Материалы портала «Научная Россия»

В науке важна неожиданность

В науке важна неожиданность
Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.

– Николай Николаевич, мы находимся не просто в кабинете директора Физического института Академии наук, а в физическом кабинете Академии наук, основанном когда-то чуть ли не при Петре I.

Вы правы. Петр I, понимая задачи, которые стоят перед Россией и видя развитие науки в Европе, создал Кунсткамеру. Многие из нас там были, видели исторические приборы – телескопы, микроскопы, различные механизмы. Эта коллекция явилась основой приборной базы, которая помогла дальнейшим исследованиям. Постепенно она преобразовалась в так называемый Физический кабинет в Санкт-Петербурге, который впоследствии был перенесен частично в Математический институт имени Стеклова, где появился Математический кабинет, а усилиями Сергея Ивановича Вавилова физическая часть – в Физический Институт Лебедева. 

– Насколько я понимаю, у вас собрана целая коллекция раритетов, имеющих отношение к нашим великим физикам. 

Да. Петр Николаевич Лебедев был первым, кто подтвердил выводы Максвелла о давлении света на твердые тела. У нас хранится прибор, сделанный его руками, который экспериментально подтверждает это предположение. Это очень сложные, тонкие эксперименты, потому что определить давление света на фоне ложных эффектов, которые присутствуют в системе, очень непросто. Он это сделал, успешно опубликовал, и теперь весь ученый мир знает, что именно Лебедев определил давление света на объекты – в данном случае, вот на такие лепестки. На самом деле он также интересовался, почему хвост комет все время отклонен от Солнца. И подозревал, что именно давление света является причиной этого эффекта. Но это же газ, а не твердое тело. Следующие десять лет после этого открытия он занимался исследованием давления света на газы. Это менее известная работа, которую он опубликовал в 1912 году. Сегодня можно сказать, уже три или четыре Нобелевских премии получены за тематики, основанные на его пионерских работах. Мы гордимся Петром Николаевичем, у нас очень хороший контакт с его семьей. Это фигура, безусловно, выдающаяся в истории России.

Давайте теперь перейдем к сегодняшнему дню института. Расскажите, какие самые актуальные, самые интересные разработки сейчас существуют.

– Описывать деятельность всего института, рассказывать про направления, которые мы ведем, – это займет целый день. Попробую кратко обозначить самое-самое. Это очень разрозненные области, потому что институт большой и разнопрофильный, пёстрый, работающий уже не только в физической области. Во-первых, у нас в этом году открывается совместная лаборатория с «Самсунгом». Это серьезное начинание. Она открывается на основе тех разработок, которые уже в институте велись. Они отобраны на специальных профильных конференциях «Самсунга» как наиболее выигрышные. Основная задача – это создание голографических экранов. Сейчас есть такое направление, когда берётся тонкая стеклянная пластина, в ней создается фазовая запись решетки, направляется свет, и на этом голографическом экране появляется изображение, которое можно менять. Сквозь этот экран можно смотреть на окружающий мир. Это самые передовые разработки. И мы уверены, что это направление будет развиваться. 

– А где это будет использоваться? 

– Например, для просмотра фильмов, когда вы смотрите сквозь экран и можете виртуальную и действительную реальность совмещать. Имеет смысл использовать эту возможность для технических задач – скажем, для пилотов, где надо совмещать виртуальную реальность и действительность. 

Из крупных задач, которые мы перед собой поставили и уже успешно выполнили в научно-техническом плане – это запуск нашего нового научного корпуса, наполненного самым современным по мировым стандартам оборудованием. Работавший у нас Виталий Лазаревич Гинзбург после того как был удостоен Нобелевской премии, обратился к Владимиру Путину, который в то время был президентом, с просьбой развернуть исследование по высокотемпературной сверхпроводимости. Он был уверен, что мы можем создать сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Это очень выигрышно для передачи энергии. Путин это одобрил, и у нас возникло некое направление, закипела стройка. В этом году мы стройку заканчиваем. Это пять тысяч квадратных метров прекрасно оснащенных лабораторных помещений. Новый этап для жизни нашего Института. Здесь могут возникать не только новые фундаментальные научные разработки, но и решаться вопросы импортозамещения.. 

