Материалы портала «Научная Россия»

Наука изобретать

Физика – наука основополагающая и всеобъемлющая. И чем дальше, тем больше в ней образуется самостоятельных областей, каждая из которых уже начинает жить собственной жизнью.

Физика – наука основополагающая и всеобъемлющая. И чем дальше, тем больше в ней образуется самостоятельных областей, каждая из которых уже начинает жить собственной жизнью. Одно из наиболее перспективных и интересных направлений современной физики – ускорительная физика, которая давно уже вышла за пределы исследовательских лабораторий и грандиозных коллайдеров и все глубже проникает в нашу жизнь. Сегодня мы беседуем с одним из ведущих мировых специалистов в области ускорительной физики – директором Института ускорительной физики им. Джона Адамса и профессором Оксфордского университета Андреем Анатольевичем Серым.

Грани личностиАндрей Анатольевич СерыйДиректор Института ускорительной физики им. Джона Адамса (Великобритания),Профессор Оксфордского университета (Великобритания).* Родился в Кемерове в 1963 г. * В 1986 г. окончил Новосибирский университет, в 1994 г. защитил диссертацию.* Окончил аспирантуру в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск).* В 1995 по 1997 г. работал во Франции над проектом линейного коллайдера.* С 1999 по 2010 гг. работал в в Стэнфордском центре линейного ускорителя (США), где руководил разработкой и первыми этапами внедрения проекта FACET.* В 2008 г. избран членом Американского физического общества (American Physical Society).* В 2010 г. возглавил Институт ускорительной физики им. Джона Адамса.* Сферы научных интересов: новые методы ускорения, подходы к образованию студентов и аспирантов, изобретательство, методы менеджмента в науке.

Грани личности

Андрей Анатольевич Серый

Директор Института ускорительной физики им. Джона Адамса (Великобритания),

Профессор Оксфордского университета (Великобритания).

* Родился в Кемерове в 1963 г. * В 1986 г. окончил Новосибирский университет, в 1994 г. защитил диссертацию.

* Окончил аспирантуру в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера (Новосибирск).

* В 1995 по 1997 г. работал во Франции над проектом линейного коллайдера.

* С 1999 по 2010 гг. работал в в Стэнфордском центре линейного ускорителя (США), где руководил разработкой и первыми этапами внедрения проекта FACET.

* В 2008 г. избран членом Американского физического общества (American Physical Society).

* В 2010 г. возглавил Институт ускорительной физики им. Джона Адамса.

* Сферы научных интересов: новые методы ускорения, подходы к образованию студентов и аспирантов, изобретательство, методы менеджмента в науке.

Орешек знаний

Андрей Анатольевич, когда и как к вам пришла идея заниматься ускорительной физикой и почему именно ею? Это было планомерное решение или какое-то событие вас «повернуло» в эту сторону?

– Конечно, это случилось не за один день. Сначала сформировалось желание заниматься физикой, техникой. Причем возникло оно уже в первых классах школы. Тогда было много очень интересных научно-технических передач: «Очевидное – невероятное», киножурнал «Хочу все знать»… Помните: «Орешек знаний тверд, но все же мы не привыкли отступать! Нам расколоть его поможет киножурнал “Хочу все знать”!»? И на заставке киножурнала из расколотого орешка вылетало какое-то открытие.

Вот такие вещи и вдохновляли. Кроме того, сыграли свою роль и популярные книжки, которых было очень много. Я помню, в 1975-1976 гг. на мое решение стать физиком ближе к ускорителям сильно повлияла книга В.А. Аграновского «Взятие сто четвертого». Эта книжка рассказывала про короткоживущий 104-й элемент таблицы Менделеева – резерфордий. Именно его получали физики Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Это книжка популярная, для детей. Там в интересном приключенческом жанре описано, как физики сталкивали ионы, как что-то рождалось, как потом эти элементы искали. И у меня возникла мечта: я буду таким физиком. Я представлял, как у меня будет кабинет с видом на сосны и я буду что-нибудь такое придумывать. У меня было наивное представление о том, в чем заключается работа физика.

