселенной. Но в целом такие исследования, где роль эксперимента не так существенна, ─ это не бóльшая часть физики, и людей, которые этим занимаются, не так много.
─ К слову о ранней Вселенной, в ФИАНе в советские годы работал выдающийся физик Андрей Линде, который внес пионерский вклад в развитие инфляционной модели Вселенной. Эти исследования продолжаются в Институте?
─ Да. В теоретическом отделе им. И.Е. Тамма ФИАН работает группа астрофизиков, развивающих эту теорию о том, что Горячему Большому взрыву предшествовала стадия инфляции. Это инфляционное направление тоже представляется немного абстрактным, но все же эти исследования можно соотнести с наблюдательными данными: например, есть микроволновое реликтовое излучение ─ отклики прошлых событий, которые мы наблюдаем в сегодняшней Вселенной.
В целом, в мире астрофизики сейчас ведется много интересных наблюдений. Я бы вообще назвал последнее десятилетие триумфом астрофизики ─ мы стали свидетелями открытия гравитационных волн, экзопланет, изучения черных дыр и т.д. К черным дырам ученые, конечно, до конца не приблизились, но уже подходят вплотную, и, если раньше эти объекты были лишь абстракцией и существовали только на бумаге, то сегодня мы имеем прямые наблюдения черных дыр в миллиметровом диапазоне волн. Теория инфляции, о которой вы спрашиваете, ─ тоже одна из сложно подтверждаемых теорий, но она очень интересна для изучения.
ИНФЛЯЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ВСЕЛЕННОЙ ─ космологическая модель, предполагающая, что на самом раннем этапе эволюции Вселенной, когда ее возраст составлял от 10–43 до 10–37 секунд, Вселенная претерпела колоссальное расширение, которое привело к экспоненциальному росту всех пространственных масштабов. Термин «инфляция» в космологии обозначает быстрый рост масштабов, при котором скорость роста пропорциональна значению самого масштаба. Этот термин очень точно описывает характер расширения ранней Вселенной. Источник справки: Большая российская энциклопедия.
Источник изображения: Схема расширения Вселенной. © NASA. Перевод: МЕТОДИСТ.
─ Не забудем и про кротовые норы, на поиск которых, в частности, нацелен один из крупнейших проектов ФИАН ─ «Миллиметрон». В то же время есть ученые, которые не верят в существование этих удивительных объектов. А что думаете вы? Они существуют?
─ Конечно, я не могу сказать однозначно, да или нет. Поэтому давайте вернемся к истории черных дыр. Вплоть до 2010 года черные дыры все же считались некой абстракцией, и экспериментальных подтверждений их существования не было. Однако в последние годы мы видим настоящий триумф этого направления, вспомнить хотя бы знаменитую фотографию черной дыры. Возможно, та же история ждет и кротовые норы? В принципе, теория не возбраняет существование кротовых нор, и, может быть, если наблюдательные методы, в том числе космический телескоп «Миллиметрон», нам позволят, мы узнаем больше об этих пока гипотетических объектах.
─ В чем уникальность «Миллиметрона»?
Космическая обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М») ─ проект Астрокосмического центра ФИАН. Это 10-метровый космический телескоп, предназначенный для исследования различных объектов во Вселенной в миллиметровом и инфракрасном диапазонах длин волн от 0,07 до 10 мм. Обсерватория имеет два режима работы: режим одиночной антенны и интерферометр космос-Земля. Первый режим будет иметь наилучшую чувствительность для изучения самых слабых источников Вселенной. Второй режим обеспечит высокое угловое разрешение до 10-8 ─ 10-9 угловых секунд дуги, что позволит проводить изучение структуры самых компактных объектов во Вселенной ─ сверхмассивных черных дыр.
Источник справки и фото: «Миллиметрон».
