Нобелевскую премию по физике в 2021 году получили трое ученых — Сюкуро Манабэ, Клаус Хассельман и Джорджо Паризи — за прорывы в понимании сложных физических систем и моделирование климата Земли. Последним российским нобелиатом в этой дисциплине в 2003 году стал Виталий Гинзбург. После этого ученые российского происхождения получали премию, но жили и проводили исследования за рубежом. Почти 20-летнее затишье заставляет задать вопрос: какие перспективы у отечественных ученых в самых актуальных областях физики?
Физика сложных систем
К этой области науки Нобелевский комитет отнес фактически никак не связанные между собой исследования трех нынешних лауреатов (по изменению климата и поведению хаоса). Современные вызовы придают физике сложных систем чрезвычайно актуальный характер и практический смысл.
«Мы находимся на краю пропасти, — заявил недавно генсек ООН Антониу Гутерриш. — Средняя температура уже поднялась на 1,2°C выше той, что была в доиндустриальную эпоху. Это очень близко к критическому показателю в 1,5 °C. Этот год будет решающим. Если мы потерпим неудачу [в контроле климата и переходе на зеленые технологии], то окажемся в огромной опасности».
В ближайшее время можно ожидать рост объемов исследовательской работы в области физики сложных систем и физики климата. Главные открытия в этой области совершили еще десятки лет назад. Например, в 60-х Сюкуро Манабэ создал инструментарий моделирования климатической системы, десять лет спустя Клаус Хассельман связал погоду и климат. Награду с ними мог бы разделить советский физик Андрей Монин — один из основателей геофизической гидродинамики, которая создала почву для исследований по всему миру.
Сейчас в России немного ученых, которые занимаются моделированием сложных систем в части климата и при этом получают признание на международном уровне. Например, работа Евгения Володина из Института вычислительной математики им. Марчука РАН стала частью большой модели IPCC (Межправительственной группы экспертов по изменению климата) несколько лет назад. В научном сообществе встречается мнение, что сейчас российские исследования сильно отстают от западных работ, а специалистов уровня нобелевских лауреатов в стране попросту нет. Причины — недофинансирование и упадок экспертизы.
В России нет отдельного глобального института, который занимается физикой сложных систем. Но есть региональные инициативы – например, учебно-научный центр «Физика сложных систем», открытый в 2009 году в Казани. Магистерская программа реализуется по принципу обмена опытом с Институтом проблем механики и современного материаловедения ISMANS (Франция).
Климатические модели — это только одна из практических сфер, которая пожинает плоды открытий в области физики сложных систем. Так, третий нобелиат Джорджо Паризи получил награду за открытие математических закономерностей, возникающих в сложных (хаотических) материалах, что позволило ученым описать множество разных явлений — не только в физике, но и в математике, биологии, нейронауке, машинном обучении. Кроме того, его работы были очень полезны при создании квантового компьютера.
Квантовая физика
Квантовый компьютер — одно из мощнейших прикладных достижений. По самым оптимистичным оценкам, в России они появятся через несколько лет, а пока есть только прототипы разных типов квантовых процессоров. К ним относится созданная в лаборатории МФТИ первая уникальная пятикубитная схема для квантовых вычислений.
В 2021 году также появилась 20-ионная платформа, альтернативный подход к созданию квантового компьютера, «Национальной квантовой лаборатории». Для России оба события — большой прорыв, но все же это значительное отставание в мире, где уже есть полноценный квантовый компьютер на 27 кубит и работает 5000-кубитная машина D-Wave для ограниченных вычислений.
«По прогнозам Gartner, кванты станут реальностью для большинства уже в 2023 году, а не через 20 лет, как считали раньше, — отмечает Елена Зислин, вице-президент JPMorgan Chase’s Technology Business Development. — Через два года 20% компаний в мире уже будут иметь проекты в области квантовых вычислений. Для сравнения — сегодня это только 1%».
Эксперименты для создания квантовых компьютеров в России требуют больших денег. А вот отдельные направления исследований часто реализуются несколькими институтами. В составе международных групп российские ученые приложили руку к нескольким важным открытиям. Например, совместная с IBM исследовательская группа Сколтеха изобрела квантовые переключатели — технологию, которая кратно уменьшает потребление энергии квантовым компьютером. Теоретически это позволит не использовать дорогостоящие системы охлаждения, которые значительно затрудняют эксплуатацию устройства.
Примерно такой же практический смысл у еще одного открытия — сотрудников Российского квантового центра с коллегами из МГУ и КФУ. Они впервые в истории получили квантовые явления сверхпроводимости и сверхтекучести при комнатной температуре. Это была мечта исследователей по всему миру в течение последних десятилетий.
Также есть немало открытий, совершенных в составах международных групп. Например, ученые Института физики твердого тела им. Осипьяна и Сколтеха совместно с коллегами из Принстона (США) и Института Вальтера Шоттки (Германия) предложили оригинальный способ детектирования сложных квантовых состояний — майорановских мод. Ученые давно пытаются обнаружить эти частицы, но это чрезвычайно сложно: у них нет заряда и спина. Потенциальная польза открытия — в использовании уникальных свойств при создании квантового компьютера нового поколения (скорость вычислений выше, влияние помех среды — меньше).