То есть космонавтом вы быть не хотели, как большинство советских мальчишек того поколения?

– Нет почему-то. Набор качеств, которые нужны для космонавта, несколько другой – надо еще быть активным спортсменом. Нет, я хотел быть физиком. Когда в старших классах стал усиленно заниматься физикой, тоже цепь случайностей привела меня в Новосибирск, хотя я собирался ехать поступать в Москву.

Я учился в небольшой поселковой школе, в поселке Ягуновском. Мой отец был инженером на шахте «Ягуновская», мама – инженером на телефонной станции. Отца перевели с повышением на другую шахту, ближе к центру города, и мы решили всей семьей переезжать.

Брат увидел объявление в газете «Кузбасс», что набирается класс в школе № 1 с углубленным изучением физики и математики, и подтолкнул меня к поступлению в этот класс. А в десятом классе я влюбился в девушку, которая стала моей женой. Она собиралась ехать в Новосибирск поступать на биологический факультет, и в конце десятогого класса мы начали обсуждать, кто куда хочет ехать. Я собирался в Москву, но поехал с ней в Новосибирск – там тоже вроде есть хороший университет, там тоже есть интересная физика, как я тогда думал, и это стопроцентно подтвердилось. Так и получилось, что я в Новосибирске учился на физика. На втором курсе выбирается специализация: можно было заниматься,  например, полупроводниками, плазмой и т.д.

Одна из черт характера, наверное, любого ученого – идти по направлению наибольшей сложности. Сложнее всего было работать и учиться в Институте ядерной физики (ИЯФ) в Новосибирске.

И интереснее всего, наверное, тоже?

– Конечно. Интересно решать сложные задачи. Я пошел на кафедру ядерной физики, но на самом-то деле ИЯФ ядерной физикой занимается достаточно мало – в основном ускорителями и физикой высоких энергий. Это элементарные частицы и т.д. Вот так я и оказался в ИЯФ, где стал заниматься проблемой электронного охлаждения протонов.

Как вы попали в Лондон? Расскажите про этот скачок в вашей научной карьере.

– Для ученого работать в одном месте, потом в другом и в третьем – совершенно нормально. Я это рассматриваю как вполне закономерное явление.

Я работал в Новосибирске какое-то время. Потом у нас был проект линейного коллайдера, который мы хотели построить в Протвине на юге Московской области. Это были 1988-1989 гг. Мы переехали с группой ученых из Новосибирска в Протвино, где занимались этим проектом. В какой-то момент меня пригласили коллеги из Франции в Университет Париж-Сакле – это лаборатория рядом с Парижем – работать с ними над проектом линейного коллайдера. Это оказалось интересной задачей, и я поехал. Там я работал два года. После этого вернулся в Россию. Затем появился интересный проект в лаборатории Чикаго, где возникла новая идея, которую мы начали разрабатывать. Меня позвали туда. Это стало новым интересным научным вызовом. Там я тоже работал два года. После этого переехал работать в Стэнфорд, вернувшись к работе над линейным коллайдером. Следующий вызов был в Оксфорде – новый круг вопросов, проблем, которые нужно было решать. Это все естественно, никак не связано с тем, что какая-то страна лучше или хуже. Это нормальные процессы в науке.

 

Жизнь с ускорением

Какие сейчас проекты у вас в разработке?

– Один из проектов – Большой адронный коллайдер в CERN, который, кстати, частично и британская лаборатория, потому что Британия вкладывает туда достаточно большие средства – 16% бюджета. Мы работаем, в частности, над тем, чтобы понять, как этот Большой адронный коллайдер улучшить. Сейчас есть планы его апгрейда – по увеличению его тока пучка и светимости. Наш институт, в частности, работает над отдельными элементами этого плана.