─ Если «Миллиметрон» будет запущен в 2030 году, как планируется, то это будет единственное зеркало в космосе, охлажденное до температуры жидкого гелия (менее -268 градусов по Цельсию) ─ то есть это очень чувствительный прибор. Кроме того, уникален и диапазон телескопа: миллиметровый и инфракрасный диапазон длин волн от 0,07 до 10 мм. Такой диапазон позволит сквозь толщу пыли посмотреть на объекты с большим красным смещением. Методы радиоастрономии со сверхдлинной базой, РСДБ, позволят достичь очень высокого углового разрешения, то есть детализации объектов, так же, как это уже было достигнуто в проекте «РадиоАстрон», идейным вдохновителем которого был академик Николай Семенович Кардашев. Я назвал лишь основные отличительные особенности, на самом деле их гораздо больше. Мы ждем очень интересных результатов от «Миллиметрона» по изучению дальнего космоса, вплоть до самых окраин Вселенной, ну и, конечно, соседних галактик.
─ Какие еще загадки Вселенной, помимо кротовых нор, будет исследовать «Миллиметрон»?
─ Это будет детализация черных дыр, детализация галактических джетов, а также квазаров ─ астрономических объектов, которые находятся очень далеко от нас и обладают гигантским красным смещением (прим., спектр объекта смещается в красную часть, когда объект удаляется от нас; таким образом, чем выше красное смещение объекта, тем дальше он находится от нас).
Эти квазары, или сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, с массой 109 масс Солнца и больше, то есть миллиарды масс Солнца, крайне интересны. Их загадка заключается в том, что эти объекты образовались слишком рано по отношению к моменту Большого взрыва.
В космологических моделях предполагается, что для того, чтобы в галактике скопилась столь большая масса, нужен какой-то длительный процесс (около миллиарда лет от момента Большого взрыва) и чтобы произошел некий коллапс ─ то есть это очень длительная по времени история. Однако последние наблюдения показывают, что самые молодые квазары имеют возраст от десяти до ста тысяч лет ─ это удивительно мало. А такие монстры с гигантской массой миллиарды масс Солнца, о которых я упомянул выше, имеют возраст 700 млн лет, что тоже очень мало! Не очень понятно, как они образовались. Помимо проблемы с длительностью процесса аккреции существует еще и проблема создания необходимой «затравочной» массы, которая должна быть порядка 103-105 масс Солнца.
─ Они что возникли как-то спонтанно, слишком резко?
─ Сейчас мы не можем этого сказать точно. Вообще, вопрос звездообразования довольно сложный и полностью не изучен. Мы не знаем до конца, как образовывались первые звезды, и как они образуются сейчас, какую роль в этом процессе играют магнитные поля, джеты и т.д.
Более того, исследования показывают, что черные дыры иногда стимулируют рождение звезд: парадоксально, ведь, казалось бы, они разрывать их должны или поглощать, но мы видим процессы, которые, напротив, приводят к звездообразованию. Так рентгеновское излучение, возникающее в результате аккреции вещества на черную дыру, способствует образованию молекулярного водорода, что, в свою очередь, способствует образованию звезд.
Еще одно направление «Миллиметрона», которое мне особенно интересно, ─ это регистрация воды во Вселенной, а вода, как известно, это жизнь. Мы нацелены на поиск водяного пара, молекул воды, органических соединений в дальнем космосе. «Миллиметрон» ─ сверхчувствительный инструмент, который как нельзя лучше подходит для решения таких задач.
Квазар, или квазизвездный радиоисточник ─ это один из типов активных ядер галактик. Квазары также одни из ярчайших объектов во всей Вселенной, и, по сути, они не что иное, как сверхмассивные черные дыры в центрах галактик, взаимодействующие с окружающим их газом. По своей яркости квазары могут затмевать даже целые галактики. Первый квазар был открыт в 1963 году.
Иллюстрация: фотобанк 123RF.
─ Помимо «Миллиметрона» в ФИАНе есть еще один примечательный проект ─ единственный в России ионный квантовый компьютер. Насколько я знаю, это важнейшая область ваших научных интересов?