Сильная научная школа складывается там, где есть преемственность. В октябре 2021 года в МФТИ появилось исследовательское подразделение, где научным руководителем будет Андрей Гейм — знаменитый физик и выпускник МФТИ, который получил Нобелевскую премию за открытие графена вместе с Константином Новоселовым. Лаборатория будет заниматься мезофизикой — или проявлением квантомеханических явлений на макроскопических масштабах. Открытия в этой сфере могут иметь большое прикладное значение для развития микроэлектроники.
Физика материалов
Привлечение к российским научным проектам нобелевских лауреатов — важный стратегический шаг на пути к тому, чтобы создать центр притяжения для молодых ученых, где бы концентрировался интеллектуальный потенциал страны. Этим сейчас и занимается МФТИ. Один из самых цитируемых физиков современности, профессор Манчестерского университета, нобелиат Константин Новоселов возглавил подразделение Физтеха, ориентированное на эксперименты с двумерными умными материалами. Это очень перспективное направление с большим потенциальным эффектом для микроэлектроники и техники. Ожидается, что такие материалы можно использовать в качестве основы нейроморфных компьютеров.
«Мы стремимся к тому, чтобы наши выпускники сохраняли контакты со своей альма-матер, как бы ни сложилась их судьба – будь то работа в крупных российских вузах или научных центрах за рубежом. Развитие научной диаспоры Физтеха служит и источником знаний, и катализатором новых проектов, не говоря об опыте, которые получают студенты, работая с учеными уровня Андрея Гейма и Константина Новоселова. Мы ведем переговоры и с другими выдающимися выпускниками. Согласно нашей стратегии, на Физтехе появятся порядка 30 лабораторий мирового уровня», – рассказал «Хайтеку» ректор МФТИ Дмитрий Ливанов.
Наноматериалами в России также занимается Курчатовский институт. Недавно физики синтезировали принципиально новый класс тонкого вещества — субмонослойные магнитные пленки. Они имеют толщину в один атом, но при этом сильно разряжены. Это самые тонкие искусственные магниты из тех, что когда-либо получалось создать в лаборатории. С этим открытием может быть связан толчок в развитии спинтроники (система, которая использует спин в качестве носителя информации в квантовых вычислениях). В процессе исследовательской работы физики Курчатовского института сотрудничали с Европейским центром синхротронных исследований, где есть уникальная ускорительная установка, позволяющая изучить свойства нановещества. Это вплотную подводит к разговору о состоянии ускорительной физики в России.
Ядерная и ускорительная физика
В начале 2021 года в России запустили две мегаустановки: самый мощный в мире высокопоточный исследовательский нейтронный реактор ПИК и термоядерный реактор Т-15МД (также известный как «Токамак»). С его помощью российские ученые хотят сделать открытия, которые позволят создать технологии двухкомпонентной ядерной энергетики. В Курчатовском институте их еще называют «природоподобными», то есть замкнутыми на себе и естественно встроенными в ресурсооборот окружающей среды.
Также ученые Курчатовского института работают над созданием маломощных атомных станций на основе термоэлектриков, которые практически не нужно обслуживать. Прототип установки, который можно назвать компактной атомной батарейкой, функционирует уже несколько десятков лет. Возможно, именно российские физики прокладывают дорогу к созданию технологий, которые смогут обеспечить жизнь человека на других планетах.
Несмотря на наличие в стране нескольких установок мирового класса, новые ускорители и реакторы создаются реже, чем выходит из строя советское наследие. Это серьезная проблема — ведь большинство открытий в физике частиц и ядерной физике происходит во время экспериментов на таких установках.
«За последние 30 лет появилась тенденция на сокращение доли работ, выполняемых в исследовательских центрах РФ. Это связано с отсутствием в стране современной экспериментальной базы. На фоне общего, я бы сказал, депрессивного состояния фундаментальной науки в стране создание крупных научных ускорительных установок затормозилось. Это привело к тому, что наметилось существенное отставание в развитии отечественных ускорительных технологий по целому ряду важнейших направлений, таких как ядерная медицина, материаловедение, полупроводниковая промышленность, которые теперь зависят от иностранных поставщиков», — заявил академик Борис Шарков на недавнем заседании РАН.
Положительная сторона ситуации в том, что уровень экспериментальной базы можно поднять, причем в ближайшие годы. В 2022 году достроят и запустят коллайдер NICA в Дубне. В Сарове создают Национальный центр физики и математики, где появится еще один коллайдер — Super c-tau Factory. Возможно, именно с его помощью российские ученые исследуют процессы и явления, которые выходят за пределы «стандартной модели». Но их могут опередить: в мире ежедневно проводятся эксперименты на ускорительных установках, и ученые очень близки к открытиям, которые положат основу «новой физике».
А пока российским физикам-теоретикам приходится буквально уговаривать ЦЕРН проводить эксперименты. Для этого нужно убедить их в потенциальной прикладной пользе открытия. Сейчас этого добивается Дмитрий Карловец, который математически доказал сохранение необычного состояния «закрученности» и свойств волны у частиц на высоких скоростях. Раньше исследователи изучали эти квантовые свойства только на умеренных энергиях. Есть ли тут практическая польза, большой вопрос, но далеко не все прорывные эксперименты в истории физики ставили ее своей целью. Главным всегда было познание.
Читать далее
«Хаббл» сделал фото одной и той же активной галактики с разницей в 20 лет
Астрономы рассказали, где и как во Вселенной образуются золото и платина
Послушайте звуки Марса, которые записала миссия Perseverance