Прототип системы финальной фокусировки для линейного коллайдера, построенный в КЕК (Япония) по проекту А.А. Серого

Прототип системы финальной фокусировки для линейного коллайдера, построенный в КЕК (Япония) по проекту А.А. Серого

Мы работаем также над проектом следующего коллайдера, который должен быть построен после Большого адронного и может частично работать параллельно с ним. Это электрон-позитронный линейный коллайдер. Там будут сталкивать уже не протоны, а электроны. Это точечные частицы, и столкновения будут гораздо более точными и подходящими для исследований физики. Проект разрабатывается уже несколько десятилетий, причем российские физики стояли у его истоков, и очень много идей пришло из новосибирской школы. Если линейный коллайдер будет строиться, то скорее всего в Японии. Часть этого проекта спроектирована нашим институтом, в том числе экспериментальные исследования мы провели на тестовой установке как раз в Японии, в частности как фокусировать пучки до очень маленьких – нанометровых – размеров. Это новые методы, к которым, кстати, и я приложил руку. Мы построили там установку, на которой проверили эти идеи, – все работает. Мы готовы уже сейчас это воспроизвести в полном масштабе на линейном коллайдере.

Другой проект – больший кольцевой коллайдер: стокилометровый, где тоже будут сталкивать протоны. Но это идея далеко на будущее.

– Это для научных, фундаментальных целей. А как обстоят дела с практическим применением?

– Мы пытаемся работать над различными идеями, которые могут найти непосредственное и быстрое применение в практике: медицине, материаловедении, диагностике, наблюдении различных коротких – фемтосекундных – процессов в химии, например. Мы разрабатываем линейку так называемых компактных источников света. Но не такого, как свет от этой лампы, а рентгеновского света, то есть фотонов с большой энергией – десятки, сотни килоэлектронвольт. У таких фотонов длина волны может быть нанометр, 0,1 нанометра, ангстрем. Такие фотоны нужны, например, для просвечивания белка, чтобы определить его внутреннюю структуру, для исследования новых материалов, диагностики различных заболеваний.

Мы разработали несколько новых идей, как создавать такие компактные источники, основываясь на новых методах ускорения. Есть стандартные классические методы ускорения, как в прошлом веке. Для этого используются обычные ускоряющие структуры – резонаторы, которые состоят из меди или ниобия, в них возбуждается поле, частицы ускоряются. Например, чтобы ускорить пучок до нескольких гигаэлектронвольт, нужен ускоритель достаточно приличного размера. Сейчас мы разрабатываем методы плазменного ускорения электронов и протонов, когда градиент ускорения может быть в тысячу раз больше, чем в классических ускорителях. Это даст возможность, например, сделать источник рентгеновского излучения размером не 100 м диаметром, а с комнату. Соответственно, и стоимость таких компактных источников может быть гораздо меньше, и возможность их распространения может быть гораздо шире. Это должно подтолкнуть науку, технологию, медицину, дать импульс развитию. Это одна из наиболее актуальных и интересных проблем, над которыми мы работаем в нашем институте.

Можете привести примеры необычного использования ускорителей?

– Вот один из неожиданных примеров: с помощью ускорителей обнаружилось, что под картиной «Лоскут травы» Ван Гога на самом деле скрывается портрет женщины, нарисованный ранее. Ускоритель и рентгеновские лучи позволили его восстановить.

Название изображения

Другой пример – ускорители в археологии. У вас, например, есть керамика тысячелетней давности, скажем, из Армении. С помощью ускорителя методом неразрушающего исследования можно понять, что внутри, из какого материала она сделана.

Ускорители также могут помочь прочитать скрытый текст. Представьте пергамент, который свернут. Он весь закальцинировался, его никак не развернуть. Но с помощью ускорителя, оказывается, в нем можно найти следы железа и слой за слоем попытаться прочитать.

И, казалось бы, совсем экзотическая область применения ускорителей. У шоколада, как ни странно, есть несколько различных кристаллических форм структуры. И только одна из этих форм кристалла какао наиболее вкусная. С помощью ускорителя можно определить, сколько содержится такого кристалла в конкретной шоколадке, и подобрать рецепт таким образом, чтобы этого кристалла стало больше.