─ Да, все верно. Изначально я занимался рентгеновской оптикой, моя кандидатская диссертация была посвящена рентгеновской оптике, а именно физике Солнца. Затем я сместил интересы в область нелинейной, лазерной физики. Затем занимался точными оптическими измерениями в Германии в рамках Гумбольдтовской научной стипендии. Потом довольно долго здесь, в ФИАН, мы с коллегами занимались (и продолжаем заниматься) оптическими часами, которые имеют большой и интересный спектр применения. Их используют для задач навигации, с их помощью пытаются зарегистрировать темную материю и многое другое. Кроме того, техника оптических часов может быть использована и для создания прототипов квантовых компьютеров. Оказывается, что методы, которые требуется для реализации прототипов квантовых компьютеров на ионах, очень похожи на методы, которые нужны для оптических часов: это лазеры, охлажденные частицы, это управление квантовыми состояниями и не только. Эти исследования мы сейчас ведем в нашей лаборатории сложных квантовых систем в рамках Национальной квантовой лаборатории в партнерстве с Российским квантовым центром и ГК «Росатом».
─ Ваш квантовый компьютер уже работает?
─ Да. За последние два года нам действительно удалось создать четырехкубитный квантовый компьютер, который сейчас уже работает в ФИАН. Компьютер подключен к облачной платформе, и на нем можно проводить эксперименты. Наши коллеги из МГУ и Российского квантового центра пробуют с ним взаимодействовать дистанционно. Понятно, что его характеристики не дотягивают до лучших западных образцов, но первый важный шаг в этом направлении нами уже сделан.
─ Для решения каких задач его можно будет использовать?
─ Есть огромное количество направлений. Это могут быть задачи, связанные с шифрованием или дешифрованием, то есть криптография, а также поиск фазовых переходов, поиск потенциальных минимумов в энергетически сложных квантовых системах, например для задач сверхпроводимости. Программируемые квантовые компьютеры, которые мы пытаемся реализовать здесь, будут применимы в оптимизационных задачах, то есть там, где необходим поиск сложных корреляций, сложных связей внутри системы. Это уже ближе к логистике и инженерному проектированию. Пока что мы находимся в самом начале своего пути в этом направлении.
Квантовый компьютер на ионах в ФИАН. Фото: Николай Малахин, «Научная Россия».
─ ФИАН, пожалуй, можно назвать визитной карточкой нашей физики: семь Нобелевских лауреатов, выдающиеся открытия и изобретения, признанные во всем мире. Институт по-прежнему сохраняет свои позиции на международной научной арене?
─ Вопрос сложный, потому что наше научное лицо все-таки определяется конкретными людьми, работающими в тот или иной период времени, а не названием и статусом института. Конечно, имя института в некотором смысле играет роль, но ключевой вопрос ─ это, собственно, сами ученые. Сегодня мы публикуем свои исследования по всем направлениям современной физики. И, если судить с этой стороны, мы выглядим ну очень неплохо! Понятно, что мировая конкуренция очень велика, особенно это касается китайской науки, которая за последние годы неимоверно продвинулась вперед в физике.
Еще 20 лет назад Китая как такового в науке не было, а сейчас он имеет очень сильные позиции на мировой арене. За последние годы Китай вложил колоссальные человеческие усилия и денежные ресурсы в развитие своей науки, и результат не заставил себя ждать.
Возвращаясь к вашему вопросу, ФИАН по-прежнему признан во всем мире, но наша задача не почивать на лаврах, а развиваться дальше. И, кстати, не бывает такого, что ты, например, подаешь статью в престижный научный журнал, и редактор, видя, что она из ФИАН, сразу дает ей зеленый свет. Скорее, наоборот ─ наш престиж признан во всем мире, поэтому с нас и спрос строже.
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) ─ главный научно-исследовательский центр страны в области физики, «родовое гнездо» семи нобелевских лауреатов: Николая Басова, Виталия Гинзбурга, Александра Прохорова, Андрея Сахарова, Игоря Тамма, Ильи Франка, Павла Черенкова. В ФИАНе родилась теория термоядерных реакций ─ выдающаяся работа Сахарова-Тамма, был открыт эффект Вавилова-Черенкова, создана теория сверхпроводимости Гинзбурга-Ландау. В стенах Института впервые открыли лазеры, рассеяние Мандельштама-Бриллюэна, а также принцип автофазировки Векслера-Макмиллана, эффект Франца-Келдыша, разработали метод Хартри-Фока и сделали много других выдающихся фундаментальных открытий.