Интересно, что в этой области мы очень тесно контактируем с иностранными учеными, с международным сообществом. Мы запрашиваем около 150 виз в год. Это много. В частности, наш корпус Гинзбурга включен в научную программу совместных работ с Великобританией. У нас есть совместный грант посольства Великобритании, проведен ряд семинаров с участием представителей посольства, с участием ведущих ученых этой страны. И не только Великобритании.  То есть, несмотря на политическую напряженность, научные контакты у нас очень тесные. 

Сейчас у нас начались разработки по квантовым вычислителям, это сейчас модная и важная тема, которая пока носит, скорее, фундаментальный характер. Но есть и такие направления, как сверхпроводящие кубиты на холодных атомах, на ионах, когда одиночные ионы, захваченные в специальные виды ловушек, удерживающиеся во внешнем потенциале. Если удастся достичь количества захваченных частиц более 50, то такой вычислитель опередит любые, самые мощные обычные компьютеры. Это крупный проект, крупная задача, большая научная ответственность, и мы сейчас в этом направлении двигаемся. Еще одно интересное направление, и тоже в рамках государственных программ, – это  радиообсерватория «Суффа». Совсем недавно состоялся визит Владимира Путина в Узбекистан, где обсуждался целый ряд вопросов, в том числе и технических, в области научных исследований. Как приоритетная задача была обозначена радиообсерватория на плато Суффа, в высокогорной местности на границе с Таджикистаном. 

– Знаю, эту обсерваторию не могут достроить уже много лет. 

– Да, это проект сорокалетней давности. Я его называю «скелет динозавра». Это основа для антенны, а самой антенны нет. Но сейчас принято политическое решение создать там телескоп, который должен работать в  коротковолновом миллиметровом диапазоне. Это очень сложная задача. 70-тиметровое зеркало – это очень много. Точность изготовления поверхности должна быть меньше миллиметра. Это, конечно, технический вызов с научной точки зрения, и если нам удастся ему соответствовать, то мы сможем заглядывать близко к центрам галактик, изучать черные дыры, что сейчас является важным направлением в радиоастрономии. Важно это и для института, поскольку мы исторически вовлечены в такие исследования. Когда-то мы там исследовали астроклимат. А сейчас волею судеб являемся одним из ключевых участников большой кооперации, в которую входят и так называемые антенщики – люди, которые строят антенны, и ученые из разных институтов, и специальные астрофизические обсерватории из ФИАНа, из Санкт-Петербурга, из Института прикладной астрономии. Идет формирование международной организации, и уже в этом году мы планируем приступить к работам. 

– Поскольку речь о миллиметровом диапазоне, означает ли это, что «Суффа» будет работать вместе с «Миллиметроном»? 

– Да, проект силён именно тем, что «Суффа» и «Миллиметрон» могут работать в паре, они друг друга дополняют, усиливают. Сейчас, как известно, у нас успешно работает другой летающий космический проект – «Радиоастрон», или «Спектр-Р». Это радиоантенна, которая находится на довольно высокой орбите относительно Земли, почти долетает до Луны, и нацелена на изучение радиосигналов в сантиметровом диапазоне. Работает он в паре с наземными телескопами, что дает возможность обострить разрешение такой системы, увидеть мельчайшие детали космических объектов. В последнее время с помощью «Радиастрона» получен ряд сенсационных научных данных. Но определенный недостаток сантиметрового диапазона – это то, что сложно приблизиться к границе черных дыр. Это связано с некоторыми физическими принципами, которые обойти нельзя. Но, если перейти в миллиметровый диапазон, когда длина волны становится меньше, можно подойти ближе к ядру галактики, к черной дыре, и это очень интересная задача. Для этого нужно сделать тарелку с очень выдержанной поверхностью, потому что, чем короче длина волны, тем точнее должна быть изготовлена антенна. И еще из сложностей – она должна работать при низкой температуре. Такие технологические решения есть, мы их осуществляем. Антенну сейчас охлаждают в «ИСС Решетнева» в Красноярске. Это один из флагманских проектов, помимо «Лун» и «Экзомарса», который действительно нацелен на фундаментальные исследования космоса. 

– Слышала, что у вас также ведутся работы по искусственному интеллекту. 

Это прозвучит неожиданно, но ФИАН волею судеб, действительно, вовлечен в работы по искусственному интеллекту в области финансов. Недавно у нас закончилась четвертая конференция Сетевого Института, которую проводит служба Росфинмониторинга. Мы уже два с половиной года ведем совместные работы. Есть ряд наработок математических моделей в области теории игр, математических методов ядерной физики, которые применимы к задачам поиска сложных схем в объемной кровеносной финансовой системе страны. На этой конференции присутствовали представители Администрации президента, министр образования и науки, руководители служб, Госдумы, Совета Федерации, то есть это проблема исключительно важная для государства и целого ряда ведомств. ФИАН уже внёс свою лепту в создание новой системы по поиску возможных нарушений с использованием теории игр, мульмиагентного моделирования. Этим занимается наша проблемная лаборатория. Эта программа поддержана Президиумом РАН. 

– Слышала, что недавно ФИАН был официально признан базовой организацией по физике в странах СНГ.

– Да, и мы этим гордимся, стараемся соответствовать. Я сказал про «Суффу», а ещё у нас работает филиал в Казахстане на границе с Киргизией. Там тоже  высокогорная обсерватория, где исследуются грозы и молнии. Это направление, которое всё время приносит новые результаты. Как возникают молнии, какие излучения образуются при прохождении пробоя? Всё это вопросы, которые также требуют изучения. 

– А ещё в ФИАНе был сделан первый отечественный магнитно-резонансный томограф. Что с ним сейчас? 

– С помощью этих систем мы сейчас занимаемся так называемой контрастной томографией. Ведь что такое обычная томография? Это по сути исследование концентрации воды в теле. В одних тканях ее больше, в других меньше. За счет этого получаются соответствующие изображения органов. Если добавить контраста – например, гадолиния, то можно более ярко подсвечивать проблемные зоны, увеличивая контраст. Это исследование тоже очень любопытное, оно разрабатывается у нас совместно с медиками.  

Сейчас вообще развивается множество методов, связанных с терапией рака. Это, например, такие сложные и специфические методы, как  нейтронозахватная терапия. А есть более простые, связанные с  ультразвуком, когда вы доставляете тяжелые частицы в проблемную область, направляете мощный поток ультразвука, и он разбивает опухоль, как камни в почках. В ряде случаев это эффективно и безопасно. Всё это также делают под контролем магниторезонансного томографа. Здесь мы тесно сотрудничаем с академиком А.Д. Каприным. Надо сказать, все исследования, связанные с медициной, всегда очень интересны и актуальны, но сложны для внедрения. 

– Николай Николаевич, а вы ведь не только директор, но и руководитель одного из отделов ФИАНа… 

– Да, я руковожу отделом спектроскопии. У меня сейчас отличная группа ребят, и мы работаем над реализацией федеральной целевой программы по созданию прототипа бортового стандарта частоты для «Глонасс». Это по сути оптические часы. Вообще ведь именно ФИАН стал прародителем идеи стандартов частоты. Академики Николай Геннадьевич Басов с Александром Михайловичем Прохоровым создали идею лазерно-мазерной генерации, получили за это Нобелевскую премию, и вскоре стало понятно, что эти системы блестящим образом могут быть использованы для метрологии. Мы сегодня уже видим, что благодаря этому можем пользоваться Убером, различными навигаторами, и всё это только благодаря системам «Глонасс-GPS». А система «Глонасс-GPS» – это некая распределенная система часов. Очень точных часов. Если мы пларнируем осуществлять навигацию с точностью до 30 сантиметров, то часы, которые летают на спутниках «Глонасс», должны обеспечивать точность лучше 14 знаков после запятой. Но хочется ещё точнее. Ясно, что при этом  уже появляются релятивистские эффекты, связанные с гравитацией, и сегодня стоит задача, как преодолеть эти проблемы, чтобы повысить возможности навигации. Например, мы мечтаем об автомобилях без водителя. Так вот, там крайне желательно, чтобы точность навигации была сантиметров десять, а не несколько метров – чтобы не путаться в развязках и не перескакивать с дороги на дорогу. Значит, надо еще как минимум на порядок увеличить точность этих часов. Те технологии, которые есть сегодня, опираются на так называемые микроволновые переходы в атомах, в цезии, в водороде, – оказываются недостаточны. На Земле эта проблема уже решена. В ряде лабораторий созданы оптические часы, когда у атома стабилизированным лазером осуществляется оптический переход, и в результате уже сейчас достигается семнадцатый знак. Понятно, что эта система занимает полкомнаты. Мы же взяли на себя сейчас задачу создать прототип оптических часов, который будет занимать кубический метр. 

– Ничего себе! 

– Это пока больше, чем надо для спутника, но существенно меньше, чем то, что мы обычно видим в лаборатории. Причем, это уже с блоком питания и со всей системой. Примерно через полтора года мы должны завершить эти работы. Работаем увлеченно, много что получается. Есть интересные фундаментальные результаты. Когда такая фантастическая точность, излучение так называемого черного тела или излучение окружающей среды начинает влиять на точность часов. Скажем, вы лампочку включили, у света есть определенная температура, и она стабильность атома нарушает. Точность падает. А мы нашли некий атом, который очень малочувствителен к этим эффектам.

– Что же это за атом?

Это атом тулия. Он находится в конце периодической таблицы. Обычно электрон под действием светового излучения прыгает на другую внешнюю оболочку, при этом он очень чувствителен в излучению. А этот атом отличается тем, что внешние оболочки у него замкнутые, но есть электронная  вакансия во внутренней оболочке. Электрончик прыгает внутри между этими оболочками, а снаружи получается экранировка. 

– Он ведёт себя, как теннисный мячик?

– Да, теннисный мячик снаружи деформируется, а внутри у него все стабильно. Оказалось, что у тулия примерно на три порядка, в тысячу раз, чувствительность к таким внешним эффектам меньше. На эту тему мы направили статью в «Нейче комюникейшн», и рецензенты написали, что это очень интересно. Я бы даже перевел с английского – прикольно, неожиданно. А это то, что сейчас, в общем-то, мы все ищем. Что-нибудь такое неожиданное. Хотя большинство научных работ – это эксперименты, которые лишь подтверждают теорию. 

А ведь это и есть настоящая наука, приводящая к открытиям. Она начинается с неожиданности. 

– Если говорить о других исследованиях моей лаборатории, то мы ведем измерения  размера протона. Оказывается, при измерениях разными методами размер протона получается немножко разный. Протон очень маленький, но, тем не менее, имеет характерный радиус. И эксперименты, которые проводились с так называемым мюонным водородом, то есть когда не электрон летает на орбите, а мюон, по сравнению с обычным водородом дали разные результаты. Естественно, физики сразу за это схватились, потому что, может быть, это какая-то новая физика. Может быть, мы не понимаем, как работает квантовая электродинамика, или мы не понимаем, что есть какие-то дополнительные частицы, которые приводят к такой неодинаковости. И дальше мы в сотрудничестве с группой Нобелевского лауреата Теодора Хенша провели альтернативный эксперимент на холодном пучке водорода. К сожалению, эту загадку заряда радиуса протона мы разгадали. 

– Почему же к сожалению?

– Потому что, когда загадку разгадываешь, оказывается сразу не так интересно. 

Ну ничего, будут же другие загадки.

– Ищем. Хочется найти какие-то темы, где именно с фундаментальной точки зрения есть нечто удивительное, непостижимое. 

– У вас много молодежи. Откуда эти ребята? 

– Мы тесно сотрудничаем с вузами. За последний год вот в результате Майских указов, когда произошла заметная прибавка к финансированию, человек пятьдесят молодых научных сотрудников мы взяли. В основном к нам ребята приходят из Московского Физтеха. С МГУ и МИФИ у нас тоже очень хорошие отношения. У нас даже есть факультет в МИФИ, который организовывал Николай Геннадьевич Басов. Есть ребята из Высшей школы экономики, из Бауманского университета. Но основа – всё же Физтех. У нас четыре базовых кафедры. В институте у нас многие сотрудники по совместительству занимаются преподавательской деятельностью. 

И вы тоже?

Я на Физтехе преподаю, а в МИФИ я завкафедрой. Вы знаете, мне всегда интересно, как в результате каких-то загадочных генетических процессов вдруг выстреливают  молодые люди с ярким математическим мышлением. Иногда в совершенно в неожиданных местах. Не в семье ученых, где-нибудь в глубинке. Самородок, талант необычайный. Вот чем хороша система МФТИ – там за счет заочной физико-технической школы возможно вытаскивать этих ребят. Иной раз они приезжают из таких населенных пунктов, о которых я даже не слышал. Он учится, защищает кандидатскую…. А дальше задача – их удержать. Сейчас, правда, с этим стало легче. Уровень жизни прибавился, много интересной работы. Есть возможность поездить по миру, поработать, посмотреть, поучиться. Но, конечно, очень хочется, чтобы они возвращались. И многие сейчас возвращаются. Сейчас, на мой взгляд, переломный момент, когда надо вкладываться вот в эту молодежь. Это дело, конечно, рискованное. Но необходимое. 

Вы говорите – а вдруг это другая физика, а вдруг мы не понимаем какие-то базовые вещи? То есть, нельзя говорить, что с физикой всё ясно, мы познали мир. 

Осталось несколько вопросов, которые сохраняют свою актуальность. Пока до них мы не дошли. Это, например, темная материя. Черные дыры. Барионная асимметрия Вселенной. Сейчас очень интересные начинаются работы в ЦЕРНе, я там член коллаборации. Будет исследоваться гравитация антиводорода. Это совсем свежая тема, ей всего десять лет. Синтезирован антиводород, измерен его спектр. Ведь это вообще большой вопрос – почему мы окружены материей. Почему вся Вселенная состоит из материи? Нет никаких признаков того, что в далеких галактиках или где-то ещё есть антиматерия. 

– А она нужна? 

– По логике вещей, да. Если мы верим в радиационный период развития Вселенной, то был период, когда вся материя представляла собой фотоны. А фотон должен симметрично распадаться на антипротон – протон, позитрон – электрон, частица – античастица. Но куда делась эта антиматерия, совершенно непонятно. 

– Или эта теория неверна. 

– Да, и поэтому сейчас начнутся эксперименты с этим антиводородом. Например, как он будет падать в гравитации – так же, как водород или по-другому? 

А может, он вообще падать не будет. Почему он должен подчиняться гравитации? 

– В общем, где-то должно быть отличие. Мы почти уверены в том, что материя и антиматерия в чем-то должны отличаться. Другой вопрос – почему нет такой же, как вы, где-нибудь в другой Вселенной?

– А может быть, и есть. 

Нету. В наблюдаемой части Вселенной нету. 

Но ведь могут же быть параллельные вселенные.

– А это уже другой вопрос. Тоже интересный и тоже пока безответный. И всё это разнообразие вопросов и ответов выросло из научного наследия Петра Николаевича Лебедева, одного из пионеров российской физики, великого ученого, имя которого мы наследуем. Он оставил нам совершенно уникальные знания, документы, приборы –маятники, которые доказывают, что свет при попадании на тело осуществляет давление. Деликатнейшие изделия из стекла, пластинки, компенсационные элементы. Всё это он делал сам, потому что других приборов и возможностей тогда не было. И мы должны всегда помнить, что стоим на плечах гигантов, и те вопросы, на которые сегодня мы пытаемся отвечать, возникли не сегодня, а много лет назад. Наука – это не только знания и опыт, это преемственность, это история, это память. 

Николай Колачевский, член-корреспондент РАН, директор Физического института им. П.Н. Лебедева РАН

 

голограмма николай колачевский радиоастрон самсунг сверхпроводящие кубиты фиан физический институт им пн лебедева

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий

Информация предоставлена Информационным агентством "Научная Россия". Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.