Очень широко ускорители применяются в медицине - например, для терапии рака, когда электронный пучок производит рентгеновские лучи, и они облучают опухоль, убивая вредные клетки, почти не повреждая здоровые.

Вообще, ускорителей в мире огромное количество – больше 24 тыс., и это только данные 2007 г. В настоящее время их около 30 тыс., хотя, конечно, в основном они используются в промышленности, для облучения различных материалов. Только малая доля задействована только в научных исследованях – несколько десятков ускорителей. Годовой рынок товаров и продуктов, которые обработаны и проверены с помощью ускорителей, составляет более $500 млрд. А доля Нобелевских премий по физике, непосредственно связанных с использованием ускорителей, составляет 30%. К сожалению, собственно за разработку ускорителей Нобелевскую премию дают очень редко, но ускорители как инструмент используются очень широко. И 30% Нобелевских премий по физике – лучшее тому подтверждение.

 

Раз… два… ТРИЗ!

Вы окончили Новосибирский университет. Поддерживаете ли вы контакты со своей альма-матер – деловые, личные, научные?

– Да, мы поддерживаем контакты по многим направлениям. Мы пытались с новосибирским и другими институтами заниматься проблемами компактных источников в рамках проекта «Сколково», но у нас не получилось по техническим и организационным причинам.

Самый недавний контакт с Новосибирском у меня был в сентябре прошлого года. Я приезжал и читал 1 сентября лекцию первокурсникам. Тема – «Наука и изобретательство». Я рассказывал про ускорители, про физику высоких энергий, какие там стоят задачи, но также я рассказывал о теории решения изобретательских задач – ТРИЗ, которая была придумана и развита в Советском Союзе. Она захватила весь мир, но в основном инженерный мир. Например, в компании Samsung инженер обязан знать эту методологию и использовать эти изобретательские принципы в своей работе. Более того, инженер там не сможет продвинуться по карьерной лестнице, если он не знает ТРИЗ. Это интересный факт.

Расскажите подробнее про эту систему.

– ТРИЗ придумал Генрих Саулович Альтшуллер (Генрих Альтов). В 1946 г. он работал в патентном бюро, рассматривал многочисленные патенты, и у него возникла идея проанализировать их, выявить общие закономерности. После долгих лет он и его команда проанализировали примерно 200 тыс. патентов, выявив закономерности, что конкретно делает патент успешным, и он сформулировал четыре ключевых открытия ТРИЗ:

1) одни и те же проблемы и решения появляются снова и снова, но в различных отраслях промышленности;

2) существует определенный путь технологической эволюции для всех отраслей промышленности;

3) в инновационных патентах (23% от общего числа) используются научные/инженерные теории, взятые за пределами своей области/отрасли;

4) инновационный патент раскрывает и разрешает противоречия.

Последний пункт самый важный, и я покажу на конкретном примере, как работает ТРИЗ. Представьте, что вам надо отполировать линзу, причем очень быстро. Полируете вы ее абразивом. Проблема здесь в том, что, когда вы полируете быстро, выделяется тепло, каждую абразивную частичку охладить трудно, поэтому оптические свойства этой поверхности нарушаются. Противоречие здесь между параметром, который вы хотите улучшить – скоростью, – и повышением температуры. Теперь надо посмотреть, кто в прошлом решал такие проблемы, какие изобретательские принципы они при этом использовали, и попытаться применить такие же. Это сузит поиск и сократит путь к решению.