Фото: из архива «Научной России».
К слову о международных контактах. У нашего Института есть своя особая гордость, недооцененная, как я считаю ─ это наш государственный филиал в Казахстане: Тянь-Шаньская высокогорная научная станция ФИАН. Она находится недалеко от Алма-Аты, примерно в 50 километрах от города. Ученые, в частности, занимаются исследованием гроз, продолжая дело академика А.В. Гуревича. Изучаются не только грозы, но и космические лучи, их влияние на образование молний, на выпадение осадков, проводится поиск широких атмосферных ливней. Там работает 40 человек, несколько докторов наук. По сегодняшним меркам это действительно уникальная научная станция.
В целом, Россия участвует в самых разных коллаборациях: Европейский рентгеновский лазер на свободных электронах, ИТЭР, ЦЕРН и другие проекты. Сейчас рассматривается вопрос входа российских ученых в Южную астрономическую обсерваторию (ESO). Но это все-таки коллаборационные истории, а иметь собственные филиалы ─ это совсем другое дело: оно очень хрупкое, и его нужно поддерживать, развивать.
Мне кажется, мы почти разучились создавать научные организации ─ то, что советская власть, кстати, умела делать неплохо. Если посмотреть, сколько научных организаций было создано за последние годы, то их можно пересчитать по пальцам: Сколково, Российский квантовый центр, Иннополис и несколько других проектов, включая программу «5-100» по развитию вузов, но эта программа ─ не новое, а хорошо забытое старое. Эти навыки на самом деле утеряны. Сейчас, например, по поручению президента России создается научный центр физики и математики НЦФМ «Большой Саров». Но как вдохнуть жизнь в этот центр? Привлечь людей, студентов, поддерживать вокруг инфраструктуру, создать определенную среду для общения и обмена опытом ─ все это очень непросто.
Николай Колачевский впервые реализовал глубокое лазерное охлаждение редкоземельного атома тулия до температур 10 мкК (для решения задачи создания высокоточных оптических часов), а также вторичное охлаждение и захват тулия в магнитную и оптическую ловушки. Реализовал новые принципы стабилизации частоты лазеров, позволяющие получать компактные перестраиваемые источники лазерного излучения со спектральной шириной линии менее 1 Гц. Источник: сайт ФИАН.
Фото: Николай Малахин, «Научная Россия».
─ Николай Николаевич, в этом месяце вы отметили 50-летний юбилей. Об Институте мы уже поговорили. А что насчет ваших личных целей на ближайшее время? Расскажите о них.
─ В последнее время мои личные цели сфокусированы вокруг семьи, потому что у меня подрастают два маленьких ребенка: дочери три года, а сыну полтора месяца. Думаю, в этом плане мои цели знакомы и понятны всем родителям. Хотя, конечно, меня не оставляют мечты, что когда-нибудь я вернусь к путешествиям, к водному туризму и дайвингу без акваланга, к рукоделию и музицированию, которые я тоже очень люблю. Когда есть время и настроение, я очень люблю играть на пианино, надеюсь, что время и силы на это хобби найдутся.
Стараюсь развиваться вместе со своими детьми, к которым я, кстати, отношу и своих студентов тоже. Одна из самых больших радостей для меня ─ это защита диссертаций, когда мои студенты-аспиранты доходят до уровня защит кандидатских ─ это очень приятно. Конечно, хотелось бы, чтобы дальше это все переходило в докторские диссертации, хотя сейчас, почему-то, это идет очень тяжело: люди ставят себе высокие планки и не всегда могут с ними справиться. Тем не менее, когда мои студенты достигают своих научных целей, для меня это всегда огромное удовольствие.