Разработчики ТРИЗ создали список параметров, которые традиционно рассматриваются в инженерных областях: скорость, сила, износоустойчивость и т.д. Проанализировав, они предложили 40 изобретательских принципов. Всего 40, что удивительно, для всей инженерной области. Таким образом, проблема противоречия «скорость – температура» при полировании оптической поверхности исторически решена всего четырьмя принципами. Один из них – фазовый переход. Система не решает проблему за вас, она очень сильно сокращает путь, но надо еще придумать, как ее применить. Итак, принцип фазового перехода – это вода, лед и т.д. То есть я смешаю абразив со льдом и этим составом буду полировать оптическую поверхность. Это решение задачи изобретательским методом ТРИЗ. Именно так работает эта система, и так она применяется.

А как он применяется непосредственно в области, где вы работаете?

– Можно пытаться проанализировать, например, детектор элементарных частиц, который располагается в месте столкновения частиц в Большом адронном коллайдере, где разлетаются бозоны Хиггса, и прийти к выводу, что он построен согласно принципу матрешки (система, вложенная в другую систему, вложенную в третью систему и т.д.), – это тоже один из изобретательских принципов.

Есть также множество примеров, когда используется изобретательский принцип «система и антисистема»: одна система что-то делает, другая это компенсирует или действует в другую сторону. Иногда видно, что изобретение, которое применимо в физике, используется, например, в химии, т.е. ТРИЗ позволяет навести мостики понимания между различными областями науки.

Еще несколько слов о применении ТРИЗ конкретно в науке. Ведь принципы и параметры ТРИЗ приспособлены для инженерных областей. Можно ли их действительно применить к науке? Можно, но, наверное, будет чего-то не хватать. Мы пытаемся это сделать, однако нам нужно добавить несколько параметров, которые специфичны для науки, и, может быть, дополнительных изобретательских принципов, которые применимы специфически для науки. Мы строим это расширение, называемое Н-ТРИЗ – «научный ТРИЗ». Конечно, ученые всегда будут скептически смотреть на такие схемы, таблицы, но, тем не менее, дополнительный новый взгляд на вещи не помешает. Я думаю, ученые обязаны знать про систему ТРИЗ. Раньше философию вообще изучали и сдавали как обязательный кандидатский минимум; ученый должен знать, что есть такая система взглядов, которая иногда бывает очень полезна.

 

Коллаборация

Я знаю, что у вас реализуется совместный проект с Дубной…

– Я сейчас связан с Дубной через проект НИКА, где вхожу в совет Machine Advisory Committee, совещательный орган, который включает коллег из разных стран. Время от времени они приезжают и советуют, как лучше развивать проект. Было бы хорошо развить и более конкретное сотрудничество с проектом НИКА, но для этого нужны организационные механизмы. Нужно работать над созданием механизма для научного сотрудничества с различными странами.

Какие еще проекты в сотрудничестве с Россией у вас есть?

– Наш институт объединяет три университета: Имперский колледж Лондона, Оксфордский университет и Королевский колледж Холлоуэй Лондонского университета. Последний активно работает с Томским политехническим университетом, причем достаточно давно. Сотрудничество основано на личной инициативе, потому что ведущий ученый, который этим занимается, родом из Томска, он там и учился. Участники проекта занимаются приложением различных ускорительных идей к Большому адронному коллайдеру, к его улучшению, расширению, по идеям диагностики пучков, неразрушающих методов диагностики. Этот проект идет достаточно хорошо.

Кроме того, нам в течение долгого времени во многих российско-британских научных проектах очень активно помогает Отдел науки и инноваций Посольства Великобритании в Москве. Недавно он организовал мероприятие – российско-британский научный круглый стол по новым источникам излучения, который прошел в Новосибирске, с участием ведущих британских ученых. Кроме меня из британских ученых приезжал генеральный директор британского ускорительного комплекса Diamond Light Source* профессор Эндрю Харрисон и технический директор этого комплекса профессор Ричард Уолкер. Участники круглого стола обсуждали, как развивать существующие источники синхротронного излучения и как работать над новыми компактными источниками света. Надеемся, что эта деятельность будет продолжаться. Мы планируем организовать более масштабное совещание по этой теме в Новосибирске в следующем году.

андрей серый ускоритель физика церн

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий