Физически это возможно

Физически это возможно

Самые передовые достижения физики, которые могут изменить наш мир уже завтра

Cерия интервью с ведущими российскими математиками, публиковавшаяся на протяжении года в «Огоньке» под рубрикой «Математические прогулки», вызвала не только живой интерес читателей, но и неожиданный рикошет: за математиками потянулись физики, которым, как оказалось, тоже есть что рассказать — и о новых горизонтах науки, и о достижениях ведущих исследователей. От такого предложения редакция отказаться не могла, так что «Огонек» вместе со Сколтехом начинает новый большой разговор, на этот раз о физике. Под рубрикой «Физически это возможно» в течение года будут выходить интервью с ключевыми российскими учеными, теоретиками и экспериментаторами, которые объяснят, чем занимаются, и расскажут все, что не секретно. При выкладке на сайт публикации будут сопровождаться еще и видеороликами (самые яркие отрывки из интервью, видеографика, схемы, помогающие понять сложный контекст), которые специально для этого проекта «Огонька» приготовят специалисты Сколтеха. Том I

Владимир Захаров: «Жизнь — это противостояние хаосу»

Владимир Захаров: «Жизнь — это противостояние хаосу»

Академик Владимир Захаров — автор теории нелинейных волн

Почему мы так и не научились предсказывать погоду и почему ни в одном обществе не удалось распределить ресурсы равномерно? С точки зрения науки это вопросы примерно об одном и том же. Чем нам в извечном поединке с хаосом может помочь физика? «Огонек» поговорил об этом с одним из самых цитируемых сегодня российских ученых и ведущим мировым специалистом в области теории нелинейных волн Владимиром Захаровым.

— В той области знаний, где занят я, физики-теоретики строят математические модели природных явлений. Какие именно это природные явления — зависит от личного вкуса ученого. Меня интересуют те, где участвуют волны, в том числе волны, вызывающие катастрофы. Сейчас мое рабочее время делится между двумя направлениями. Первое — это волны на поверхности жидкости, а второе — волны в оптических линиях. Эти два направления не столь уж противоположны, потому что описываются схожими математическими уравнениями. Если подробнее, то я много занимаюсь вопросами ветрового волнения океана и возможностями предсказания этих волнений. В частности, речь об изучении волн-убийц.

— Да, это довольно редкое катастрофическое явление. Такая волна высотой до 20 метров возникает за 2–3 минуты из сравнительно спокойного моря, то есть как бы из ничего. Среагировать и спасти судно капитан в этом случае часто не успевает. Долгое время ученые вообще не верили в существование этих гигантских волн, считая их выдумкой моряков. Но с тех пор, как в море появились нефтяные платформы, круглосуточно фиксирующие волнение, волны-убийцы и впрямь замечены. И сейчас тема у всех на слуху. Есть фотоподборка пострадавших судов — например, огромный танкер разломан пополам. Волна-убийца подошла под днище, он «встал» на эту волну, но так как конструкция судна не рассчитана на то, чтобы быть поднятой в одной точке, оно ломается надвое.

— В природе это явление достаточно частое. Называется коллапс: самопроизвольная концентрация энергии в одном месте. Самый простой пример — молния. Энергия распределена между облаками, а потом возникает такая зона, где все концентрируется и выделяется в виде тепла и света.

Если вы, например, пустите достаточно интенсивный лазерный луч по кристаллу, то он сфокусируется в точку, и там произойдет разрушение. Это явление самофокусировки. Фокусировка знакома каждому, кто выжигал с помощью лупы. А в природе лупу устраивает сама природа, в том числе в океане: сначала энергия волн распределена равномерно, а потом в силу некоторых причин собирается в одном месте.

Если говорить еще более широко, то все это связано с таким всеобщим явлением, как неустойчивость. В мире много неустойчивого. Скажем, гравитационная неустойчивость приводит к образованию звезд: была равномерная материя, но равномерное распределение неустойчиво, вот энергия и концентрируется в отдельных местах. Так, собственно, и начали собираться звезды.

Владимир Евгеньевич всю жизнь противостоит хаосу. С помощью математических формул он ищет путь к укрощению грозных стихий

В этом смысле разделение общества на богатых и бедных — следствие довольно общих законов природы. Человеческое общество тоже ведь неустойчиво. Если вы устроите равномерное распределение денег по всем, пройдет некоторое время и все будет наоборот: у некоторых будет много, у других мало. Эволюция подчиняется таким же законам неустойчивости.

— Смотрите. Одна и та же математическая теория описывает выделение богатых людей из массы бедных и процесс сепарации видов. Почему в природе не существует промежуточных видов? Например, есть собака, лиса, кошка, а между ними «смешанных» животных нет. Почему гены распределились столь неравномерно? Потому что есть определенное количество экологических ниш, и в каждой из них выживает свой набор живых существ.

— Волны-убийцы могут возникнуть практически везде, они фиксировались и вблизи Швеции, и у Марселя, и у нас в Геленджике. Не так давно от таких волн пострадал круизный лайнер «Louis Majesty» в Средиземном море. Судно не затонуло, хотя волна захлестнула капитанский мостик, разбила стекла. Больше десятка человек пострадали, двое погибли.

Но на Земле действительно есть особо опасные зоны. Самое нехорошее — не Бермуды, а южное побережье Африки: от Кейптауна до города Дурбан. О том, что именно это место представляет собой особую опасность, было известно, когда природу подобных явлений еще не понимали: страховая компания Ллойда ведет подсчет морских катастроф с XIX века, они и выявили, что у южного побережья Африки происходит самое большое число загадочных катастроф — суда просто исчезают.

Владимир Захаров родился в 1939 году в Казани

Если же обратиться к геофизике, мы увидим, что там довольно быстрое — порядка 8 км/ч — течение Агульяс (его еще называют течение мыса Игольного.— «О»), капитаны судов используют это для экономии топлива. Но, к сожалению, получается так, что именно там они встречаются с волнами-убийцами. Большие волны идут оттуда. Дальше они могут перераспределиться, фокусироваться на океанских течениях и создавать опасные зоны.

— Сами по себе волны-убийцы с ветром не связаны. Но в Южном океане, что между Африкой и Антарктидой, постоянно происходят штормы. Зыбь от них идет далеко. Эти волны, практически не затухая, могут не раз обогнуть земной шар. Затем они натыкаются на то самое течение Агульяс, которое играет роль своего рода линзы для волн со стороны Антарктики.

— Мы строим математические модели этого процесса, набираем статистику, пытаемся оценить функцию рождения вероятности таких явлений. Однако индивидуально такие события очень трудно предсказуемы. Если говорить о волнах-убийцах, то там спектр волнения должен подчиняться некоторым условиям. В частности, должен быть спектрально узким, чтобы достаточно близко подходить к периодической монохроматической волне (особая волна, в спектр которой входит всего одна составляющая по частоте.— «О»).

В 1963-м Владимир Евгеньевич окончил Новосибирский государственный университет

Грубо говоря, это можно сфотографировать и увидеть из космоса. Но и здесь не все просто: на основании анализа спектра волнения моря можно предсказать, что это событие произойдет с известной вероятностью. А вот произойдет ли оно в реальности или нет — неизвестно. Поэтому, например, мы можем дать капитану судна указание не заходить в тот или иной район. Но сказать, где именно возникнет такая волна, практически невозможно.

— Это невозможно. Когда мы говорим о катастрофических геофизических явлениях, там очень большая энергия. По сравнению с теми процессами, которые происходят в ураганах, взрыв атомной бомбы — явление среднего плана. Погасить их невозможно. Единственный путь — уйти из зоны, где они могут появиться.

— В планы нашей научной группы входит создание теории возникновения ураганов.

Было бы очень важно узнать, как именно происходят эти явления, описать их математически. Интересно понять, по каким траекториям они движутся. Сегодня известно, что траектории ураганов крайне неустойчивы, и может оказаться, что небольшое воздействие сможет направить ураган в сторону. То есть сам-то ураган ликвидировать нельзя, но, возможно, когда-то мы научимся управлять его движением. Чтобы он ушел куда-то, скажем, в Южный океан, и ураганил там. Пока я боюсь делать далеко идущие обещания, здесь легко ошибиться.

— Ну метеорологическое оружие — это выдумка пропагандистов. Сегодня управлять сколько-нибудь серьезными природными явлениями нельзя. Человечество до сих пор не научилось предсказывать землетрясения, хотя это классический пример катастрофического явления. Вообще, геофизические процессы слишком масштабны, чтобы в них можно было вмешиваться. Но построить теорию ураганов было бы очень интересно и полезно.

— Конечно, подобные явления бывают в оптических линиях тоже. И они могут приводить к разрушению самих линий и к потере информации.

В свое время я стал одним из создателей теории солитонов, которую сейчас изучают в институтах. Солитон — это такая локализованная, уединенная волна, которая может пройти очень большое расстояние без искажения формы. Сейчас изучают солитоны в кристаллах, магнитных материалах, волоконных световодах, в атмосфере Земли и других планет, в галактиках, даже в живых организмах. Солитоны бывают и в оптике. Одна из основных идей — она довольно давно возникла, но технически реализуется только сейчас,— использовать солитоны в качестве квантов информации в оптических системах.

Десять лет Захаров руководил Институтом теоретической физики им. Л.Д. Ландау

— Обычно при передаче по оптико-волоконным линиям связи сигнал нужно усиливать через каждые 100 километров. А через каждые 500–600 километров нужно ставить ретранслятор, который преобразовывает оптический сигнал в электрический с сохранением всех параметров, а затем — снова в оптический для дальнейшей передачи. Если этого не делать, то на расстоянии свыше 500 километров сигнал исказится до неузнаваемости. Стоимость нужного оборудования очень высока: передача одного терабита информации из Сан-Франциско в Нью-Йорк обходится в 200 млн долларов на каждую ретрансляционную станцию. Солитоны же сохраняют свою форму при распространении, поэтому они могут передавать по оптоволокну без потерь сигнал на расстояния 5–6 тысяч километров.

— Это направление я выбрал потому, что косвенным образом принадлежу к школе Ландау. С 1993 по 2003 год возглавлял Институт теоретической физики его имени. А в ту пору, когда был еще студентом, я изучал, как и полагается, знаменитый курс Ландау (10-томный курс «Теоретической физики», по которому до сих пор учатся физики во всем мире.— «О»). И в какой-то момент понял, что в нем недостает одного тома, а именно — «Теории волн или нелинейной теории волн». И понял: моя жизненная задача — восполнить этот пробел. В то время нелинейная теория волн не была актуальной практически, лазеры только изобретали. Но уже начались различные эксперименты, в том числе в оптике. Это мотивировало мое честолюбие. Сейчас можно сказать, что не зря. Это чрезвычайно успешная область физики. В год по этим темам проходит десяток конференций.

— Да, сначала речь шла о волнах в плазме. Когда стала бурно развиваться нелинейная оптика, мы увидели схожесть процессов в этих средах. Поэтому и переключили внимание.

Плазмой как таковой я довольно давно не занимаюсь. Хотя недавно у нас была работа по поводу возможности передачи информации из космического корабля, который находится в состоянии блокаута. Знаете, когда спускаемая капсула вылетает из космоса в атмосферу, вокруг образуется зона плазмы, и через нее не могут проходить радиоволны… Это большая проблема, потому что полностью теряется связь. Наша идея состояла в том, что на сам корабль можно поставить генератор волн существенно более высокой частоты и в плазме эти волны трансформируются в другие, которые будут уже восприняты наземным наблюдателем. Мы опубликовали пару статей, но инженеры не заинтересовались.

— Военные интересовались, но у них свои специалисты. Я же допусков не имею и никогда не занимался секретными темами.

С 2005 года академик Захаров живет на две страны

— Это связано с другими обстоятельствами: одно время я был активным сторонником диссидентского движения. В частности, у меня на квартире в Новосибирске подписывалось знаменитое письмо в поддержку активистов самиздата Гинзбурга, Галанскова, Добровольского и Лашковой. Тогда его подписали 46 сотрудников Сибирского отделения РАН СССР и преподавателей Новосибирского университета (речь о письме с протестом против нарушения гласности в ходе самого крупного судебного процесса над диссидентами.— «О»). В итоге я был невыездным по 1988 год.

— Это сложная история. Я учился в Москве в Энергетическом институте (МЭИ.— «О»), пришлось оттуда уйти, и я попал в Курчатовский, который в то время был филиалом Института ядерной физики. Когда институт переезжал в новосибирский Академгородок, Будкер предложил переехать с ним. Но, надо сказать, он испытывал всех, кто приходил к нему в первый раз.

— 21 год. Будкер, вообще говоря, был любвеобильным человеком, поэтому задачка была соответственная. Вот, говорит, представь человека, который работает в центре Москвы. А у него две любовницы, одна на метро «Сокол», а другая — на «Красногвардейской». Он садится в первый попавшийся поезд, который подходит, и едет, соответственно, к той или иной. Поезда ходят с равной вероятностью, но потом выясняется, что у одной дамы он был в 3 раза чаще, чем у другой. В чем причина? Я сразу сообразил: вопрос в том, как распределены промежутки между поездами. Бывает так, что пришел поезд и тут же через некоторое время пришел другой. И поэтому тот, который ты ждешь, окажется опять первым. Ответ ему понравился, и он задал еще вопрос: у человека 365 знакомых и он ходит на день рождения к каждому. Сколько дней в году он не будет ходить на дни рождения? Я сказал — один день. Потому что вероятность того, что в данный день он не пойдет на день рождения — это единица минус 1/365. Далее работает закон произведения вероятностей независимых событий. То есть это число нужно возвести в степень 365. Вот и получится единица на е с огромной точностью.

— Это было замечательное время. А вы знаете, что именно я придумал название клуба «Под интегралом»? Были разные идеи, хотели назвать «Под зонтиком». Клуб закрыли в 1968-м, когда наступила эпоха реакции, после событий в Чехословакии, но вывеска висела еще долго…

В России Владимир Евгеньевич работает завсектором математической физики в Физическом институте им. Лебедева в Москве

— СССР в целом был нежизнеспособным организмом. А вот наука была хорошая. Достаточно сказать, что в США до сих пор на кафедрах математики процентов десять — профессора из России. Но военная наука, на которую было поставлено очень много, была не столь эффективна. Потому что в этих закрытых «ящиках» больше занимались спортивным ориентированием по компасу или игрой в пинг-понг. Кстати, в США дела обстоят не сильно лучше. Видимо, срабатывает какой-то общий закон крупных бюрократических систем. Там тоже тратится зря куча денег.

В целом я за капитализм, но такой, где культурный герой не бандит, сделавший состояние благодаря отсутствию моральных принципов, а тот, кто поднялся наверх благодаря инициативе и трудолюбию. Например, изобретатель Googlе молодой Сергей Брин придумал поисковую систему и стал миллиардером. Кто же будет против этого возражать?

— Если у аспиранта стипендия 6 тысяч рублей, о чем говорить? Это же простой материальный фактор. Сегодня видно, что чиновники у нас рассматривают науку как служанку технологии. Поэтому такая простая мысль, что человек может заниматься фундаментальной наукой и при этом всю жизнь получать гарантированную высокую оплату, им кажется совершенно несвоевременной с точки зрения рынка.

— Это немного лучше, чем было раньше. Члены клуба «1 июля» (неформальное объединение академиков РАН, выступивших против радикальной реформы.— «О») писали письмо в поддержку президента Путина, потому что он принял адекватные поправки относительно академии, а потом кто-то пытался перекрутить все в более жесткую форму. Поэтому в данный момент у нас есть проблеск оптимизма. Весь вопрос в том, насколько умным человеком окажется новый министр науки. Он должен понимать: его главная задача — добывать деньги, а управление наукой нужно доверить людям, которые в этом более компетентны.

Но в целом все, происходящее с российской наукой, ужасно. Реформу Академии наук в таком виде проводить было категорически нельзя. Конечно, у старой академии накопилось много проблем, так как долгое время ее руководство жило совершенно в отрыве от народа. Но лечить головную боль отрезанием головы — это неправильный способ лечения.

А в США является профессором математики Аризонского университета в городе Тусоне

— Если бы меня спросили, чем бы я хотел заниматься, то я бы сейчас вплотную занимался гравитационными волнами Вселенной, ранней стадией развития Вселенной и турбулентностью на ранних этапах Вселенной. Это чрезвычайно интересно. На мой взгляд, изучение Вселенной — главнейшая задача для физика. Кроме того, когда выбираешь задачу, важно ощущение, можешь ли ты в этой области что-то сделать. В данном вопросе я ощущаю некоторый потенциал.

— Ну в порядке мечтаний… Можно было бы представить себе решение задачи двух тел в общей теории относительности. Как известно, задача двух тел в классической физике была решена еще Ньютоном. Можно ли ее решить в общей теории относительности? Пока кажется, что нет. Хотя, возможно, все не так безнадежно. Недавно в эксперименте были получены гравитационные волны, возникающие при слиянии двух черных дыр. В 2017-м за работу по созданию обсерватории LIGO (ее главная задача — экспериментальное обнаружение гравитационных волн космического происхождения.— «О»), где был получен сигнал от слияния двух черных дыр массами 36 и 29 солнечных масс на расстоянии около 1,3 млрд световых лет от Земли, присудили Нобелевскую премию по физике. Это как раз и есть задача двух тел. Так что мой интерес, если говорить совсем просто, описать, что происходит при слиянии черных дыр.

Кроме того, у меня есть твердое убеждение, что можно усовершенствовать математические модели, которые используются в теории относительности. Там можно проинтегрировать больше, чем уже сделано. Но это в некотором смысле мечта.

Владимир Евгеньевич — автор поэтических сборников, член Союза российских писателей и российского ПЕН-центра

— Да, это было, когда я оканчивал Новосибирский университет, где работало литературное объединение. Но наваждение это продолжалось недолго.

— Да, вы назвали известный тест Ахматовой… Что касается меня, то я уверен, что Мандельштам — фантастический поэт, на голову выше остальных. Знаете ли вы, что у Осипа Мандельштама был большой интерес к науке? Недавно я нашел у него строки, написанные в 1923 году:

Опять войны разноголосица

на древних плоскогорьях мира,

и лопастью пропеллер лоснится,

как кость точеная тапира.

Крыла и смерти уравнение,

с алгебраических пирушек

слетев, он помнит измерения

других эбеновых игрушек.

Это же надо сказать: «с алгебраических пирушек»?! Пастернаку такое и в голову бы не пришло, он был слишком замкнут на себе, а Мандельштам смотрел на мир открыто.

— Это интереснейшая история, но я не вправе рассказать все детали и не буду называть имен. Я был очень дружен с семьей одного молодого человека, который учился со мной и много мне помогал по жизни. Его мама жила в Москве, но часто ездила в Воронеж, поскольку была там профессором биологии. Ее брат работал очень крупным чином в органах, уж не знаю, имеет ли это отношение к делу. Но однажды она привезла из Воронежа эти две тетрадки. Она знала мой жгучий интерес к Мандельштаму и передала их мне на хранение. Я увез их в Новосибирск и на всякий случай выучил наизусть. Через два года меня попросили тетради вернуть, что я и выполнил. Впоследствии именно они были активно использованы «ИМКА-Пресс» при составлении первого настоящего издания Мандельштама.

Когда к нам в Новосибирский городок приезжали американцы и один из них спросил, что мне в следующий раз привезти в подарок, я попросил привезти два вышедших тома Мандельштама. Эта книга до сих пор у меня, хотя и в достаточно потрепанном виде. Все потому, что мои друзья в Академгородке сказали: «Володя, стыдно тебе одному владеть этим. У нас есть техника, мы разошьем, отсканируем, сделаем 20 копий, а потом сошьем обратно. Внешний вид пострадает, зато это пойдет в народ». Я некоторое время кряхтел, возражал, потому что уж очень красивые книги, но потом, конечно, отдал.

Академик Захаров — один из самых титулованных физиков, лауреат госпремий СССР (1987) и РФ (1993), а также медали Дирака (вместе с профессором Робертом Крайчнаном)

— Совершенно согласен. Неужели не удивителен тот факт, что Земля представляет собой столь исключительное явление? Или посмотрите на ветку сирени. Если вы не умилитесь тому, что она существует, значит, у вас есть проблемы с эстетическим сознанием.

Сирень как биологический вид возник, предположим, миллион лет назад. Была ли сирень до этого? Схоласты отвечают: да, конечно, была, но в потенциальном виде. А потом она как-то актуализировалась. И есть огромный потенциальный мир, в котором есть сто миллионов видов сирени, а потом какая-то из них актуализируется. Эта точка зрения знаете кому принадлежит?

— Не только, в основном она принадлежит Фоме Аквинскому. Происходящее есть актуализация потенциального мира. Причем это соответствует научному взгляду на вещи. Представьте себе, что у вас имеется горный ландшафт, и по нему скатывается шарик. Он выбирает тот или иной путь, который мы видим, но сам ландшафт существует независимо от этого шарика?

Вся жизнь человечества направлена на преодоление второго начала термодинамики, то есть на противостояние хаосу. Это осознанно делают не так много людей, но именно поэтому это так важно. Долг человека — хаосу противостоять.

И физик, и лирик / визитная карточка

Владимир Евгеньевич Захаров родился в 1939 году в Казани. В 1963-м окончил Новосибирский государственный университет. За свою научную карьеру создал основополагающие труды по физике плазмы, теории распространения волн в нелинейных средах, в том числе в океане, а также по нелинейным уравнениям математической физики. Получил важные результаты в общей теории относительности и в классической дифференциальной геометрии.

Десять лет руководил Институтом теоретической физики им. Л.Д. Ландау. С 2005-го живет на две страны: в России работает завсектором математической физики в Физическом институте им. Лебедева в Москве, а в США является профессором математики Аризонского университета в городе Тусоне. Один из самых титулованных физиков, лауреат государственных премий СССР (1987) и РФ (1993), а также медали Дирака (вместе с профессором Робертом Крайчнаном) за «значительный вклад в теорию турбулентности».

Автор поэтических сборников «Хор среди зимы» (1991), «Южная осень» (1992), «Перед небом» (2005), «Весь мир — провинция» (2008), «Рай для облаков» (2009), «Сто верлибров и белых стихов» (2016). Лауреат литературной премии «Петрополь» и медали им. Виктора Розова за вклад в российскую культуру. Член Союза российских писателей и российского ПЕН-центра. В № 4 за 1990 год «Огонек» опубликовал подборку стихотворений Владимира Захарова.

Беседовала Елена Кудрявцева

Ильдар Габитов: «Электроника зашла в тупик»

Ильдар Габитов: «Электроника зашла в тупик»

Профессор Сколтеха Ильдар Габитов — крупнейший специалист в области управления потоками света

Фотонный компьютер, Wi-Fi из лампочки, материалы-невидимки, боевые лазеры и сверхчувствительные сенсоры… Все это плоды одной и той же науки — фотоники. О том, почему именно свет сегодня стал объектом изучения чуть ли не для половины физиков во всем мире, «Огоньку» рассказал профессор Сколтеха Ильдар Габитов

Мышь в камере подсвечивается инфернальным зеленым светом: несколько секунд нужно лазеру, чтобы проникнуть в глубь организма и просканировать его до мельчайших деталей. На экране появляется изображение запутанного клубка кровеносных сосудов — до самых крошечных, размером в десятую долю миллиметра. Это оптоакустический микроскоп — уникальный, пока единственный в России прибор. Он преобразует оптический сигнал в акустический и позволяет не только «видеть» сосуды вплоть до микрокапилляров, но и обнаружить в крови мельчайшие частицы — например, единичные раковые клетки.

— А если увеличить интенсивность излучения, то клетка от перегрева просто лопнет и разлетится на части. Понимаете? — рассказывает профессор Ильдар Габитов.— Мы можем удалять нежелательные биологические объекты прямо внутри организма без хирургического вмешательства и без воздействия на весь организм. Эти возможности одновременной диагностики и терапии характерны для нового направления медицины — тераностики.

Мы находимся в Центре фотоники и квантовых материалов в Сколковском институте науки и технологии в лаборатории биофизики. Пока ученые оттачивают свое мастерство на образцах тканей. Но в ближайшее время в Сколтехе появится полноценный исследовательский виварий.

Интересно, что идея соединить технологии диагностики и лечения возникла еще у Нобелевского лауреата, одного из авторов американской атомной бомбы — Ричарда Фейнмана. Он предсказал создание автономных инструментов, которые смогут выполнять хирургические операции непосредственно в организме человека. Фейнман писал: «…Было бы интересно, если бы вы могли проглотить хирурга. Вы введете механического хирурга в кровеносные сосуды, и он пройдет к сердцу и «осмотрится» там…». Возможно все это станет реальностью в ближайшее десятилетие. Для этого нам нужно понять, как фотоны взаимодействуют с веществом на наноуровне, и развить методы управления светом.

Компьютер из света

— Свет — это основа всего,— добавляет профессор Габитов по пути в другую лабораторию.— Без света не было бы ничего: не смогла бы зародиться жизнь на Земле. Не было бы ни современной медицины, ни современной промышленности, да и всего современного общества с его сложнейшей информационной структурой, экономикой и повседневной жизнью тоже бы не было. Наука фотоника, чье стремительное развитие обусловлено огромным количеством приложений, изучает свойства света, взаимодействие света с веществом, разрабатывает методы управления световыми потоками. Общим для этих методов является одно — они основаны на манипуляциях с частицами света — фотонами. (Фотон — это квант электромагнитного излучения, он, в отличие от электрона, не имеет массы и электрического заряда и двигается в вакууме со скоростью света — «О».)

— Я бы назвал два основных фактора — развитие инструментальной базы и растущие технологические потребности, включая информационную инфраструктуру современного общества. Сегодня 30–40 процентов выпускаемой в мире продукции создается с использованием фотоники, а перечень областей, где будут применяться открытия, растет с каждым днем.

— Технологии электроники в некоторых областях действительно подошли к некоторому пределу. Мы все свидетели быстрого развития приборов, основанных на электронике. В кармане у многих есть смартфон — удивительное устройство, функциональные возможности которого 20 лет назад нельзя было и представить. Его появление хорошо иллюстрирует философский закон перехода количества в качество. Если бы мы попытались сделать нечто похожее на смартфон во времена так называемой дискретной электроники, то соответствующее устройство из радиоламп, конденсаторов, сопротивлений, индуктивностей и т.п. получилось бы размером с квартал. Вдобавок оно потребляло бы неимоверное количество энергии и не смогло бы работать из-за постоянных поломок вследствие ненадежности элементов. Лишь появление микросхем высокой степени интеграции (содержат большое количество элементов.— «О») привело к созданию устройств нового типа, которые ныне доступны каждому. Однако дальнейший прогресс, по которому развивается электроника, в ряде случаев не представляется возможным.

— И в чем причина?

— Причин несколько. Во-первых, в современных компьютерах количество микросхем достигает порядка 1,5–2 млрд. И каждую нужно соединить проводочками! При этом возникают так называемые паразитное сопротивление, паразитные емкости и индуктивности, которые ограничивают быстродействие. В итоге совершенствование современных машин идет за счет более сложной архитектуры, многоядерных процессоров, нового программного обеспечения и т.д.

Во-вторых, развитие компьютеров очень сильно тормозит отсутствие материалов, которые способны отводить тепло. Элементы в современных устройствах становятся очень маленькими, но их очень много, они чрезвычайно плотно упакованы, так что перегрева избежать невозможно. В настоящее время такие гиганты индустрии, как Google и Facebook, вынуждены были расположить свои «дата-центры» (центры обработки данных.— «О») в условиях холодного климата: за полярным кругом и на Севере на нефтяных платформах, где много холодной воды. А крупнейший в Китае дата-центр находится на высоте в 1065 м над уровнем моря в Хух-Хото, во Внутренней Монголии. Проблема требует решения, потому что плотность систем хранения данных будет только расти. Из культуры пользователей совсем уходит навык что-то стирать или уничтожать, как было еще 20 лет назад, когда мы пользовались дискетами или дисками. Облачное пространство кажется бесконечным.

А третья причина, самая главная, из-за которой быстродействие компьютеров больше не растет, связана с количеством электронов, которые участвуют в элементарной логической операции. Сейчас в одной операции задействован фактически один электрон. То есть дальше мы должны будем использовать «половинку» или «четверть» электрона, что является абсолютной нелепостью. Поэтому возникла идея попытаться создать устройства высокой степени интеграции с использованием фотонов.

— Да, оптоволокно — тонкая нить из прозрачного материала, по которой с высокой скоростью переносится свет — удивительный материал. Представьте себе: десятки километров оптического волокна обладают такой же прозрачностью, как и метр оконного стекла! Это и позволяет использовать фотоны вместо электронов в качестве носителей информации. Создание технологии оптического волокна и изобретение оптических усилителей привели к колоссальному прорыву в области высокоскоростной передачи. Теперь, конечно, возник соблазн использовать фотонные технологии не только для передачи, но и для обработки информации.

— Так реально ли в ближайшее время создание фотонного компьютера?

— Здесь мы упираемся в нерешенные пока проблемы. Например, современный процессор представляет собой сложную структуру, выполненную из мельчайших элементов. С каждым годом компании совершенствуют технологии: у Apple и Samsung технологические размеры составляют приблизительно 7 нанометров (то есть сегодня возможно оперировать деталями такого размера и соответственно размещать очень много миниатюрных элементов.— «О»). Но фотон, как известно, одновременно является и частицей, и волной. При этом длина этой волны, используемая в современных информационных системах,— 1550 нанометров. Грубо говоря, смартфон на основе фотонных технологий был бы сегодня примерно в 200 раз больше привычного нам.

Вторая нерешенная проблема — отсутствие эффективных методов управления потоками фотонов. Электроны, как известно, имеют заряд, поэтому ими можно манипулировать при помощи магнитного или электрического поля. Фотоны нейтральны и этого сделать нельзя. Сегодня все ожидают появления новых гибридных устройств, которые бы объединяли фотонику и электронику. Над решением этой задачи бьются исследовательские центры ключевых компаний.

— Что это даст? Невероятное быстродействие? У человечества есть задачи, которые нужно решать с такой производительностью?

— Конечно, такие задачи есть в области моделирования климата, изучения мозга, медико-биологических проблем… Этот список можно продолжать долго. Что касается новых возможностей для повседневной жизни — знаете, на этот вопрос я ответить не могу. Повторюсь, 20 лет назад мы не могли себе представить, какими удивительными возможностями будут обладать смартфоны. Поэтому фантазировать на тему о том, к каким функциональным возможностям может привести создание устройств фотоники высокой степени интеграции, дело неблагодарное.

Наука просветления

— Гигантские проекты типа адронного коллайдера в области фотоники представить трудно — масштаб процессов здесь меньше. Но наука эта очень дорогая. Обычно центры фотоники, которые работают с очень маленькими структурированными объектами, с новыми материалами и новыми устройствами, стоят порядка 250–300 млн долларов.

— Все больше исследований смещаются и концентрируются в крупных компаниях. Ключевые сотрудники стоят очень дорого, поэтому часть пилотных исследований и исследований с высокой степенью риска компании отдают на аутсорсинг университетам, где есть квалифицированные профессора и хорошие студенты.

Если говорить о странах, то большая работа проводится в США. Помимо того, есть хорошие центры в Англии, в ФРГ, Японии, Кореи. Отчасти во Франции. Большая работа ведется в университетах, например в Университете Рочестера в Нью-Йорке. Это вообще известное место для всех, кто имеет отношение к оптике. Здесь начинали работу такие известные оптические гиганты, как Kodak, Xerox, Bausch and Lomb.

— Китай пока не попал в этот список?

— Китай — отдельная история. На фотонику там выделяются громадные средства. Китайцы уже доминируют в отдельных областях производства, но, может быть, пока чуточку отстают по части разработки новых устройств. Хотя где-то, например в квантовой связи, китайцы обогнали весь мир. Буквально в нынешнем сентябре они при помощи квантового спутника QUESS осуществили связь между Китаем и Австрией. При этом не только побит рекорд по расстоянию, которое преодолел сигнал, но и положено начало созданию коммуникационных связей, которые невозможно взломать.

Китай развивается очень быстро, он привлекает не только значительные средства, но и человеческий потенциал. Сейчас, что интересно, китайские студенты зачастую уже не остаются после учебы в тех же Штатах, они возвращаются в Китай, а потом, становясь руководителями лабораторий, приглашают туда же своих профессоров.

— Да, Россия с Индией, по-видимому, будут осуществлять совместные программы в области радиофотоники. Но в целом выбор, я бы сказал, оправдан. Мало кто помнит, что еще в 1919 году, в разгар Гражданской войны, у нас решением правительства был создан Государственный оптический институт (ГОИ). К 1923-му он был одним из наиболее оборудованных научных учреждений мира.

Вообще, это замечательное учреждение решило массу проблем. Скажем, до Первой мировой войны основным производителем оптики была Германия, а где-то в разгар войны были введены, как сейчас принято говорить, санкции. То есть приборы перестали поставляться в Россию. Было необходимо создавать индустрию, в чем огромную роль сыграл ГОИ. На его базе в том же 1919-м был построен 300-метровый интерферометр для наблюдения за звездами. Там занимались как фундаментальной наукой, так и созданием технологической базы. Здесь создавали все — от медицинских микроскопов до сложнейшей военной оптики и объективов для космических аппаратов.

К сожалению, в безумные 1990-е ГОИ пришел в плачевное состояние. Многих специалистов волевым решением руководства приняли работать в ИТМО — Санкт-Петербургский исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики. Теперь это уникальное образовательное учреждение, где ведутся очень серьезные научные работы. Ну, кроме того, нельзя не упомянуть Физтех, МИСИС, Университет им. Баумана в Москве, Новосибирский университет. Сейчас все это направление на подъеме, и решение правительства РФ о поддержке развития фотоники в России не случайно. Сколтех, кстати, участвовал в формировании этой программы. Наконец, проявляется серьезный интерес со стороны бизнеса: есть организации, которые выпускают конкурентную продукцию как гражданского, так и военного применения, развивают новые продукты.

Назад в будущее

— Родоначальником этой технологии считается немецкий физик Харальд Хаас, который в 2011-м в качестве роутера использовал светодиодную лампу. В лабораторных условиях он достиг скорости передачи в 224 Гб/с. Такая скорость позволяет, например, скачать за 1 секунду 18 фильмов по 1,5 ГБ. Еще один важный нюанс — секретность. Радиоволны могут проходить через стены, то есть при связи по Wi-Fi радиосигнал может быть легко считан, а данные — украдены и расшифрованы. Модулированный свет из помещения далеко не уйдет, скрытно перехватить такой сигнал гораздо труднее — он воспринимается и передается в зоне прямой видимости. Но до воплощения в жизнь этой технологии еще далеко. Более реальны технологии на основе плазмоники.

— Плазмоника начала развиваться всего лет 15 назад, но явления, связанные с ней, известны очень давно. Например, еще в Древнем Египте в стекло добавляли металлы и окрашивали их в различные цвета. А в Британском музее стоит уникальный кубок, созданный из стекла, в котором растворено золото, так вот, при одном освещении он розовый, а при другом — зеленый. Дело, как оказалось, в том, что при растворении в стекле золото не рассеивается на молекулы, а собирается в кластеры — примерно 50 нанометров размер частички. Если осветить светом — длина волны больше, чем размер частички, и свет проходит, огибая ее, не рассеиваясь. Это открытие привело к созданию самых разнообразных технологий, например нанолазеров, размер которых меньше длины волны, и сверхчувствительных сенсоров.

— Есть. Первые работы о таких лазерах несколько лет назад опубликовал Миша Ногинов, выпускник МФТИ, проживающий в США. Он первым построил лазер размером в 40 нанометров — это в миллион раз меньше, чем толщина человеческого волоса. Информация об этом появилась в 2011 году в журнале Nаture. С тех пор началась экспериментальная жизнь нанолазеров. В частности, другой наш бывший соотечественник Марк Стокман, ученик академика Спартака Беляева, ректора Новосибирского госуниверситета, придумал SPASER — плазмонный наноисточник оптического излучения. Он представляет собой частицу размером 22 нанометра, то есть в сотни раз меньше человеческой клетки. Благодаря специальному покрытию частицы SPASER способны «находить» метастазирующие клетки рака в крови и, прилепляясь к ним, уничтожать их. По крайне оптимистическим оценкам Стокмана, первые устройства такого рода могут появиться уже в течение ближайшего года.

— Например, для маркирования взрывчатых веществ. Для антитеррористической деятельности очень важно знать, откуда взялась та или иная взрывчатка, найти источник, откуда она утекла. Во всем мире прикладываются огромные усилия, чтобы маркировать взрывчатку, потому что тогда, собрав то, что осталось после взрыва, можно понять, где вещество было сделано — вплоть до смены и времени. Причем так, чтобы враг не мог понять, что туда добавляется. И эта задача решается просто: во взрывчатку попадает несколько молекул, которые сможет распознать сенсор на основе фотонных технологий.

Другое направление — маркировка лекарств. Известно, что в любой таблетке присутствует совсем малое количество действующего вещества, а основную массу составляют наполнитель и оболочка. Мы можем смешать, скажем, пять красителей в определенной пропорции, потом разбавить до низких концентраций и таким образом промаркировать подлинные таблетки через определенный состав оболочки. Чтобы отличить их от фальшивки, нужно всего лишь положить таблетки на специальную подложку и посмотреть, какой спектр они излучают. Это перспективное направление широко развивается в мире.

В нашей лаборатории в Сколтехе мы разрабатываем сенсор, который может определять уровень кортизола — гормона стресса — в крови человека. Это будет носимый гаджет, передающий информацию в режиме реального времени. Представляете, какая неоценимая вещь для людей, чья работа связана с постоянной концентрацией внимания?

— Конечно, работы в области боевых лазеров ведутся во всех странах, но это не та тема, на которую можно распространяться. Более активно сегодня обсуждаются возможные метаматериалы (так называют материалы, свойства которых обогатили за счет нанотехнологий.— «О») для маскировки.

— Это чрезвычайно популярное в медийном пространстве направление. В романе Уэллса невидимость была основана на принципе прозрачности материала. Такой принцип, точнее его имитация, реализуется в настоящее время. Сейчас, например, в Сеуле обсуждается проект строительства башни, которая время от времени становится «прозрачной». Поверхность здания будет подсвечиваться светодиодами, а ряд расположенных на фасадах камер будут в реальном времени транслировать на его поверхность изображение неба. Полностью «активированная» башня должна стать невидимой на фоне неба. Правда, не очень понятно, как решатся вопросы с авиационной безопасностью, учитывая, что недалеко от этого места находится аэропорт.

Другая технология была описана в фантастической книжке — «Невидимая женщина». Там дама окружена оболочкой, которая искажает ход лучей.

Этот принцип реализуется с помощью метаматериалов. Метаматериалы могут искривлять лучи света таким образом, что скрывающийся за ним предмет становится невидимым. Но проблема в том, что это возможно только с очень маленькими объектами — порядка сантиметра — и в узкой области спектра.

Как в том, так и в другом случае о реальной невидимости говорить рано.

Физика на завтра

— В последние несколько десятков лет заказ определяется не политическими, а скорее индустриальными потребностями. Ведь как было раньше? Делалось какое-то открытие, изучалось некоторое явление, выявлялись какие-то математические факты и по прошествии довольно значительного времени они находили воплощение в приложениях. Сейчас скорость внедрения такова, что от открытия до появления технологии проходит буквально несколько месяцев. Вся биофотоника возникла лет семь назад, а сегодня без соответствующей лаборатории не обходится ни один крупный центр фотонных технологий.

Поэтому сейчас на Западе развитие физических дисциплин смещается с физических факультетов в инженерные. Именно там сегодня лучше финансирование и там есть индустриальный заказ. Параллельно снижается финансирование физических факультетов. Это такая общая тенденция, которую я наблюдаю как в Европе, так и в США.

— Значит ли это, что грядет перераспределение средств между фундаментальной и прикладной наукой?

— Вполне вероятно. Прогресс фундаментальной науки зачастую требует очень крупных капиталовложений. Фундаментальная наука становится очень дорогой, поэтому идет международная кооперация, консолидация финансов. Это общее явление. В свое время у нас в Институте Ландау была такая точка зрения, что настоящей физикой являются только непонятые и непознанные явления. А все остальное — приложение. Так что с этой точки зрения в наши дни фундаментальной наукой будет, предположим, изучение темной материи и темной энергии.

— В одном из интервью вы говорили, что качество образования студентов на физических факультетах катастрофически падает. Вы преподаете в США и в России. Это относится к обеим странам?

— Падение интереса к науке — общемировая проблема. Она четко прослеживается почти везде. Видимо, человечеству стоит над этим задуматься, потому что рано или поздно это приведет к каким-то негативным последствиям. Да, я констатирую факт, что качество образования студентов после школы снижается. Тому много причин, одна из них — разрушение системы поиска и последующей заботы о талантливых ребятах, особенно из провинции.

Кроме того, современная российская система школ-интернатов испытывает большие трудности, потому что на них выделяются средства как на обыкновенные школы. Академические институты находят какие-то сторонние источники финансирования, но это не их профиль. Этим систематически должно заниматься государство. В советское время как раз эта система, которую сейчас у нас заимствовал Китай, работала очень хорошо.

— Когда в Китае я разговариваю с коллегами, то вижу много знакомого — через что в свое время проходили мы. Например, там скопирована советская система олимпиад и отбора лучших учеников. Мне это очень близко, потому что я сам попал в науку именно так. Моя мама была учительницей и выписывала «Учительскую газету», где были напечатаны задания физико-математической олимпиады. Я их решил сразу за все классы и отправил решения по почте. Причем задания были составлены очень мудрыми педагогами, потому что они нивелировали разницу между специализированными школами, которые давали очень хорошие тренинги, и сельскими. Иначе говоря, упор делался на сообразительность, на находчивость, на людей с потенциалом. Сейчас в России этого нет.

— ХХ век многие называют веком ядерной физики. Какая область физики станет флагманом в веке ХХI?

— Самая удивительная область современной физики, на мой взгляд,— наука о Вселенной. Темная материя и темная энергия — это загадочные, удивительные явления, которые были открыты и еще ждут своего объяснения. Изучение и разгадка этих явлений приведет к колоссальному прогрессу в нашем понимании устройства мира. А вот фотоника, о которой мы говорили сегодня, в XXI веке сыграет ту же роль, что паровая машина в XIX или электроника в XX веке.

Вычислить свет / визитная карточка

Ильдар Габитов — профессор факультета математики Университета Аризоны (США) и Центра фотоники и квантовых материалов Сколковского института науки и технологий, ведущий научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН.

Он родился в 1950-м в семье учительницы и горного инженера. Учился в Ленинградском университете на физфаке. На кафедре математической физики его учителями были знаменитые профессора — Ольга Ладыженская и Василий Бабич. Некоторое время работал в закрытом учреждении под Ленинградом, в Сосновом Бору. Затем — в Институте математики в Бишкеке. Оттуда перешел в Институт Ландау, к академику Владимиру Захарову. В самом начале 1990-х переехал в ФРГ, а затем в Лос-Аламосскую национальную лабораторию США, после чего обосновался в Университете Аризоны. Там проводит большую часть года.

Профессор Габитов автор свыше 100 научных работ по теоретической и математической физике, нелинейной оптике, теории интегрирующих систем, оптико-волоконным коммуникациям, многомасштабным явлениям и наноматериалам, нанофотонике и наноплазмонике. Он признан экспертом многих международных профессиональных ассоциаций, включая National Science Foundation (США), Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, US Civilian R&D Foundation (США), Engineering and Physical Sciences Research Council (Великобритания). Является членом ученого совета Сколковского института науки и технологий. Он участвовал в подготовке «Межведомственной программы по научным исследованиям и разработкам в области фотоники на период 2017–2020 годов» Министерства образования и науки РФ.

Беседовала Елена Кудрявцева

Валерий Рубаков: «Эпоха запланированных открытий кончилась»

Валерий Рубаков: «Эпоха запланированных открытий кончилась»

Академик РАН, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков

— В этом очень интересно разобраться. Конечно, в первую очередь речь идет о физике элементарных частиц, то есть о физике микромира. Старая физика никуда не делась, просто сейчас мы пришли к тому замечательному моменту, когда все частицы и взаимодействия, предсказанные в физике микромира теоретиками в ХХ веке, подтвердились. Есть, как известно, Стандартная модель — теория, которая описывает всю известную сегодня физику элементарных частиц. Сколько себя помню, на конференциях говорили, что нужно экспериментально подтвердить все ее предсказания. И вот теперь все элементарные частицы, которые она описывала, открыты. Последним элементом стал бозон Хиггса. Как известно, его открыли в 2012 году в ЦЕРНе. С тех пор бозон Хиггса достаточно изучили, чтобы сказать: он соответствует предсказаниям. Так что эпоха запланированных открытий кончилась, и это потрясающе.

— А теперь настает следующая эпоха. Есть очень много разных гипотез, но никто не знает, что на самом деле будет открыто, когда и где. Это нечто и называется «новая физика».

Темный фотон

Валерий Анатольевич родился в 1955 году в Москве

— Сегодня понятно, что Стандартная модель не полна, что есть элементарные частицы, которые в нее не укладываются. Известно, что большая часть материи во Вселенной — это не обычное вещество, а какие-то неизвестные частицы. Физики, которые любят изобретать новые термины, назвали их «темная материя». Про эти частицы известно лишь то, что они, во-первых, имеют массу (хотя величину этой массы никто не знает). Во-вторых, что они нейтральны, то есть не имеют электрического заряда. И в-третьих, что их много. По массе их больше, чем обычного вещества во Вселенной, примерно в пять раз. Это мы надежно знаем из астрономических наблюдений. Частицы темной материи в огромных количествах находятся вокруг нас и легко пролетают сквозь вещество — напрямую через всю Землю. Осталось их открыть и выяснить, что они собой представляют, но пока все эксперименты в этой области провалились.

— Знаете, перед запуском БАК некоторые горячие головы говорили, что максимум через месяц-два открытия новых частиц будут поставлены на конвейер. Но оказалась, что природа устроена более скрытно. Поиск частиц темной материи остается одним из приоритетов для БАК, в этой области ведется много экспериментов. Но поскольку про них мало известно, мы не знаем, хватит ли энергии коллайдера для их рождения в принципе. Возможно, правда, что они легкие, тогда коллайдер тут ни при чем, они могут рождаться в ходе совсем других процессов, где образуются легкие, слабо взаимодействующие частицы. Они, кстати, могут не так уж слабо взаимодействовать между собой, излучать аналоги наших фотонов. Но для нас их «фотоны» будут темными, мы их не увидим.

— Сейчас в ЦЕРНе идет эксперимент NA64, а через несколько лет стартует, надо надеяться, эксперимент SHiP (Search for Hidden Particles). Они как раз и нацелены на поиск новых легких частиц, очень редко рождающихся в столкновениях известных частиц. В Троицке в моем Институте ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) начинается эксперимент по поиску другого типа легких частиц, так называемых стерильных нейтрино, образующихся в распадах трития. Есть и другие эксперименты: гипотетических кандидатов в частицы темной материи много и разные эксперименты ищут разных кандидатов.

— С помощью детекторов частицы темной материи, которые летают повсюду, пытаются уловить довольно давно, но тоже пока безуспешно. Для этого необходимы специальные условия: подземные лаборатории, где исключено воздействие радиоактивности и других фоновых излучений. Самый мощный детектор по поиску частиц темной материи — XENON1T — располагается глубоко под горой Гран Сассо в Италии. Он представляет собой цилиндрическую емкость, в которой находится около 3,5 тонны жидкого и газообразного ксенона.

Другой эксперимент — SuperCDMS SNOLAB — должен стартовать в 2020-м. Его особенность — сверхнизкие температуры детекторов. Датчики расположат на глубине более 2 километров в помещении бывшей никелевой шахты неподалеку от Садбери в Канаде, где до этого была лаборатория по «ловле» нейтрино.

Еще один путь — поиск нейтрино высоких энергий, образующихся при аннигиляции частиц темной материи в недрах Земли или Солнца. По этому пути идут физики, использующие детектор IceCube (нейтринная обсерватория, в которой детектором является куб льда толщиной в километр.— «О») на Южном полюсе и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп, который вскоре будет иметь примерно такой же объем.

— А вот это неправильная интерпретация теоретической работы, опубликованной в ноябре. Никакого экспериментального открытия пока не сделано. Теоретики же дали новую оценку (на мой взгляд, не очень убедительную) скорости частиц темной материи в окрестности Солнца. До сих пор считалось, что она примерно вдвое меньше и более или менее совпадает со скоростью вращения Солнца вокруг центра нашей Галактики.

— Гравитон как частицу никто никогда не откроет. Дело в том, что электромагнитное излучение, то есть свет, изучено очень хорошо, и мы с первой половины прошлого века знаем, что он состоит из фотонов, которые могут излучаться поодиночке. Гравитационные волны зарегистрировать гораздо сложнее, чем свет. Но недавно все же состоялось открытие гравитационных волн, излучаемых при вращении черных дыр или нейтронных звезд друг вокруг друга. А поодиночке гравитоны излучать и регистрировать невозможно.

— С темной энергией беда. Это, пожалуй, самое непонятное, что нас окружает. Это совершенно другая сущность, некоторая неизвестная форма энергии. Например, из школы мы помним формулу энергии: E = mc2, то есть энергия — это масса. Но в данном случае все не так — никакой массы у этой темной энергии нет. Есть только плотность, равномерно «размазанная» по нашей Вселенной. Здесь, в этой комнате, ее столько же, сколько совсем далеко в межгалактическом пространстве. Что это такое? Может, фундаментальная константа, которую когда-то Эйнштейн ввел как космологическую постоянную?

Валерий Рубаков окончил физфак МГУ

Изучать темную энергию очень важно, потому что обычное вещество, темная материя и темная энергия заставляют Вселенную расширяться. И удивительное дело: оказывается, что темп расширения Вселенной растет. Хотя обычно гравитационное взаимодействие замедляет разбег вещества: если у вас произошел взрыв, то со временем вещество будет разлетаться все медленнее. Ускоренное расширение Вселенной можно объяснить, если предположить, что существует вот эта новая форма энергии.

— Пока единственный способ изучить ее свойства — измерить темп расширения Вселенной. Глядя на удаленные объекты, мы можем увидеть, как Вселенная расширялась вчера, позавчера и в разные времена в прошлом. Как известно, чем дальше у вас объект — звезда, галактика или скопление галактик, тем дольше свет от них летит к нам. Значит, тем в более далеком прошлом вы их видите. По тому, сколько и какого света вы от них видите, можно понять, как менялся темп расширения со временем. Сегодняшние наблюдения говорят нам, что было такое время, когда Вселенная замедляла свое расширение, а потом — раз! Пошла разгоняться. И до сих пор расширяется с возрастающей скоростью. Это доказанный экспериментальный факт.

— Это хороший вопрос, ответ на который неизвестен. Потому что все зависит от того, как эта темная энергия меняется со временем. Если ее плотность постоянна, тогда Вселенная будет расширяться вечно. Если плотность падает со временем, расширение будет замедляться. Если же плотность темной энергии дойдет до нуля, то расширение остановится и начнется сжатие. Единственное, в чем мы уверены, что картину Вселенной, которую мы видим сегодня, можно надежно экстраполировать, по крайней мере, примерно на 20 млрд лет вперед. Так что у нас есть время, чтобы разобраться в том, что происходит.

Большой взрыв, которого не было

Сегодня он главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН

— Мы знаем, что существовала эпоха, когда Вселенная была горячая. Речь идет о гигантских температурах в 10 млрд градусов и наверняка выше. Она быстро развивалась, быстро остывала и очень быстро расширялась. Эту стадию называют эпохой горячего Большого взрыва.

Но это не было началом развития нашей Вселенной. До этой горячей стадии была другая. Это ясно благодаря изучению свойств реликтового излучения, которые известны с конца 1990-х, а сегодня лучше всего измерены с помощью космической обсерватории «Планк». Мы знаем, что современные галактики и скопления галактик возникли из неоднородностей распределения обычной и темной материи в пространстве. Эта мелкая рябь, скорее всего, исходно была вакуумными квантовыми флуктуациями. Еще до горячей стадии они усилились и уже сравнительно недавно превратились в галактики, в планеты, в конце концов — в нас с вами.

— Сам термин «Большой взрыв» в каком-то смысле неправилен, потому что он предполагает некое разлетание из определенной точки. А Вселенная, по крайней мере та часть, которую мы видим, была всегда и везде. Представьте себе воздушный шар, который из небольшого вдруг начал раздуваться, и сегодня он такой огромный, что мы видим лишь его довольно небольшую современную часть. Мы даже не знаем, каков полный размер Вселенной.

В мире сейчас популярна инфляционная теория, согласно которой до горячей стадии во Вселенной было что-то похожее на современную темную энергию, только она имела огромную плотность, и это приводило к расширению с гигантским ускорением. Чтобы ее окончательно подтвердить, нужно обнаружить реликтовые гравитационные волны — своеобразное эхо ранней Вселенной, родившееся еще до горячей стадии. Пока это сделать не удалось. Сенсация 2014 года, когда говорилось об обнаружении реликтовых гравитационных волн детектором в Антарктиде, оказалась дутой.

— Вселенная могла стартовать, наоборот, большой, рыхлой, пустой, но сжимающейся. Она сжималась, становилась все более плотной и горячей, потом остановилась и пошла дальше расширяться.

Человек-бозон

Валерий Анатольевич также заведует кафедрой «Физика частиц и космология» МГУ

— Если говорить про теоретиков, то очень редко человек занимается темной энергией постоянно. Вряд ли кто-то приходит на работу и целый день размышляет про темную энергию. Так можно потихоньку свихнуться. Чаще всего ученому приходит в голову какая-то идея, он пытается ее разработать, сверить с экспериментальными данными. Потом проходит еще много лет, прежде чем он придумает что-то новое.

Вообще, признанный лидер в этом направлении — наш соотечественник академик Алексей Старобинский, который сделал важнейшие теоретические работы на эту тему. Не так давно он предложил новое описание космологической постоянной, она же темная энергия. Но если говорить об экспериментальной части, то, конечно, здесь сильны американские и европейские лаборатории по наблюдательной астрономии. А выделить кого-то одного, наверное, вообще невозможно.

— Теоретики сегодня тоже частенько пишут работы в составе небольших рабочих групп. А в эксперименте, как правило, действительно участвуют минимум несколько сотен человек. И сегодня это большая проблема для Нобелевского комитета. Например, долго думали, кому дать Нобелевскую премию за открытие бозона Хиггса. С теоретиками все более или менее понятно: там было три человека, один умер, значит, дали двоим. А экспериментаторам, которые, собственно, сделали столь капитальное открытие, вроде бы тоже нужно дать премию? Но это две команды по 3 тысячи человек. Были разговоры, что Нобелевскую премию нужно давать всем. Но тогда сам смысл премии, подразумевающий личный вклад, размывается.

— Хиггса я знаю немного, зато хорошо знаю Франсуа Энглера — второго Нобелевского лауреата, который написал статью с Робертом Браутом еще раньше, чем Хиггс. Там была забавная история. Браут и Энглер работали в Бельгии и еще в 1964-м написали статью о том, как можно решить проблему обеспечения массы неких частиц, и опубликовали ее в журнале Physics Letters. Потом Хиггс дошел до этого же результата, видимо, своим умом, и отослал статью в тот же самый журнал. Рецензенты ответили, что вообще это явление уже известно. Он подумал и сообразил, что из этой теории можно вывести новую частицу. В итоге теперь частица называется его именем, а теория носит имя Энглера — Браута — Хиггса. Энглер — очень симпатичный дядька, он до сих пор жив и в свои 86 продолжает заниматься наукой. А Хиггс, что интересно, после 1964 года уже ничего в науке не сделал. Писал статьи под названием типа «Моя жизнь как бозона».

Наука с русским акцентом

Валерий Рубаков является членом ученого совета Сколковского института науки и технологий

— Историю про стреляные гильзы я не слышал, но, безусловно, российские ученые очень заметны. В ЦЕРНе присутствуют все наши ядерно-физические центры, университеты и институты, которые хоть что-то понимают в этой физике. В крупном эксперименте, где обычно работают примерно 3 тысячи человек, 150–200 — ученые из российских институтов. Они обрабатывают данные, участвуют в обновлении детекторов, в создании которых когда-то принимали участие. Сейчас в ЦЕРНе проходит большая программа модернизации.

— Опасности тут нет, вопрос в размерах и стоимости. Большой адронный коллайдер — это кольцо диаметром 27 километров, заполненное сверхпроводящими магнитами и другим хай-тек-оборудованием. Стоит это порядка десятка миллиардов евро. Следующие машины с энергией 100 Гэв, которые сегодня обсуждаются, будут иметь кольцо километров 80. Нечто похожее собираются построить, например, в Китае, да и в ЦЕРНе идет работа по подготовке такого проекта. Есть ли предел? Есть, потому что если двигаться таким экстенсивным образом, то еще 4–5 поколений исследователей — и коллайдер будет размером с Землю, а больше уже не сделаешь.

Поэтому сейчас довольно активно идут поиски новых способов ускорения. А для некоторых задач полезны не кольцевые, а линейные машины. Создание подобного ускорителя стоит на повестке у японцев.

— Реально строятся всего две установки. Одна из них — NICA в Дубне, коллайдер с кольцом порядка 500 метров. Это интересная машина, которая будет сталкивать тяжелые ионы друг с другом при не очень высоких энергиях, но с хорошей интенсивностью. Это физика нового состояния вещества — кварк-глюонной среды. На ранних этапах наша Вселенная была заполнена именно кварк-глюонной плазмой. Она была в сотни тысяч раз горячее Солнца и содержала в равных количествах частицы вещества и антивещества. Потом при остывании она превратилась в обычную материю — протоны и нейтроны. NICA и будет изучать, как устроена кварк-гюонная среда.

Академик Рубаков — один из организаторов регулярных международных конференций «Кварки» и международных школ «Частицы и космология»

Похожие процессы изучаются в США на коллайдере RHIC. В ЦЕРНе тоже есть программа по столкновению тяжелых ионов, но при очень высоких энергиях. А на NICA будут не очень высокие энергии, но большие плотности. Это должно быть очень интересно. На закладку первого камня приезжал нобелевский лауреат, американский физик Дэвид Гросс. Его работы в числе прочих легли в основу исследований, которые будут проводиться на установке.

— В Новосибирске хотят построить электрон-позитронный коллайдер, чтобы изучать редкие явления. Чтобы это получалось, нужно иметь очень много столкновений частиц, большую интенсивность, или, как говорят физики, светимость. В Новосибирске хотят сделать рекордную светимость при не очень большой энергии. Там есть свой круг интересных задач. Они будут изучать рождение и распады довольно экзотических частиц — тау-лептонов и с-кварков. Проект называется «Супер чарм-тау фабрика». Фабрика — не потому что там дым идет, а потому что это фабрика столкновений, их там будет огромное количество.

— В мире таких прецедентов не то чтобы много. Большой адронный коллайдер будет работать еще лет 20–25. У нас же в России есть печальный опыт со строительством кольцевого коллайдера около Протвино. Там на глубине 60 метров находится кольцо диаметром 21 километр — больше кольцевой линии московского метро. Уже сделали много магнитов, но тут случился 1991 год: финансирование полностью прекратилось. Сейчас объект охраняется, но коллайдера там нет.

— Что касается Европы, то там я не замечал каких-то негативных проявлений, какой-либо недружелюбности после введения санкций.

— Это было сделано, чтобы подписать новое соглашение о долгосрочном сотрудничестве. И это будет довольно скоро. В частности, глава ЦЕРНа сделал некое заявление, что политика не должна влиять на работу ученых.

А вот с США хуже. С университетами работа еще идет, потому что они более автономны. А национальные лаборатории, которые находятся в ведении Министерства энергетики США, если еще не свернули взаимодействие, то постепенно сворачивают, что вообще невероятно близоруко. На мой взгляд, такое поведение — большая ошибка американцев.

Он является членом «Клуба 1 июля», образованного в знак протеста против планов реформы РАН

— Много, были важные работы на коллайдере RHIC Брукхейвенской национальной лаборатории для получения кварк-глюонной плазмы. Наши ребята работали в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми — Фермилабе и так далее. Это особенно обидно, потому что научное взаимодействие в области физики высоких энергий не прекращалось даже в очень тяжелых политических условиях советского времени. Генсек Леонид Брежнев с президентом Ричардом Никсоном подписали соглашение об исследовании фундаментальных свойств материи, и оно наполнялось вполне конкретными совместными проектами. Руководители крупных лабораторий университетов СССР и США ежегодно собирались то у нас, то у них, обсуждали планы на год и итоги сотрудничества. Американцы регулярно бывали у нас в Протвино, в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Кавказе, мы ездили к ним в Брукхейвен, Фермилаб и даже в Лос-Аламосскую лабораторию, которая хотя и заточена под атомную науку и технологии, имеет открытую часть. Тогда все понимали, что политика политикой, а наука по расписанию.

— Думаю, уже нет, хотя в 1990-е уехало много физиков, особенно теоретиков. Но я бы не сказал, что это потеря для науки в целом. Люди никуда не делись, потому что они работают. Конечно, здесь очень многих не хватает. Раньше можно было поднять трубку, встретиться с замечательным человеком и что-то пообсуждать. Такое живое общение очень важно для науки.

— Предложений было достаточно, я оценивал и отказывался. У меня такая психология, что комфорт выражается не в материальных благах, а в чем-то другом. Мне комфортно и хорошо в России, здесь все свои — коллеги, талантливая молодежь.

С межгалактическим приветом

Академик Рубаков — автор более 160 научных работ по теории ранней Вселенной, квантовой теории поля, теории образования барионной асимметрии Вселенной, квантовой гравитации

— Очень интересная ситуация с нейтрино. Это элементарные частицы с невероятной проникающей способностью. Пока я говорю эту фразу, через мое тело пролетело 100 трлн нейтрино.

Эти частицы разного происхождения. Некоторые рождаются в атмосфере. Одни из первых нейтрино были зарегистрированы в конце 1970-х у нас в Баксанской нейтринной обсерватории в ущелье в Кабардино-Балкарии. Сегодня они науке не очень интересны. А вот другой вид нейтрино — внегалактического происхождения — чрезвычайно важен. Они, похоже, замечены на установке IceCube в Антарктиде. Эти нейтрино из космоса приходят к нам с сумасшедшими энергиями. Это значит, что где-то там, в космосе, есть гигантские ускорители, которые разгоняют частицы до энергий, недостижимых для человечества. Но у нейтрино есть прекрасное свойство — они ни с чем не взаимодействуют. То есть в буквальном смысле после рождения летят к нам по прямой. И мы сможем, отследив их траекторию, узнать, откуда они прилетели.

— Это странная и непонятная история. Речь о нейтринных осцилляциях — превращениях нейтрино одного типа в другой. Решающими работами были три эксперимента, два из них проведены Владимиром Гавриным в Баксанской обсерватории и немцем Кирстеном в Лаборатории Гран Сассо, а поставил точку в этом вопросе как раз Артур Макдональд с коллегами. Он подтвердил данные Гаврина и Кирстена, уточнил кое-какие важные детали. Что касается Такааки Кадзиты, то в своих экспериментах он наблюдал превращение мюонных нейтрино в тау-нейтрино.

Гаврин, который работает в нашем институте, настоящий подвижник. Он смог организовать и провести уникальный эксперимент, в котором задействовано 50 тонн чистого галлия (в Баксанской обсерватории нейтрино «ловит» галлий-германиевый телескоп.— «О») в 1990-е, когда в науке вообще ничего не происходило. 50 тонн — это количество, сопоставимое со всеми запасами галлия в мире. Его специально изготовили для этого эксперимента еще в советские времена на алюминиевых заводах.

— С одной стороны, конечно, от открытия новых частиц сколько-нибудь прямого эффекта на человеческую жизнь вроде бы ждать не приходится. Новых объемных телевизоров с помощью механизма Хиггса не сделаешь. С другой стороны, вспомню одну байку: был такой знаменитый физик Роберт Вильсон, он выступал в Конгрессе США и доказывал необходимость строительства ускорителя протонов в Фермилабе. Когда его спросили, какое влияние окажет ускоритель на обороноспособность США, он ответил: «Нам будет что защищать».

Понимаете, все, что мы изучаем сегодня и что узнаем через какое-то время, поднимет общий интеллектуальный уровень человечества, уровень понимания природы и в конечном итоге сделает человека другим.

Специалист по темной материи / визитная карточка

Валерий Рубаков — академик РАН, доктор физико-математических наук, один из ведущих мировых специалистов в области квантовой теории поля, физики элементарных частиц и космологии, а также один из самых цитируемых российских ученых. Родился в 1955-м в Москве. Окончил физфак МГУ.

Сегодня — главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, завкафедрой «Физика частиц и космология» МГУ. Член ученого совета Сколковского института науки и технологий.

Один из организаторов регулярных международных конференций «Кварки» и международных школ «Частицы и космология». Член «Клуба 1 июля», образованного в знак протеста против планов реформы РАН.

Автор более 160 научных работ по теории ранней Вселенной, квантовой теории поля, теории образования барионной асимметрии Вселенной, квантовой гравитации. Награжден российскими и международными научными премиями.

Беседовала Елена Кудрявцева

Альберт Насибулин: «Я хотел создать молоко из травы, убрав из этого процесса корову»

Альберт Насибулин: «Я хотел создать молоко из травы, убрав из этого процесса корову»

Альберт Насибулин создает материалы, в которых просматривается будущее

Физики, работающие с веществом на наноуровне, не сомневаются: уже через пару десятков лет их открытия изменят наш мир до неузнаваемости. Войдет в обиход гибкая электроника, суперэкономичные аккумуляторы, построят трос для космического лифта, это не говоря уже об одежде с наночастицами, которую можно не стирать месяцами… О самом прикладном разделе современной науки Елене Кудрявцевой рассказал профессор Сколковского института науки и технологий и Университета Аалто (Финляндия) Альберт Насибулин.

Чтобы получить углеродные нанотрубки — один из самых перспективных материалов, созданных человеком за все века, что он существует,— в лаборатории наноматериалов Сколтеха уходит секунд 12.

Сочинитель материи / визитная карточка

Профессор РАН Альберт Насибулин большую часть своей научной деятельности провел в институтах Финляндии, успешно совмещая фундаментальные исследования с разработкой наукоемких технологий. Сейчас он руководитель лаборатории наноматериалов Сколтеха, специалист в области синтеза, исследования механизмов роста и применения наноматериалов, автор и соавтор более 230 научных работ и 24 патентов.

Профессор Насибулин — автор оригинальных технологий синтеза однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ) аэрозольным методом химического осаждения из газовой фазы. Он также разработал метод изготовления свободностоящих пленок ОУНТ с толщиной от субмонослоя до нескольких сотен нанометров. Предложил новый, простой и быстрый метод синтеза и изучения механизмов роста нитевидных кристаллов оксидов различных металлов. Является сооснователем двух компаний, которые успешно коммерциализируют результаты научной деятельности.

За это время в реакторе — он напоминает высокотехнологичную духовую печку — углеродные компоненты распадаются на частицы нанометрового размера, а затем собираются в новый материал. Его переносят на гибкую или эластичную подложку (в виде пленки), и вот перед нами основа для электроники будущего, прозрачной, гибкой и эластичной. Если положить такую пленку на любую поверхность — стекло, дерево, ткань, даже бумажные обои,— она превратится в сенсорный экран (см. фото выше). Мало того, вы также можете придать этому экрану любую форму. Ученые обещают: при нынешнем темпе разработок такие новинки войдут в нашу жизнь в ближайшие годы.

— Вовсе нет, в XXI веке нанотехнологии наряду с информационными и биотехнологиями стали фундаментом научно-технической революции.

Если говорить в денежном эквиваленте, общий рынок нанотехнологий в 2019-м, по оценкам экспертов,— около 60 млрд долларов, годовой прирост — порядка 20 процентов.

Не секрет, что этот сектор науки рассматривают как рычаг политического влияния, и это тоже способствовало его развитию в приоритетную область исследования во многих странах. Сейчас этим занят весь цивилизованный мир.

Другое дело, что развитие любой технологии начинается со взрывного интереса, проходит пик чрезмерных ожиданий, а потом научное сообщество постепенно разочаровывается. А через некоторое время начинается новый подъем, связанный с переходом от фундаментальных исследований к практическому применению. Именно это сейчас и происходит с нанотехнологиями.

— Да, правительство США в 2000 году положило начало бурному развитию этой науки, объявив о «Национальной нанотехнологической инициативе» — она привлекла почти миллиард долларов государственного и внебюджетного финансирования. Этот подход стал моделью: за 5 лет о таких планах развития заявили 50 стран.

— На самом деле у нас нанотехнологии включили в Федеральную программу «Исследование и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники» еще в 2002-м. А в 2007-м президент назвал нанотехнологии одним из приоритетных направлений и предложил учредить российскую корпорацию нанотехнологий, которая затем была преобразована в «Роснано». В 2008-м была принята программа по развитию наноиндустрии, но сейчас в связи с реорганизацией Минобрнауки многие из намеченных тогда проектов финансировать перестали. В прошлом году, по моим сведениям, у нас не было объявлено грантов в этой области. Ожидаем, что в этом году ситуация изменится.

— На развитие материаловедения, и это не случайно. Развитие цивилизации неразрывно связано с совершенствованием технологии использования и получения материалов: человечество прошло через стадии использования бронзы, стали, полимерных соединений, композитов, а сейчас наступил этап, когда мы накопили знания в области наноматериалов. Благодаря этому целые сферы деятельности начинают кардинально меняться: электроника, энергетика, сельское хозяйство, медицина…

Атомное лего

— Наноматериалы — это объекты с размером в диапазоне от 1 до 100 нанометров. Для наглядности: диаметр человеческого волоса составляет примерно 80 тысяч нанометров, а поперечный срез цепочки ДНК — 2 нанометра. Если чайка сядет на палубу авианосца, то он погрузится в воду на 1 нанометр.

Теперь о свойствах наноматериалов. Свойства любого вещества определяет количество атомов, которое находится у него внутри и снаружи. Например, обычно на поверхности куска сахара находится примерно 1 атом из 10 млн, но, если размолоть кусочек в нанопыль, на поверхности окажется порядка 80 процентов всех составляющих его атомов. Колоссальное увеличение площади и количества находящихся на поверхности атомов — причина резкого изменения свойств. Атомы на поверхности связаны с меньшим количеством соседних атомов, чем те, что находятся внутри, поэтому обладают избыточной энергией. В итоге мы получаем вещество с принципиально новыми свойствами.

На самом деле люди это знали еще до появления науки, например когда сжигали уголь и получали сажу — она как раз укладывается в нанометровый диапазон. К слову, недавно была опубликована статья по дамасской стали. Оказалось, в ее составе есть углерод в виде углеродных нанотрубок — одного из самых известных и перспективных наноматериалов с потрясающими свойствами.

— Самые разные: увеличивается твердость в сочетании с высокой пластичностью, увеличивается предел текучести, меняется температура плавления… Так, железо, которое плавится при температуре 1,5 тысячи градусов, в наноразмерном состоянии имеет температуру плавления порядка 200–300 градусов.

Свежее дыхание химии

— В этой истории немало драматических страниц. Начать надо с открытия фуллерена. Это молекула углерода, представляющая собой полую замкнутую сферу. Она имеет форму усеченного икосаэдра — как футбольный мяч. Не случайно японский физик Эйдзи Осава догадался о существовании такой молекулы, наблюдая за игрой сына в футбол в 1970-м. Но статья об открытии была написана на японском, его в буквальном смысле не поняли.

В 1973-м существование необычной формы углерода впервые было подтверждено расчетами советских ученых из Института элементоорганических соединений РАН. Елена Гальперн, Игорь Станкевич и Дмитрий Бочвар исследовали полые углеродные замкнутые структуры, надеясь найти стабильную. Заядлый футболист Станкевич обратил внимание на замкнутую структуру из углерода С60, имеющую симметрию усеченного икосаэдра. По легенде, он принес в лабораторию футбольный мяч и сказал: «22 здоровых мужика часами пинают этот мяч. Молекула такой формы должна быть очень крепкой». В итоге ученые, не имея на тот момент подходящей ЭВМ, выполнили расчеты, предсказывающие электронную структуру новой молекулы. К сожалению, на открытие особо внимания не обратили, а синтезировать фуллерены не представлялось возможным.

— Да, экспериментально материал был получен в 1985 году тремя англоязычными учеными: Робертом Кёрлом, Харольдом Крото и Ричардом Смолли. Они так спешили опубликовать статью, что не стали рассчитывать модель молекулы и вместо иллюстрации в журнале Nature поместили фотографию футбольного мяча. За открытие фуллеренов им в 1996-м присудили Нобелевскую премию. В нобелевской речи Крото упомянул, что молекула фуллерена «очаровала ученых, привела в восторг обывателей и придала свежее дыхание химии». Получение фуллеренов породило продолжающийся до сих пор бум углеродных наноструктур: полученные вскоре углеродные нанотрубки изменили мир.

Нанонос

— Углеродные нанотрубки — это не существующие в природе молекулы углерода в виде полой трубки диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон.

Считается, что они открыты японским ученым Сумио Иджима в 1991-м. Хотя еще в далеком 1952-м советские ученые Л. Радушкевич и В. Лукьянович в «Журнале физической химии» поместили изображение углеродных нанотрубок. Так что нам есть чем гордиться.

— Тогда почему именно публикация 1991 года вызвала настоящий технологический бум?

— Была подготовлена почва: все уже ждали. Научное сообщество мгновенно подняло открытие нового наноматериала на небывалый уровень. Углеродные нанотрубки и в самом деле имеют уникальные свойства. Если рассмотреть механическую прочность, то благодаря углеродной связи между атомами, на земле нет материала прочнее. Более того, микроскопические добавки углеродных нанотрубок в другие материалы могут кардинально менять их свойства. Скажем, делать полимер электропроводящим или очень прочным и легким. Простой пример — совершенствование самолетов. Сейчас их фюзеляж сделан из металла. Чтобы уменьшить вес, можно использовать полимеры с добавками углеродных нанотрубок.

Появляются сообщения и об экзотических экспериментах. Так, в Университете Тренто (Италия) паукам скармливали углеродные нанотрубки, после чего, утверждают физики, те сплели сверхпрочную паутину — более крепкую, чем кевларовые волокна.

— Нанотрубки чаще всего получают на инертной подложке, способной выдерживать высокие температуры. Для этого углеродсодержащие соединения разлагают в присутствии наноразмерного катализатора в реакторе, разогретом до порядка 1000 градусов. Что касается источника, то им может быть любое химическое соединение, содержащее углерод. Чаще всего это метан, монооксид углерода или спирт. Но есть и пионерские работы по добыче углеродных наноматериалов из… воздуха. В 2015-м команда из Университета Дж. Вашингтона (США) брала атмосферный углекислый газ, из которого путем определенных манипуляций получала углеродные нановолокна.

— Сегодня лаборатория наноматериалов входит в число лучших технологических лабораторий в мире. Одна из главных задач — прогнозирование поведения и свойств углеродных наноматериалов, в частности — углеродных нанотрубок. Лаборатория Сколтеха — одна из четырех в мире, где нанотрубки получают особым аэрозольным методом. Это занимает, как вы видели в начале, секунды и позволяет на выходе получать готовый продукт, не требующий очистки. Что касается целей, то сейчас мы занимаемся разными проектами, которые объединяет лишь общий базовый материал. Помимо гибкой и прозрачной электроники мы создали термоакустический ультразвуковой громкоговоритель, используя в качестве динамика свободно подвешенные прозрачные пленки из углеродных нанотрубок. Такие пленки могут использоваться и для получения высокочувствительных и быстродействующих фотодетекторов инфракрасного диапазона. Мы работаем и над созданием переключаемых лазеров. Отдельный проект — газовые сенсоры, так называемый электронный нос.

— Прежде всего чувствительностью. Сенсор на основе углеродных нанотрубок позволяет определить миллиардные доли вещества. Одна из задач — сделать его с помощью машинного обучения похожим на работу обонятельной системы млекопитающих, чтобы он в принципе мог чувствовать любые изменения. Помимо стандартного набора газов он может определить, что в помещении изменилась температура и влажность. Он будет помогать пожарным определять, что горит в помещении и можно ли туда входить.

Проблема в том, что мы пока не до конца понимаем, как охарактеризовать запах. Свет — это длина волны, звук — тоже. А запах?

Поэтому мы до сих пор не можем его оцифровать так же, как и вкус. Над всеми этими загадками работают наши студенты и аспиранты. Особенность Сколтеха в том, что мы нацеливаем их не только на получение научных знаний, но и на внедрение разработок. Поэтому каждый из этих проектов, я надеюсь, в недалеком будущем должен выстрелить — дать старт высокотехнологичной компании. Пока мы открыли одну компанию, которая коммерциализирует маркировку взрывчатых веществ. На подходе вторая — получение прочного и проводящего волокна на основе наноматериалов для 3D-печати.

Китайский след

— Есть два вида нанотрубок. Многослойные — их получить относительно просто в больших количествах. И однослойные — легкие, но более ценные. Если говорить о многослойных трубках, за год в мире их производится свыше 2 тысяч тонн. Безусловный лидер по производству многослойных нанотрубок Китай.

— Да, и получить его гораздо сложнее, ведь он очень легкий: каждая углеродная нанотрубка состоит всего из одного атомного слоя углерода. На сегодня можно говорить о мировом производстве порядка 10 тонн в год. Лидером здесь является Россия. Продает этот материал, а также распространяет для исследований, отечественная компания OCSiAl в Новосибирске. В 2019-м она планируется запустить установку, которая позволит получать 50 тонн в год. Это довольно дорогой материал, поэтому его используют как добавку в небольших количествах: для изменения механических свойств в полимер добавляют от 0,01 до 1 процента. И это принципиально меняет свойства.

— В России, несмотря ни на что, сохранились сильные научные школы. Многие коллективы занимаются фундаментальным изучением наноматериалов. Появляются и новые центры, наподобие «Сколково», Иннополиса в Казани, нанотехнологического центра «ТехноСпарк» в Троицке и другие, где нанотехнологии являются основным объектом исследований. Но, к сожалению, существующая государственная структура не позволяет внедрить какие-то разработки.

Одна из главных проблем внедрения нанотехнологий в России в том, что их некуда внедрять.

Наша индустрия после распада СССР оказалась практически развалена, и она только кое-как встает на ноги. Где-то начинает появляться интерес к разработкам нанотехнологий, но самой наноиндустрии нет, она только формируется, а существующая промышленность нашими разработками еще не заинтересовалась.

— Одного центра нет. Но нанотехнологиями занимаются абсолютно все ведущие университеты мира — КалТех, Университет Техаса в Далласе, Хьюстонский университет, МТИ, Стэнфорд, Университет Токио, Цингуа, Университет Манчестера, Аалто, Пекинский университет… Китайцы, кстати, в отношении наноматериалов сегодня впереди планеты всей.

— Экономика в Китае плановая, и если партия скажет, что необходимо внедрять материалы, то под это выделяют деньги и решение воплощают в жизнь. Этим летом я был на крупнейшей конференции по нанотрубкам и новым двухмерным материалам в Пекинском университете. Выступал один из чиновников КНР, который рассказал, что за два последних года они открыли 15 научно-технологических центров, которые не только получают и исследуют новый материал — графен, но уже и продают его.

— Думаю, что в первую очередь мы увидим гибкую электронику, включая сенсоры касания, и облегченные детали в автомобилях. Но уже сегодня в магазине можно купить спортивные товары с применением наноматериалов: довольно легкие и прочные ракетки для тенниса и бадминтона, лыжи с покрытием из углеродных нанотрубок с супергидрофобными свойствами, велосипед весом в 1 килограмм. Кстати, именно на таком Флойд Лэндис не так давно выиграл велогонку «Тур де Франс».

— Лет 5–10 назад НАСА потратило довольно много денег, чтобы узнать, возможно ли создание такого лифта. Понятно, что речь прежде всего о тросе, который должен покрыть всю длину от Земли до орбиты, быть прочным и одновременно легким, чтобы не порваться под собственным весом (стальной трос рвется при длине 10 километров.— «О»). Пока в лаборатории удалось получить углеродные нанотрубки порядка 1 метра в длину. Но, думаю, уже лет через 10–20 мы увидим материал, который станет потенциально годным для создания троса для космического лифта.

— Ученые ведут исследования, но особо о них не рассказывают. Есть работы, которые показывают, что углеродные нанотрубки совместно с кевларом можно использовать для высокопрочных тканей для бронежилетов. В открытых источниках сообщалось, что новейший боевой вертолет Ми-28НМ получил композитные лопасти, созданные с применением нанотехнологий.

Также известно, что американская компания NanoScale Materials Inc. предложила продукт на основе нанотехнологий, который нейтрализует токсичные химикаты. Порошок состоит из активных наночастиц, которые связывают и дезактивируют около 24 боевых токсичных соединений.

Сейчас он руководит лабораторией наноматериалов Сколтеха

Молоко из травы

— С каждым годом получить грант на изучение новых материалов тяжелее. Все не так радужно, как думали вначале: от синтеза нового материала до его использования проходит порядка 20 лет. А чиновникам интересно получить выход немедленно, поэтому сейчас в основном финансируются медицинские или биологические тематики.

Пик исследования углеродных нанотрубок пришелся на 2014 год, затем количество публикаций и патентов снижается. Одна из причин — многие ученые, занимавшиеся углеродными нанотрубками, переключились на графен — новый перспективный материал. Как известно, за его открытие два наших ученых-физика — Андрей Гейм и Константин Новоселов, работающих в Университете Манчестера,— в 2010 году получили Нобелевскую премию по физике. Графен обладает огромной механической прочностью, у него высокая теплопроводность и электропроводность.

— По образованию я химик, окончил химический факультет, стал кандидатом химических наук, но так получилось, что я всю жизнь работал с физиками. Последнее мое место до Сколтеха —Университет Аалто в Хельсинки на кафедре прикладной физики. Я химик, но занимаюсь процессами образования вещества, изучением физических свойств и применением полученных новых материалов.

— Любовь к науке у меня проявилась благодаря химии. У нас был очень хороший учитель химии, а в школе — она в городе Междуреченске (Кемеровская область.— «О») — прекрасная лаборатория, которая позволяла любые эксперименты. Например, мы делали вытяжки из разных растений и воспроизводили лосьоны. А когда я поступал в Кемеровский госуниверситет на химфак, то у меня была тайная идея: я хотел создать молоко из травы, убрав из этого процесса корову.

— Возможно, это долгий биофизикохимический процесс, который до сих пор не был реализован. Но теперь, с развитием нанотехнологий, можно было бы попробовать…

О дивный новый мир! / детали

Шпинат как детектор

Ученые из Массачусетского технологического института обработали листья шпината нанотрубками. Это превратило их в детектор нитроароматических соединений — компонентов взрывчатки.

Трусы на века

Наночастицы серебра с мощными антибактериальными свойствами используют для одежды, убивающей микробы и запахи. Так, японский астронавт Коити Ваката на МКС 40 дней носил одни и те же трусы. По его словам, никто не жаловался.

Электрошелк

Если кормить шелкопрядов измельченным графеном и углеродными нанотрубками, выяснили специалисты Университета Цинхуа в Пекине, они будут давать уникальный материал — шелк, способный проводить электричество.

Беседовала Елена Кудрявцева

Алексей Старобинский: «На самом деле наша Галактика очень пыльная»

Алексей Старобинский: «На самом деле наша Галактика очень пыльная»

Почему во Вселенной так много порядка, а на Земле так мало? Что является источником темной энергии? Какие у нас есть общие темы для разговора с представителями иных миров? Об этом мы говорили с лучшим мировым специалистом по космологии академиком РАН Алексеем Старобинским.

Специалист по неоднородностям / визитная карточка

Академик РАН Алексей Старобинский родился в 1948 году в Москве. В 1972-м окончил физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова. Крупнейший российский физик-теоретик, автор работ по гравитации и космологии, один из создателей современной теории рождения Вселенной — теории инфляции. Всегда стремился понять, что находится за пределами известных представлений о начале Вселенной, и пришел к выводу, что с точки зрения космологии «люди — это неоднородности на фоне Вселенной с характерным масштабом 1,6 м и с массой от 50 до 100 кг».

Главный научный сотрудник Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН. Лауреат самых престижных премий в области физики, в том числе премии Фридмана РАН, премии Томалла, премии Грубера, премии Кавли — аналога Нобелевской премии для астрофизиков. Награжден медалью Оскара Клейна Шведской королевской академии наук и Стокгольмского университета, медалью Амальди Итальянского гравитационного общества, Золотой медалью им. Сахарова РАН. Член Немецкой национальной академии наук и Национальной академии наук США. Является попечителем Свято-Филаретовского православно-христианского института.

— Действительно, это популярная тема во всех странах, включая Россию, и дело, полагаю, в том, что современной науке удалось добиться тесной связи между теорией и экспериментом в этой области знания. Иначе говоря, в XX веке было разработано много гипотез того, как именно развивалась наша Вселенная, а теперь их можно подтвердить или опровергнуть с помощью экспериментов. Это и порождает настоящий бум исследований. Институты, которые занимаются космологией, создаются не только в таких странах, как США, Германия и Япония, но и в тех, которые не ассоциируются с передовой наукой. Например, Институт по изучению Вселенной несколько лет назад создан в Таиланде, последний у нас воспринимается как туристическая страна. Молодежь очень интересуется новой астрономической тематикой, думаю, потому что именно эта наука раскрывает горизонты и показывает, что помимо обыденной жизни есть мир, который не вмещается не только в границы стран, но даже в масштабы Земли. Наша Вселенная — более многомерный и непостижимый объект.

— В основном в тех, что называют Вig data, где речь о больших массивах данных. Скажем, изучая раннюю Вселенную, мы получаем колоссальное количество данных наблюдений. Если работать с ними старыми методами, для обработки не хватит всего населения Земли! Вот молодые ученые и придумывают, как из этого массива извлечь полезную информацию и сравнить данные эксперимента с многочисленными теоретическими предсказаниями.

— Здесь можно говорить о трех типах экспериментов. Во-первых, наземные эксперименты с элементарными частицами. Их проводят на огромных установках вроде коллайдера в ЦЕРНе, где был открыт бозон Хиггса. Или другие наземные установки по детектированию частиц из космоса, скажем, нейтринная обсерватория IceCube на антарктической станции «Амундсен — Скотт».

Во-вторых, это всякого рода научные инструменты в космосе. Самые выдающиеся открытия сделаны космическим радиотелескопом «Планк»: этот уникальный прибор измерял характеристики реликтового излучения — микроволнового фона, сохранившегося с самых ранних этапов жизни Вселенной. Именно телескоп «Планк» уточнил, что наш мир состоит на 4,9 процента из обычного вещества, на 26,8 — из темной материи и на 68,3 процента — из темной энергии.

— Это нечто бесформенное, совершенно однородное и почти не меняющееся со временем. Но суть в том, что мы не можем больше утверждать, что все в мире состоит из частиц, на их долю приходится лишь 30 процентов. Таким образом, в знаменитом споре Платона с Демокритом (речь шла о мироустройстве.— «О») правы были оба. Платон, напомню, представлял мир как некую неделимую первоматерию. А Демокрит утверждал, что он состоит из частиц.

— Это эксперименты, которые делаются благодаря астрономическим телескопам нового типа (их еще можно назвать гравитационно-волновыми антеннами). Именно благодаря им в науке недавно появилось и развивается с потрясающей скоростью новое направление — гравитационно-волновая астрономия. Она занимается самыми интересными вопросами: как формируются массивные черные дыры в центрах галактик, что есть темная энергия, каковы начальные физические условия ранней Вселенной…

— Да, хотя они были предсказаны еще Эйнштейном почти век назад в рамках общей теории относительности. Кстати, до недавних пор это был единственный эффект этой теории, который не могли подтвердить экспериментом. За их открытие в 2017 году дали Нобелевскую премию.

По сути, гравитационные волны — это распространяющиеся колебания геометрической структуры пространства-времени. Долгое время их существование подтверждалось лишь косвенно: скажем, ученые видели, как замедляется скорость вращения пульсаров и вращающихся нейтронных звезд, и предполагали, что это происходит из-за потери энергии при излучении гравитационных волн.

В 2016-м научной коллаборации LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) впервые удалось «поймать» гравитационный сигнал, который возник из-за столкновения двух массивных черных дыр. По сути, это эхо космической катастрофы, произошедшей далеко от Земли миллиарды лет назад. Одновременно этот эксперимент подтвердил существование черных дыр как особой формы материи.

— На начало 2019-го коллаборация LIGO-VIRGO объявила о наблюдении в общей сложности сигналов от слияний 10 пар черных дыр и 1 пары нейтронных звезд. Вообще, поиском гравитационных волн занято сразу несколько крупных коллабораций — по всей Земле раскидана сеть детекторов. Детекторы LIGO находятся в США, VIRGO — в коммуне Кашина вблизи Пизы в Италии, KAGRA — в шахте Камиока в префектуре Гифу (Япония) — эта установка начнет участвовать в наблюдениях осенью этого года.

— Много всего интересного. Например, по Эйнштейну, скорость гравитационных волн должна равняться скорости света. Затем физики высказали большое количество более сложных гипотез, по которым скорость была иной. И теперь мы можем осторожно сказать, что на 99,99 процента подтвердилась эстетически более красивая теория Эйнштейна.

Удалось уточнить и ряд других интересных деталей. Так, мы ждали, что масса черных дыр сравнима с массой типичных больших звезд — около 10 масс Солнца. А оказалось, что речь идет о 30 массах Солнца. Для неспециалиста — это пустяк, но на деле это открытие совершенно выпадает из рамок современных представлений о Вселенной. Считалось, что такие большие звезды не могут существовать длительно.

Альберт Эйнштейн открыл теорию относительности. А академик Алексей Старобинский доказал, что и она — относительна

— Современная астрономия — крайне дорогая наука, но важно участвовать в ней по мере возможности. В России от науки требуют слишком быстрого выхода, хотя если мы сравним сегодняшние планы работ в этой области, составленные существенно большими коллективами на Западе, то увидим: они рассчитывают показать результаты в 2030–2050-е годы. Даже в наш век наука делается не так уж быстро.

Один пример. Недавно я проводил совещание среди российских ученых на тему мегапроектов в науке. Общий смысл подобных начинаний — дать толчок развитию первоклассной науки в условиях ограниченного базового ресурса. Но до сих пор обсуждаются, на мой взгляд, не принципиальные для науки установки. Мы же говорили о том, что в России нужно построить кольцевой гравитационный телескоп нового поколения. И у нас есть люди, которые могли бы это сделать, и есть ученые, которые могут работать в этой области на мировом уровне. В частности, это группы ученых на физическом факультете МГУ (группа недавно ушедшего академика Владимира Брагинского) и в Институте прикладной физики РАН являются членами международной коллаборации LIGO-VIRGO и непосредственно участвовали в открытии гравитационных волн.

— Вообще-то, представление о том, что Нобелевские премии дают самым умным, неправильно. Это не так. Согласно желанию самого Нобеля, она дается либо за изобретение, нашедшее практическое применение, либо за теоретические работы, на основании которых потом было сделано что-то конкретное и принципиально важное для цивилизации. Два самых характерных примера, связанных с Нобелем и Нобелевской премией в этом отношении,— премия по физике, которую получил Вильгельм Рентген. Нельзя сказать, что открытие рентгеновских лучей перевернуло физику, но оно получило колоссальное применение. Ну а второй пример — это сам Нобель, который изобрел динамит.

В физике за первым открытием следует, как правило, череда других и в итоге это дает практические применения. Мы будем исследовать Вселенную дальше, искать источники гравитационных волн, развивать новые оптические, радио- и нейтринные телескопы. И это даст огромный толчок для развития цивилизации в целом.

Что было, когда ничего не было

— Все фактически началось с моей дипломной работы 1971 года под руководством Якова Борисовича Зельдовича. Мы занимались квантовыми эффектами в разных полях и решили применить это к гравитации — тогда считалось, что такое невозможно.

— Когда мы начинали, было понятно, что в прошлом наша Вселенная находилась, как мы говорим, в сингулярном состоянии, то есть кривизна пространства-времени была бесконечно большой. Только сейчас благодаря данным наблюдений мы можем сказать, насколько именно большой была эта кривизна. Мы сделали еще один шаг в прошлое, в новую историческую стадию, которая была до горячего Большого взрыва. Пока — это лучшая модель.

Ее можно вывести исходя из простого житейского наблюдения о том, что энтропия в мире растет. Действительно, если не прилагать усилия, то никакого порядка не будет. Но вот в масштабах Вселенной этот принцип не работает: в ней порядка как раз удивительно много. Отсюда у нас возникла гипотеза, что на самом деле нынешнему состоянию предшествовало другое, когда Вселенная была еще более упорядочена и максимально симметрична.

— В каком-то смысле можно сказать, что беспорядка, энтропии было столь мало, сколь это возможно. Это была очень холодная и очень симметричная стадия. Во время нее Вселенная расширялась еще быстрее, чем на стадии так называемого Большого взрыва. Хотя это слово «взрыв» тут не очень уместно, оно все-таки полагает, что у вас разлетаются какие-то условные частицы, а никаких частиц там не было. Что у нас есть максимально симметричное с точки зрения геометрии? В трехмерном пространстве это сфера или гиперболоид — из его кусков построена Шуховская башня. В четырехмерном — так называемое де Ситтеровское пространство, поскольку его можно описать решением математика де Ситтера, которое он нашел еще в 1917 году.

— На самом деле нет. Даже в таком максимально упорядоченном состоянии, как вакуум, где нет никаких частиц, есть некоторые возмущения — квантовые флуктуации. Так что максимально упорядоченное состояние тоже распадается.

Инфляционная теория предполагает, что именно из этих изначальных неоднородностей, из квантовых флуктуаций, возникли галактики, звезды, планеты, в конечном счете мы сами. С точки зрения нашей космологической теории мы сами — это неоднородности на фоне Вселенной с характерным масштабом 1,6 м и с массой от 50 до 100 кг.

Алексей Старобинский в своей квартире в Доме на набережной

— Я часто говорю, что мы ищем черепки, оставшиеся нам от сверхдалекого прошлого. C каждым шагом вглубь прошлого становится все сложнее их найти, но пока это возможно. Самым прямым подтверждением теории было бы нахождение реликтовых гравитационных волн, возникших во время инфляционной стадии. Моя модель дает четкое предсказание, сколько таких волн должно быть во Вселенной. Речь идет о чрезвычайно слабом возмущении, характеризуемом разностью поляризации температуры порядка 1/3 микрокельвина.

— Современные приборы достаточно чувствительны, но им постоянно мешает засветка — галактическая пыль, которая светится.

Под пылью, кстати, я понимаю самую обычную пыль, витающую везде, наша Вселенная довольно пыльная.

И сейчас перед учеными стоит задача составить карту высокоширотной пыли нашей Галактики, чтобы научиться отделять шум от реликтовых гравитационных волн. Это нетривиальная задача, которой нужно заниматься.

— Это излучение несет уникальную информацию об устройстве Вселенной на ранних этапах. Наша теория инфляции предсказывала, что температура этого излучения должна быть неоднородной. Сегодня это положение блестяще подтверждено. В свое время я участвовал в эксперименте на радиотелескопе «РАТАН-600», и мы были близки к экспериментальному подтверждению инфляционной теории, но не хватило чувствительности прибора. В итоге первыми оказались американцы с экспериментом «COBE», за что они и получили Нобелевскую премию в 2006-м. Ну а самые полные данные удалось получить благодаря космическому телескопу «Планк». Он измерял характеристики реликтового излучения с 2009 по 2013 год. Именно он наиболее точно померил температуру реликтового излучения и создал карту неоднородностей.

— Это похоже на географическую карту. «Горы» — это области, где температура немножко, на 30 микрокельвинов, выше. А океаны — где она немножко ниже. На эту карту можно любоваться. Что интересно, она будет такой же, если измерить температуру в соседней галактике и даже в удаленной галактике в видимой части нашей Вселенной. Она изменится, только если мы удалимся на расстояние 10 тысяч мегапарсек. Поэтому, когда обсуждается возможность диалога с неземными цивилизациями и говорится, что у нас с ними не будет точек соприкосновения, я не соглашаюсь. Поскольку они видят такую же картину распределения температур и, безусловно, думают, откуда она взялась, то мы сможем об этом поговорить. Так что хотя бы одна тема для разговора у нас есть.

— Начну немного издалека. В современной космологии для описания мира, который нас окружает, не так давно были введены четыре новые константы. Первая описывает, откуда появились неоднородности, вторая — соотношение числа фотонов к числу протонов, то есть света к материи. Третья — соотношение темной материи и обычной материи, четвертая связана с темной энергией и ее плотностью. Само возникновение Земли в ее нынешнем виде за 9 млрд лет, прошедших со времени окончания инфляционной стадии, это результат некоего соотношения этих четырех констант. Исходя из уравнений видно, что, по сути, это достаточно маловероятное событие. А развитие разумной жизни — событие еще менее вероятное. Судя по всем имеющимся данным, для этого нужны очень большие в среднем сроки. Так что молчание Вселенной, возможно, результат того, что мы элементарно развились самыми первыми. А жизнь в других Галактиках мы не видим, потому что ближайшую туманность Андромеды мы наблюдаем на расстоянии 3 млн лет тому назад. Этого достаточно, чтобы такое маловероятное событие, как возникновение жизни, стало еще менее вероятным.

Но это только одна гипотеза. Другое объяснение для нас более обидно: возможно, к примеру, что наша цивилизация настолько отклонилась от нормального развития, что нас решили изолировать от остального мира, поэтому мы сидим в некоей непроницаемой клетке.

Наука без границ

— Стивен упоминает только нашу встречу в Москве, но впервые мы встретились значительно раньше, еще в 1973-м в Польше на конференции Международного астрономического союза. Мне тогда было 25 лет, ему на 7 лет больше, и он уже был достаточно известным ученым. Кстати, мы сегодня говорим об экспериментах, а вот для него эксперимент никогда не был главным. Он верил, что в нашем мире описать количественно можно все на основании красивых математических гипотез.

— В 73-м году он говорил без компьютера, но очень неясно, поэтому требовался «переводчик»-англичанин, обязательно из учеников, кто разбирался в физике. После того как у него в 1982 году появился компьютерный переводчик, общаться стало намного легче. Тот факт, что он при этом сидел в коляске, никогда меня не смущал. Надо понимать, что я жил в послевоенное время, когда этим было не удивить. Тогда многие болели полиомиелитом и после этого получали инвалидность. Главное в Стивене Хокинге был ум и желание понять, как все устроено.

Тогда я ему рассказывал об эффекте суперрадиации, который существует у вращающихся черных дыр. На тот момент это было очень существенно и в какой-то мере затем подтолкнуло Хокинга к его главному открытию.

Прыжок через время

— Многие культуры правильно понимали, что изначально было что-то бесформенное, но не в смысле хаотичное, а максимально упорядоченное, которое затем начало перерождаться. В этом смысле что-то похожее можно найти у Аристотеля с его учением о бесформенной материи и в Библии, где говорится, что из ничего возник свет, а дальше из него — все, что мы видим, включая галактики и звезды. Другое дело, что как только древние переходили к каким-то конкретным временным численным представлениям, то ни о каком сходстве говорить уже нельзя. Мы сами конкретные числа узнали совсем недавно, в эпоху эксперимента.

— Это эксперимент, который оказался интересен обеим сторонам. Изначально мы хотели понять, можно ли в принципе вести диалог и сопоставить две, как нам казалось, разные картины Вселенной.

Оказалось, рационально мыслящие богословы и нестандартно мыслящие ученые договориться могут.

Так называемого противостояния между верой и наукой нет, есть противостояние между догматиками и экстремистами как в вере, так и в науке, где таких людей тоже достаточно. Довольно быстро мы выяснили, что многие богословы не имеют хорошего естественного образования и у них встречаются довольно странные представления о науке, но и у нас, честно признать, были очень сильно упрощенные представления о христианстве.

Что касается картин мира, то наука и богословие занимаются разными областями. Колоссальные успехи естественной науки связаны с тем, что в области неодушевленной материи никаких пределов рациональному познанию мы не видим. Когда мне говорят, что все создал Бог, я отвечаю: пожалуйста, вы можете так думать, но Он явно благословил познавать мир, не ссылаясь на Его существование. В науке есть точные критерии истины, которая подтверждается экспериментом. В гуманитарных науках, кстати, такого нет.

Если говорить о религии, то в ней нет четкого представления о том, что является правильным. Скажем, каждое конкретное положение христианского Символа веры многие понимают по-разному, абсолютного авторитета нет. И это становится источником проблем, потому что люди, особенно без достаточного образования, начинают действовать непредсказуемо, исходя из своих религиозных представлений. Хотелось бы наоборот: чтобы, если человек верит в Бога, он вел себя соответствующим предсказуемым образом.

Алексей Старобинский в парке «Музеон»

— Нет, Пасху я не отрицаю. Я не отрицаю, что существует что-то вне тех рамок, которыми занимается наука, я допускаю существование духа. Если Бог — это где-то сверху, то дух — то что есть в людях. Это для меня великая гипотеза… Видим ли мы действие Бога в мире? На уровне неодушевленного мира нам это не нужно, но на уровне общества Бог, безусловно, действует через людей, которые в него верят. Когда атеисты начинают нас попрекать в заблуждениях, указывая, что мы верим в леших, то, повторюсь, произносят это люди с догматическими установками. Достаточно взять сам факт того, что христианская религия существует уже 2 тысячи лет — одно это уже чего-нибудь стоит.

— Наука, несомненно, содействует прогрессу. Но всегда выясняется, что достижения можно использовать и во вред человеку тоже. Поэтому прогресс идет, но поскольку сам человек не очень меняется, то одновременно с прогрессом в одном месте — в другом начинается деградация. Например, сейчас много обсуждается перемена климата. Где-то действительно идет слабый процесс потепления, но одновременно в самых разных местах мы наблюдаем точки флуктуаций температуры в обе стороны — от самых неожиданных похолоданий до неожиданных потеплений. И этот эффект раз в десять перекрывает слабую-слабую тенденцию глобального потепления. С прогрессом такая же ситуация. Где-то он идет, и жизнь в целом улучшается, но на это накладываются колоссальные флуктуации, которые вдруг возникают внутри какой-то страны или народа. И вот они прогресс нивелируют. Так что прогресс есть в том смысле, что знать мы стали существенно больше, но пользоваться этим знанием люди, как правило, не хотят. Поэтому одна из важнейших задач ученых та же самая, что была 100, 200 и 300 лет назад,— это просвещение.

Беседовала Елена Кудрявцева

Лев Зелёный: «Колонизация космоса — это билет в один конец»

Лев Зелёный: «Колонизация космоса — это билет в один конец»

У российской космонавтики есть шанс вернуть былое лидерство. Если, конечно, звезды сойдутся

Есть у России шанс выиграть вторую лунную гонку, в которой с ней конкурируют не одна, а целых четыре державы? Что за жизнь может скрываться под плотным кольцом облаков на Венере? Есть ли шанс защититься от жесткого космического излучения? Как укрыться от выбросов солнечного вещества и чем оно нам грозит? О космических перспективах России и человечества в эксклюзивном интервью «Огоньку» рассказал научный руководитель Института космических исследований (ИКИ) РАН академик Лев Зелёный.

Звездный путь / визитная карточка

Родился в 1948 году в Москве. Окончил факультет аэрофизики и космических исследований МФТИ. Вся карьера связана с ИКИ РАН, директором которого был с 2002 по 2017 год. Академик Зелёный — один из самых авторитетных ученых мира в области физики космической плазмы, физики солнечно-земных связей, нелинейной динамики и исследования планет.

В 1992–2002 годах — научный координатор проекта «Интербол» (участвовали ученые из 20 стран). Был научным руководителем российской Лунной программы, проекта «Резонанс» (исследование взаимодействия волн и частиц во внутренней магнитосфере Земли), а также российской части проекта поиска следов жизни на Марсе — ЭкзоМарс. Зампредседателя Совета РАН по космосу, член президиума научно-технического совета Роскосмоса, руководитель Межведомственной экспертной комиссии по космосу, действительный член Международной академии астронавтики.

В кабинете главного российского специалиста по исследованию космоса висит большая, в полстены, репродукция картины «Новая планета» художника Константина Юона из Третьяковки, написанной в 1921-м, посреди разрухи и хаоса. Маленькие темные фигурки мечутся на фоне черно-желтого неба и воздевают руки к грозно нависающим над ними планетам.

— Картина написана по мотивам 1917-го, вероятно, так художник чувствовал разлитое в воздухе напряжение,— говорит академик Лев Зелёный.— Но если отвлечься от времени, она про то, что космические факторы чрезвычайно активно влияют на нас. Я большой поклонник выдающегося русского ученого Александра Чижевского, который одним из первых начал развивать мысль, что все процессы на Земле, включая революции, нашествия саранчи, эпидемии и погодные катаклизмы, моделируются солнечной активностью. Александр Леонидович предвосхитил открытие солнечного ветра, существование которого было доказано лишь с началом работы первых спутников. Сегодня мы имеем огромное количество статистических подтверждений этого тезиса, понимаем все нюансы воздействий Солнца на различные технические системы, но вот полностью разгадать механизмы этого воздействия на человека пока не можем. Именно этой наукой, кстати, я занимаюсь большую часть жизни.

— Физика солнечной и космической плазмы. У нас в Институте космических исследований не первый год проходит конференция, по итогам которой мы издаем сборник «Плазменная гелеобиофизика». Название отражает наши главные темы. С одной стороны, мы занимаемся физикой Солнца: вспышками, выбросами корональной массы (речь идет о выбросах вещества из солнечной короны.— «О»), протуберанцами и солнечными магнитными полями. С другой — смотрим, как эти процессы отражаются на Земле: изучаем магнитные бури, полярное сияние, космическую погоду, влияние космоса на человека. Эти явления важно знать не только для решения абстрактных физических задач, но и с чисто практической точки зрения.

— Это и по сей день вызывает споры. У нас по этой тематике защищалась Тамара Бреус. Защита проходила очень тяжело, шел уже девятый час обсуждений, но в конце вышел главный врач Московской скорой помощи и сказал: «Вы можете спорить о том, как именно это работает, но, когда дается прогноз большой магнитной активности, я своим сотрудникам отгулы и отпуска не даю, потому что точно вызовов будет на 25–30 процентов больше».

— Во время солнечной активности происходят мощные выбросы солнечного вещества в космос. Они достигают Земли за несколько дней, проникают в нашу магнитосферу, создают сильные токи, которые меняют магнитное поле на поверхности Земли. Прогнозом таких явлений, а пока они еще не точные, занят ряд лабораторий, в основном Институт прикладной геофизики Росгидромета. Своя служба у авиаторов, у Роскосмоса, у военных. Мы тоже, но в рамках фундаментальной науки: изучаем механизмы глобальных космических процессов и их влияние на Землю.

— Прогнозировать нужно. Если прямое влияние солнечных выбросов на человека мы можем продемонстрировать только статистически, то их влияние на технику постоянно фиксируем и его механизмы в целом понимаем. Представьте: в 2015-м после магнитной бури в Швеции пропали с радаров самолеты над южной частью страны. Началась паника, диспетчеры экстренно сажали все самолеты… Огромный вред несут такие выбросы спутникам, особенно тем, которые находятся на геостационарных орбитах и слабо защищены магнитным полем. При мощных выбросах у них в лучшем случае сбивается телеметрия, в худшем — они целиком выходят из строя. Это крайне важно учитывать, ведь значительная часть этих космических аппаратов имеет двойное назначение.

— Да, магнитное поле Земли сейчас (!) так устроено (магнитный и географический полюса находятся относительно недалеко друг от друга), что потоки солнечных частиц попадают в окрестности магнитных полюсов, достигают атмосферы Земли и создают особые овалы полярных сияний в Северном и Южном полушариях, которые целиком даже можно увидеть только из космоса. Для России до последнего десятилетия это было не так актуально, как, скажем, для Канады, потому что у нас на Севере не было сильно развитой инфраструктуры, за исключением Мурманска и Архангельска. Теперь это важно, тем более что к России со скоростью примерно 20 километров в год движется Северный магнитный полюс. С начала XVII века он располагался на границах с нынешней канадской Арктикой, а теперь эта магнитная шапка, «нахлобученная» на Землю, движется к нам. Это добавит нагрузку на инфраструктуру и таит угрозу для всех протяженных технических систем, от ЛЭП до нефтепроводов, которые, по сути, представляют собой очень длинные проводники.

Я люблю пошутить, что, как говорил Владимир Ильич, в ХХ веке центр революционной активности сместился в Россию, а в ХХI веке к нам пожаловал уже и центр магнитной активности.

— Повлиять на Солнце мы, конечно, не можем, но, если заранее выключать спутники, они будут менее уязвимы. То же и с наземной инфраструктурой, если в особо острые моменты выключать нагрузку, дополнительное магнитное поле не будет перегружать системы и аварий не будет. Сейчас это научились регулировать. В 2000-м, когда активность Солнца была очень высока, пострадало много спутников. Но некоторые удалось сохранить как раз благодаря прогнозам: их ввели в спящий режим на время прохождения облака частиц и тем сэкономили десятки миллионов долларов.

Под солнечным парусом

— Первые открытия были сделаны почти 60 лет назад, после запуска первого искусственного спутника: выход научных приборов в космос позволил «прикоснуться» к космической среде. До этого ученые совершенно не представляли, как она будет себя вести. А самое громкое открытие тех лет, славу которого до сих пор не могут поделить российские и американские ученые, связано с обнаружением радиационных поясов Земли. Сейчас их называют пояса Ван Аллена и Вернова. А чуть позже, в 1959–1961 годах, советские автоматические станции «Луна-1», «Луна-2» и «Венера-1» впервые экспериментально — при прямом измерении параметров межпланетной плазмы — подтвердили существование солнечного ветра.

Лев Зеленый — физик с мировым именем, академик РАН, один из самых цитируемых российских ученых

— Я пришел в Институт космических исследований в конце 1960-х. Помню, мне попалась книжка «Солнечный ветер»: она меня захватила, и я уже представлял себе яхты с парусами, скользящие между Землей и Солнцем. Правда, потом оказалось, что солнечный ветер — это поток плазмы, который до того разрежен, что содержит всего несколько частиц в кубическом сантиметре. Поэтому он паруса надувать не может, а вот давление света — может. Так что научное и инженерное сообщество сегодня вполне серьезно рассматривает идеи яхт на солнечных парусах.

В то время в физику космической плазмы пришло много выдающихся ученых, до того занимавшихся проблемой управляемого термоядерного синтеза. Задачи были в чем-то схожи: в обоих случаях речь шла о высокотемпературной, достаточно разреженной плазме. Но, как известно, удержать плазму сколько-нибудь значимое время, чтобы началась термоядерная реакция, идущая с выделением громадной энергии, ученым не удается даже сейчас в самых современных устройствах — токамаках. И многим стало понятно: нужно уходить в смежные области. Тут как раз начался период экспериментов в космосе, благодаря которым можно было понять, как ведет себя плазма в космосе. Это очень красивая физика, которой я начал в те годы заниматься под руководством тогда еще молодого доктора наук, а потом и академика Альберта Галеева.

— Этот эксперимент в 2000-е годы открыл эру многоспутниковых измерений. Понимаете, когда вы измеряете космическую среду в одной точке, установить причинно-следственные связи невозможно: все течет, все меняется и в пространстве, и во времени. А вот с помощью четырех космических аппаратов мы изучали, как солнечный ветер движется в межпланетном пространстве и как это отражается на магнитосфере Земли. Удалось измерить магнитные поля, которые солнечная плазма создает в различных областях космического пространства. А исследование таких тонких физических моментов дало толчок развитию прогноза космической погоды. Правда, как обычно, выяснялось, что на самом деле все намного интереснее и сложнее, чем мы думали поначалу. В целом проект дал очень много для понимания структуры магнитосферы и в особенности процесса пересоединения. Эти исследования продолжаются уже в более малых масштабах, с помощью многоспутниковых систем космических аппаратов европейского проекта CLUSTER и проекта MMS НАСА.

Академик Лев Зелёный рядом с космическим аппаратом «Прогноз». Такие спутники были частью проекта «Интербол»

— Это важнейший процесс, от него зависит, как конкретно будет двигаться космическая плазма, например мощный поток солнечной плазмы. Представьте груженый товарный поезд, который во время войны должен доставить снаряды. И вот, скажем, партизан, как часто мы видели в военных фильмах, пробирается на станцию и переключает стрелку. От этого малого усилия зависит исход всей операции: получат ли враги снаряды или поезд пойдет в тупик и разобьется. Так вот, пересоединение — тонкий процесс именно такого рода. Стрелка здесь — небольшая область, где земное магнитное поле взаимодействует с магнитными полями, которое солнечный ветер приносит от Солнца. От того, как пройдет это взаимодействие, зависит, обрушится ли вся мощь солнечного ветра на Землю или отклонится в сторону и аккуратно обойдет земную магнитосферу с боковых сторон. Это как волшебный ключик, который открывает или запирает ворота для входа мощнейшего потока солнечной энергии. В первом случае мы получим сильные магнитные бури, излишнюю нагрузку на линии электропередачи, поврежденные спутники, недомогания у множества людей, во втором все останется более или менее спокойным. В первом случае нужно срочно обеспечить сохранность важных технических систем. Надо, конечно, сказать, что в первом случае природа вознаграждает нас величественной мистерией полярных сияний, переливающихся всеми красками и заполняющими почти все северное небо.

— Сложность в том, что параметры этого потока нужно измерить прямо перед тем, как он устремится к Земле. Для этого спутник нужно «подвесить» в особых точках, где гравитация Земли и Солнца примерно равны. Тогда прогноз космической погоды, который обычно очень приблизителен, повышается почти до стопроцентной точности. Правда, сделать его можно минут за 40 до события. Сейчас есть несколько американских космических аппаратов, которые проводят такие измерения. Мы пользуемся зарубежными данными, хотя ИКИ не раз предлагал сделать отечественный спутник для такого прогноза.

— Есть несколько идей, например, мы предлагали разместить ближе к Солнцу аппарат с большим солнечным парусом. Солнечное давление на этот парус будет эффективно уменьшать гравитационное притяжение Солнца, и позиция, где можно разместить такой монитор солнечного ветра, сместится ближе к Солнцу. Это, в принципе, позволит увеличить время прогноза примерно вдвое. Основная проблема — сделать парус. Мы построили экспериментальную модель вместе с НПО им. Лавочкина. Солнечный парус представлял собой тонкую — в 5 микрон толщиной — полиэфирную пленку, покрытую с одной стороны субмикронным слоем алюминия. К сожалению, вся конструкция канула в Лету: аппарат погиб при запуске и утонул в Баренцевом море, а сделать новый нет средств.

— Это возмущения геомагнитного поля Земли, которые рождаются в хвосте магнитосферы — очень протяженной области за Землей, образующейся при вытягивании силовых линий магнитного поля Земли в антисолнечном направлении. Мы смогли объяснить это уникальное природное явление, связав его со свойствами токовых слоев, которые образуются в центре магнитосферного хвоста. В 1970-х годах считалось, что хвост магнитосферы — это, по сути, один толстый токовый слой. Сейчас понятно, что он напоминает гигантскую космическую матрешку: тонкий слой электронных токов вложен внутрь более широкого тока протонов, затем в слой ионов кислорода и, наконец, внутрь плазменного слоя. Иными словами, чтобы определить, как будут развиваться события и как долго такой слой сможет удерживать накопленную магнитную энергию, прежде чем произойдет взрыв (начнется магнитная суббуря), нужно изучать, как ведет себя самый глубинный слой частиц. Интересно, что эта теория верна не только для Земли, но и для других планет. Благодаря недавним данным, полученным со спутников, мы теперь знаем, что подобные слои есть и у Марса, и у Венеры. Иначе говоря, речь идет об универсальном явления, присущим плазме вообще.

В один конец

— Вопрос хороший, но на него нет простого ответа. Космос действительно враждебная среда, и человек никогда не сможет к ней приспособиться. Я дружу с известным патриотом лунных поселений Бернардом Фоингом (исполнительный директор Международной рабочей группы по Луне ЕКА.— «О»). Мы с ним часто спорим о том, как будет проходить освоение Луны. На мой взгляд, перелет на любое небесное тело и тем более его колонизация — это дорога в один конец. Если человек проживет в поселении на Луне хотя бы год, он уже не сможет вернуться на Землю. Это описал еще Герберт Уэллс в книге «Первые люди на Луне». Как известно, на Луне намного слабее гравитация, и, чтобы остаться в прежней физической форме, человек вместо работы будет проводить все время в мучительных тренировках. Если этого не делать, мы получим иное человечество: чтобы потомки первых переселенцев смогли вновь жить на Земле, им понадобятся особые экзоскелеты.

В общем, я думаю, что ближний космос, включая Луну и Марс, станут неким пространством для частичного освоения человеком, а более дальние космические объекты нам недоступны в принципе. Мы не только не сможем их колонизировать, но и даже добраться до них. К Юпитеру, Сатурну и его спутнику — Титану нужно отправлять роботов, а затем на основе изображений, полученных в этих полетах, создавать дополненную виртуальную реальность.

— Радиация и токсичная лунная пыль. Последнее — специфическое явление. Луна бомбардируется крупными и мелкими метеоритами, которые, как садовник граблями, рыхлят ее поверхность. За миллиарды лет она покрылась слоем такого раздробленного и разрыхленного вещества. Частицы лунной пыли совсем небольшие, размером с долю микрона, но в отличие от частиц земной пыли у них очень острые края, а сами пылинки по форме напоминают японские метательные ножи. Потому что на Земле есть сглаживающее влияние воздуха, а там — вакуум. А самое опасное в лунной пыли — токсичность для человека. Ее свойства сейчас изучают медики, но образцов пыли недостаточно, поэтому делают аналоги.

— Я еще школьником читал «Лунную пыль» Артура Кларка — о том, как космический аппарат тонет в океане рыхлой лунной пыли. Интересно, что когда в СССР разрабатывали модели первых лунных станций, то всерьез рассматривали возможность существования океанов из пыли. Так что некоторые станции были спроектированы как поплавки. Но затем наш легендарный конструктор Сергей Королёв написал на таком чертеже: «Не надо, Луна твердая». Как он это понял — неизвестно, видимо, сработала интуиция. Хотя сейчас мы знаем: на Луне есть и многометровые моря пыли, но в этих местах пока никто не садился.

— Она немного, на несколько сантиметров, подмялась. Но с проблемой пыли столкнулись сами космонавты. Они писали, что это какое-то странное вещество, пахнущее серой, как бы и твердое, и мягкое одновременно, очень липкое, будто частицы связаны друг с другом. В итоге они никак не могли избавиться от пыли, она набилась во все щели корабля, в скафандры, оказалась на рубашках, вызывала раздражения на коже.

— Это очень интересный вопрос. Дело в том, что на Луне мы имеем дело с особой пылью, частицы которой заряжены, фактически это пылевая плазма. Луна постоянно бомбардируется частицами солнечного ветра — заряженными протонами и ионами. Фотоны солнечного электромагнитного излучения также выбивают электроны из атомов в поверхностном слое и из самих пылинок, поэтому и поверхность Луны, и висящая над ней пыль электризуются, то есть приобретают электрический заряд и соответственно потенциал. А вот на темной стороне Луны такого потенциала нет. Из-за такой разницы вблизи терминатора (условная линия, разделяющая светлую и темную стороны Луны.— «О») происходят постоянные движения вещества, напоминающие бури. При этом, поскольку сами пылинки тоже электризуются, над заряженной поверхностью Луны «левитируют» заряженные частички пыли. Но в отличие от обычной плазмы, где есть ионы и электроны, в этой плазме — заряженные пылевые частички, которые в миллиарды раз тяжелее протона и соответственно имеют громадный (по сравнению с электроном) электрический заряд. То есть, когда мы говорим о поверхности Луны, точнее, об экзосфере Луны, нужно понимать, что это очень сложная система, где все заряжено: и пылинки, и поверхность, и человек, который будет там находиться. Мы планируем, что в рамках лунной миссии отправим приборы, которые будут исследовать свойства самих пылинок и электрические поля, которые при этом создаются.

Академик Зеленый — один из самых авторитетных ученых мира в области физики космической плазмы, физики солнечно-земных связей, нелинейной динамики и исследования планет

— Немного пыли там, конечно, есть, и именно поэтому мы кое-что знаем о ее свойствах и элементном составе, но пыль надо изучать в динамике. Именно это мы и собираемся делать на наших посадочных аппаратах. После доставок лунного грунта тремя советскими аппаратами и полетов «Аполлонов» было соглашение между Американской академией наук и отечественным Институтом геохимии им. Вернадского об обмене фрагментами лунного вещества. Речь шла, конечно, о граммах: к лунному веществу относятся очень аккуратно. Другое дело, что сегодня, спустя 50 лет, в этих самых образцах можно найти удивительные вещи. Например, в грунте, доставленном нашими «Лунами», обнаружены микроскопические водные вкрапления, что совершенно неожиданно для тех приэкваториальных областей, откуда доставлялся грунт. Новые методы анализа могут существенно изменить наши представления о происхождении Луны.

— Сегодня считается, что Луна — это, по сути, наш седьмой континент. Скорее всего она сформировалась в результате сильного столкновения Земли с каким-то другим крупным телом (иногда его называют планетой Тейя), которое как ножом срезало верхние земные слои и отбросило их в космическое пространство.

— Все развивается по спирали, мы вернулись в ту же точку на новом витке.

Все понимают: лунная гонка 1970-х в каком-то смысле была преждевременной. То, что в итоге столь много получилось и у США, и у СССР, просто фантастика. Но на том марафоне обе сверхдержавы реально выдохлись.

Сегодня же Луна стала неким входным билетом в космический клуб. Для азиатских «тигров» вроде Китая, Индии, Японии — это повод заявить о себе как о космической державе. Пока Китай с его успешной посадкой аппарата на обратной стороне — лидер лунных исследований, а нам остается только завидовать, тем более что мы прекрасно знаем коллег из Китая, они много раз были у нас в институте.

— Это не совсем так, они предлагали поставить на свой аппарат наши приборы, но у нас, к сожалению, опять все увязло в бюрократических согласованиях в родном Роскосмосе. Мы еще будем работать с китайцами, но постепенно они становятся самодостаточными.

На низком старте / Цифры

У России не было успешных запусков межпланетных станций в дальний космос

в месяц в среднем получает ведущий инженер в российской космической отрасли. В США специалист на такой же позиции зарабатывает сумму, эквивалентную 500 тысячам рублей

планирует осуществить Роскосмос в 2019 году. В прошлом запустили всего 20. До сих пор мировым лидером по числу запусков остается СССР: в 1982 году он выполнил 108 стартов в космос

Не так давно, кстати, была возможность подать заявки на индийский аппарат, который летит к нашей любимой Венере. В результате российское участие было одобрено. Индийцы часто приглашают западных исследователей к сотрудничеству, их лунный аппарат «Чандраян» дал очень хорошие результаты. Он успешно доставил на орбиту Луны американские приборы, что для Индии великое достижение.

— У каждого свои цели и при этом все жалуются, что у них на эти цели не хватает денег. Для НАСА до недавнего времени Луна не была приоритетом, так как США шли широким фронтом, не обходя вниманием ни один космический объект. Но, похоже, с приходом Трампа ситуация изменилась и значительная добавка к бюджету выделена как раз на новые полеты космонавтов на Луну. Китай объявил целью построение на Луне своего поселения. А для России Луна — научная цель номер один. Основной наш интерес связан с полюсами Луны, где обнаружены запасы льда. Для России это стратегически правильно, потому что таким широким фронтом, как хотелось бы, наша страна идти не может. Надо выбрать направление, где мы сможем стать одним из лидеров.

— Давайте смотреть на вещи трезво, мы можем успешно работать на этом поле, но все-таки технология астрономических экспериментов ушла так далеко, что нам в ближайшее время тут стать лидерами трудно. В проекте СРГ все-таки главный прибор — немецкий телескоп eROSIT. Но СРГ, я уверен, станет ярким событием, ведь в тандеме, дополняя друг друга, eROSIT будет работать вместе с российским рентгеновским телескопом АРТ-ХС.

Также я всегда был большим сторонником исследования Европы — спутника Юпитера. Это уникальное небесное тело, на котором подо льдом находится настоящий океан. В начале 2000-х мы всерьез занимались разработкой проекта посадки аппарата на Европу. Но сейчас оказалось: там такая страшная радиация, что у нас нет электроники, способной ее выдерживать. А вот Луна нам подходит идеально.

Эксперимент «Интербол» (на заднем плане — аппарат из этого проекта) в 2000-е годы открыл эру многоспутниковых измерений

— У России до сих пор два больших преимущества: пилотируемая космонавтика и космическая медицина. Исторически у наших медиков учится весь мир, включая американцев и китайцев. Мы разработали методы, которые позволяют человеку возвращаться в работоспособном состоянии после длительных полетов. Первый дублер Валентины Терешковой, Валентина Пономарева, в воспоминаниях пишет, что после 18-дневного полета Севастьянова и Николаева в 1970-м их буквально вынимали из корабля, самостоятельно выйти они не смогли. А теперь посмотрите, какой путь прошла наука! Меня потрясло, в какой прекрасной форме вернулись (это было 2 марта 2016-го.— «О») после 340 дней на орбите Михаил Корниенко и Скотт Келли. В посольстве США был прием в честь их возвращения, и мало того что они выглядели очень бодрыми, так Келли еще первым делом после полета попросил встречи со своей девушкой. А это о многом говорит!

Другое наше преимущество в том, что на Луну мы уже садились. Всего отцы — основатели советской космонавтики запустили на Луну 24 автоматических аппарата, большая часть которых разбилась: некоторые на старте, некоторые о поверхность Луны. Но технологию отработали, несколько раз сели мягко, доставили два прекрасных лунохода, три раза привезли грунт на Землю. Тогда страна не жалела на это денег. Сейчас нам такое даже не снится: при запуске утопили аппарат «Фобос-Грунт» и следующего полета к Марсу пришлось ждать довольно долго. В этих условиях Луна хороша реализуемостью и важна практически.

— Один этап нельзя отделить от другого. В Федеральной космической программе до 2025 года уже запланирован запуск трех аппаратов — «Луны-25, 26, 27», нумерация которых подчеркивает преемственность с последним советским проектом «Луна-24» (1976). На 2021 год запланирован запуск первого аппарата, который будет отрабатывать технологию посадки. Речь идет о посадке в приполярные районы Луны, которые нам особо интересны, а баллистически это гораздо сложнее посадки в экваториальных районах, где и наши, и американские аппараты садились раньше.

Аппарат «Луна-26» — орбитальный. Он, в частности, будет исследовать взаимодействие Луны с солнечным ветром, магнитные и гравитационные аномалии, частицы пыли, которые достигают орбиты. Также он выберет место посадки для следующей «Луны-27». Это будет уже более серьезная конструкция. На ней установят буровую установку, которую создают наши коллеги из ЕКА.

— Верхние слои Луны очень сильно изуродованы радиацией и метеоритами. Поэтому вечная мерзлота, то есть лед и другие летучие вещества, которые нас интересуют, должны находиться где-то под поверхностью. Верхний слой грунта как одеялом укутывает их и защищает от громадных перепадов температуры на поверхности. Возможно, достаточно будет глубины всего в 1–1,5 метра, потому что лунный грунт — реголит — очень хороший теплоизолятор.

— Да, на «Луне-20» и «Луне-24» были тогда простые буровые установки, которые просто вынимали колонку грунта и доставляли ее на Землю. Тогда еще не знали про включения водяного льда. Понятно, что работающая дрель при бурении разогревается и все летучие вещества, включая лед, испаряются. Поэтому сейчас у нас задача сложнее, ведь речь идет о так называемом криогенном бурении.

— Нет, она будет исследовать грунт на месте с помощью масс-спектрометров. В земные лаборатории его доставит уже следующая станция — «Луна-28».

— По имеющимся договоренностям у Луны тот же статус, как у Антарктиды, которая является общим континентом человечества, там нет границ. Каждый имеет право построить станцию, но так, чтобы не мешать другому. На Луне до недавнего времени действовал тот же принцип. Но с началом второй лунной гонки, нынешней, какие-то частные фирмы начали продавать территории на Луне. Почему-то в Люксембурге появились законы, позволяющие отдавать участки Луны в собственность. Пока это считается юридически ничтожным, но прецедент налицо.

Мало того. США объявили области Луны вокруг посадок «Аполлонов» заповедником. А заповедник — это уже определенный юридический статус. Вопрос сейчас вовсю обсуждается в Вене в Международном комитете по использованию космического пространства, где работают наши дипломаты и эксперты из Института прикладной математики РАН. Недавно мы встречались с проректором МГИМО, которого эта тема заинтересовала и с дипломатической точки зрения. Словом, вопрос на слуху.

— Речь идет о создании особого пространства на обратной стороне Луны, где было бы запрещено строительство любой технической инфраструктуры, которая фонит и мешает вслушиваться в электромагнитные шумы Вселенной. Ведь на Земле и около нее пространство заполнено радиоспамом от миллионов радиостанций, спутников и мобильных телефонов. Но пока создание такого заповедника — это скорее пожелание ученых, которое озвучил итальянский радиоастроном Чезаре Макконе.

Венерианские хроники

— Да, буквально на днях в престижном журнале «Успехи физических наук» вышла статья о результатах новой обработки архивных данных телевизионных экспериментов, выполненных на поверхности Венеры в ходе советских миссий «Венера» в 1975–1982 годах (их, кстати, так никто и не повторил). Хочется добрым словом вспомнить создателя телевизионных систем для этих аппаратов Арнольда Сергеевича Селиванова, совсем недавно ушедшего от нас. Уникальные архивные данные были обработаны с использованием новых методов, что значительно улучшило детализацию. В результате на фотографиях обнаружено до 18 гипотетических живых существ — это некие объекты со сложной и правильной структурой, которые, предположительно, способны очень медленно двигаться. Они довольно большие и в целом могут свидетельствовать о существовании жизни на Венере в физических условиях, радикально отличающихся от земных. Поэтому сейчас Венера приобретает дополнительное значение с точки зрения проверок таких странных на первый взгляд идей.

— Средняя температура поверхности Венеры — 462°C. Этого хватит, чтобы расплавить свинец, а атмосферное давление в 92 раза выше, чем на Земле на уровне моря (9,2 МПа). Атмосфера Венеры состоит из углекислого газа (96 процентов) и азота (почти 4 процента). Водяной пар и кислород содержатся в ней в следовых количествах (0,02 и 0,1 процента). Добавьте 20-километровый слой облаков из серной кислоты и вы получите адекватную картину венерианской природы.

— Это земная жизнь образовалась на водной основе, но кто сказал, что это единственный возможный вариант? Сегодня рассматриваются разные химические компоненты, стабильные в области высоких температур, на которых гипотетически может быть основана жизнь на Венере. Мы обсуждали эту гипотезу с коллегами академика Валентина Пармона из Института катализа РАН. Установок, имитирующих химические условия Венеры, пока нет. Но есть схожие. Так, сегодня известно, что при высоких давлениях свойства химических веществ кардинально меняются. Если вы будете долго нагревать воду, она сначала нагреется, потом испарится, а потом превратится в особую среду, которая называется флюид. Это некая смесь воды и пара. Затем химики стали думать, чем можно было бы заменить воду как универсальный растворитель, и оказалось, что таковым может стать перегретый углекислый газ. Его флюид представляет собой смесь пара и жидкости. Потом оказалось, что углерод тоже можно заменить соединениями азота. Кто сказал, что основа жизни должна быть обязательно белковой и построена на углероде? Жизнь — это самоорганизация, и она может возникать почти в любых условиях и строиться на других принципах. Азот для этого вполне подходит. Вы слышали про черных курильщиков? Это вулканы на дне земных океанов, где возникла своего рода параллельная жизнь, никак не связанная с фотосинтезом и углеродом. Если смотреть шире на эти вещи, можно предположить, что жизнь нужно искать не только на землеподобных планетах, потому что в данном случае мы ищем самих себя. Ее надо искать и на планетах с другими свойствами. А выглядеть жизнь может как угодно, в том числе и как океан, описанный Станиславом Лемом в «Солярисе». В любом случае нужно попытаться более точно имитировать условия на Венере в земных лабораториях (и наши коллеги из Новосибирска планируют это сделать) и готовить новую миссию на Венеру. Для России это вполне реальная перспектива после Луны и Марса.

Вся карьера академика Зеленого связана с ИКИ РАН, директором которого он был с 2002 по 2017 год

— Наша группа начала работать еще в 2013-м и с переменным успехом встречалась вплоть до последнего времени. Детали совместной работы должен был обсудить руководитель Роскосмоса Д.О. Рогозин с новым руководством НАСА во время своего визита в США. Хотя визит пока не состоялся, мы обсуждаем с представителями Госкорпорации начало полноценного финансирование проектных работ уже в следующем году. Замечу, что «Венера-Д» — первый крупный совместный с NASA научный проект. Основные элементы миссии «Венера-Д» — российские (посадочный и орбитальный аппараты).

— Да, было такое очень интересное предложение, но пока технически оно нереализуемо. Сейчас американцы предполагают доставить на поверхность метеорологические станции, которые будут в течение нескольких месяцев собирать данные по скорости ветра, давлению, температуре воздуха и т.д. Очень интересно, если будет возможность измерять эти параметры достаточно долго. Наша посадочная станция должна будет сесть на поверхность, провести за несколько часов серию важнейших измерений и в том числе получить и передать на Землю набор высококачественных изображений.

— Ну, в 1970-м советский аппарат «Венера-7» впервые осуществил мягкую посадку на Венере и успешно проработал там почти час. А в 1975-м «Венера-9» передала на Землю фотографии. На этот раз аппарат должен проработать тоже несколько часов, но с гораздо более совершенным приборным комплексом. Этого достаточно, чтобы с хорошим пространственным и временным разрешением снять панорамы и действительно подтвердить или опровергнуть существование там каких-либо загадочных движущихся объектов. Узкое горлышко здесь в том, как передать картинки такого высокого качества на Землю. Сейчас мы обсуждаем, как сделать линии канала связи этого посадочного аппарата с Землей через ретрансляционный спутник. Вообще, научные данные со всех аппаратов будут передаваться на орбитальный аппарат, а с орбитального — на Землю. Мы собираемся использовать российские станции, работающие в Х-диапазоне радиоспектра. Возможно, привлечем для передачи данных и американские станции, работающие в К-диапазоне. Это позволит в несколько раз увеличить объем передаваемой информации. В России таких станций пока нет.

— Наш первоначальный проект в 2003-м тоже предполагал создание посадочного аппарата, который должен был прожить на поверхности Венеры несколько суток. Однако оказалось, что в РФ не производится электроники, способной работать при температуре 500°C. Да и не только в России. Американцы делают прототипы сверхустойчивой кремниевой электроники, но до ее внедрения еще далеко. Работы ведутся в Гленновском исследовательском центре НАСА. Там в 14-тонном контейнере из нержавеющей стали моделируется сверхвысокое давление в атмосфере из полужидкого углекислого газа (96,5 процента) и температуры до 460°C — как над Венерой. Но я подчеркиваю, что миссия планируется так, что за несколько часов, которые наш посадочный аппарат продержится на Венере, он успеет на новом уровне провести все необходимые измерения и получить качественные изображения всего, что будет находиться в окрестности аппарата.

— Пока есть, в 2017-м состоялись две замечательные международные конференции по моделированию условий на Венере, одна в Гленн-центре, вторая в Москве. В 2019-м планируем провести международную конференцию, чтобы обсудить выбор мест посадки для «Венеры-Д», а также вопросы астробиологии — возможности существования жизни в облачном слое Венеры. Температура и давление в нижнем облачном слое мало отличаются от условий на поверхности Земли. Известен целый ряд земных бактерий, способных жить в концентрированном растворе кислоты.

Вернуться на Марс

— Такое мнение иногда встречается, но оно очень наивно. Королев — великий человек, действительно мечтал о Марсе, но тогда мы не смогли сделать такую тяжелую ракету, чтобы добраться даже до Луны. А попасть на Марс без сверхтяжелой ракеты было бы невозможно.

К тому же тогда не понимали всех опасностей, связанных с долгим полетом человека. В первую очередь речь о космическом изучении. Королев думал, что проблему можно решить, прикрываясь водяными баками. Сейчас это выглядит, конечно, наивно. А как быть с обратным полетом? Новые данные о радиации показывают, что все гораздо сложнее. Помимо радиации, вызванной электромагнитными излучениями и частицами, ускоряемыми при солнечных вспышках, в космосе есть излучение, остающееся после вспышек сверхновых звезд, и это, в частности, тяжелые заряженные частицы, ускоренные до чрезвычайно высоких энергий. Недавно на нашем совете по космосу РАН специалисты Института медико-биологических проблем РАН и ОИЯИ рассказали об опытах в подмосковной Дубне.

Эксперименты показывают, что после облучения мышей такими мощными высокоэнергичными частицами, они теряют когнитивные функции, забывают элементарные навыки, не могут найти миску в хорошо знакомом лабиринте. Причем нарушения происходят практически сразу же после радиационного удара. Вряд ли после этого человек сможет управлять кораблем. Конечно, это вызывает скепсис по возможности пилотируемого полета на Марс Так что теперь в любом случае нам нужно проводить исследования на высших животных. Впрочем, и без этого ясно, что дорога впереди очень длинная, а открытых вопросов очень много.

Беседовала Елена Кудрявцева

Михаил Фейгельман: «Реального хай-тека в России практически нет»

Михаил Фейгельман: «Реального хай-тека в России практически нет»

Физик Михаил Фейгельман уверен, что больше всего науке мешает пиар

Каждые пять лет ученых в мире становится больше процентов на 20. Растет и число опубликованных ими трудов, изрядная часть которых никому ничего не открывает. А нужно ли столько? Поспевают ли вузы за современной физикой? Реально коммерциализировать теоретическую физику с астрофизикой? Почему за лидерство в создании квантового компьютера соревнуются только США и Китай? О том, почему общество перестало успевать за наукой и как мода вредит последней, «Огоньку» рассказал замдиректора по науке Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау РАН Михаил Фейгельман.

— Думаю, тенденция эта глобальная. Проблема объективна: набор научных знаний с каждым десятилетием растет, а время, за которое студентов нужно чему-то научить, ограниченно. Вот поэтому сегодня и сложно внедрить в общие курсы физики — хотя бы университетов! — фундаментальные вещи, открытые 30–40 лет назад. А ведь на них основано многое из того, что делается сейчас.

Возьмите хотя бы основы современной теории конденсированного состояния металлов или полупроводников. Они были созданы в 1950-е, но до сих пор не попали в общие курсы физических специальностей университетов. Лишь пару лет назад элементы этих важнейших открытий были введены в конец курса общей физики МФТИ по инициативе нескольких молодых ученых. И это — ведущий факультет ведущего физического вуза страны!

— Шесть семестров преподается общая физика, причем первые четыре — классика 150-летней давности, опыты по оптике Френеля (один из создателей волновой теории света в XIX веке.— «О») и тому подобное. Это важно, конечно, но времени для нового не остается, а важно посмотреть свежим взглядом на программу, которая из года в год идет по накатанной. Увы, пока в вузах преподают те, кто озабочен, чтобы не отобрали часы, за которые им платят их небольшие деньги, ничего не изменится.

— Хорошо если в порядке спецкурсов, которые читают работающие специалисты-физики. На самом деле у кого и как это происходит, никто не знает.

— Это общая беда, которая, возможно, в меньшей степени свойственна Америке, так как у них нет министерства образования. Потому что во всех странах, где есть министерство, оно существует для того, чтобы это образование гробить. Это структура, которая заинтересована в самой себе и больше ни в чем. Только очень настойчивые люди могут что-то поменять в образовательной системе такого большого масштаба, ведь ее основной посыл — ничего не менять. А таких людей в любой стране мало.

— Тут существует некоторое недоразумение между различными частями научного сообщества. Есть, как говорится, две версии теоретической физики. Одна, более популярная сегодня, происходит из школы академика Боголюбова, возникшей в СССР, и также активно развивается сегодня, скажем, во Франции. Эта наука представляет собой математические упражнения на тему физики, где совсем не важно, проверяется ли теория экспериментом. Такой подход ныне широко распространен в мире вследствие моды на глобальные проблемы. Так, именно эта область физики занята теорией струн, которая должна ответить нам на все вопросы о происхождении мира (теория струн — одна из самых глобальных идей современной физики, утверждает, что элементарные компоненты Вселенной представляют собой не точечные частицы, а крошечные волокна — струны.— «О»). При этом сама теория струн за 30 лет своего существования не дала ответа ни на один физический вопрос.

Физик от природы / Визитная карточка

Михаил Фейгельман родился в 1954 году в Москве. Свой путь в большую науку начал со школы, попав в 7-м классе в школу № 2 с углубленным изучением физики и математики. В 1977-м окончил МФТИ, потом защитил кандидатскую и докторскую диссертацию по теоретической физике.

С 1980 года работает в Институте теоретической физики им. Л. Ландау, с 2003-го — заместителем директора по науке. Кроме того, заведует базовой кафедрой «Проблемы теоретической физики» в МФТИ и преподает в общей сложности уже почти 40 лет. Почетный член (Fellow) Американского физического общества. Область научных интересов профессора — квантовая теория конденсированного состояния, у его работ свыше 10 тысяч цитирований. Один из самых активных в общественном плане ученых, энергично отстаивает принцип прозрачности принятия решений в науке. Является одним из создателей «Корпуса экспертов» — первого значительного опыта в России по формированию «снизу» сообщества научных экспертов.

— Да, в этом смысле он находится в оппозиции к глобальной тенденции. Другая теоретическая физика существует в том виде, как ее понимали, например, Лев Ландау и Ричард Фейнман (один из создателей квантовой электродинамики.— «О»). Эта наука изучает самую что ни на есть реальную природу теоретическим методом. На мой взгляд, вообще теоретическая физика без экспериментальной развиваться не может. Поэтому наши инициативы связаны по преимуществу с каким-то кругом коллег-экспериментаторов. При этом основная проблема двух направлений теоретической физики — отфильтровать информационный мусор вокруг проблемы, потому что уровень замусоривания научной сферы во всех странах, и в нашей особенно, чрезвычайно высок.

— Везде та же чума с public relations — с шумом по поводу публикаций в высокорейтинговых журналах и тому подобное. Это глобальное явление: наука достигла такого уровня сложности, что никто, кроме самих ученых, оценить ее не может, а общество в лице административных органов признавать этого не собирается.

Занятия наукой заключаются в том, чтобы искать научную истину. При этом все механизмы контроля и оценки деятельности ученых настроены совершенно не на это. В итоге люди, которые действительно хотят заниматься наукой, должны не только решать довольно сложные задачи, но еще и противостоять легиону надсмотрщиков, которые желают, чтобы им делали красиво. А будет ли установлена эта самая научная истина, им все равно. Дело обстояло бы лучше, если бы существовал реальный запрос на новые знания со стороны какой бы то ни было промышленности. Но его нет нигде, тем паче в России.

— Наука в последние десятилетия развивается быстрее, чем общество может это переварить.

Промышленность, по большому счету, вполне довольна теми научными знаниями, которые были произведены примерно 30 лет, даже их она еще до конца не успела освоить.

Если же говорить о России, то практически никакого реального хай-тека у нас нет. Он существует только в очень мелких компаниях, которые сидят по углам и не сильно хотят о себе рассказывать.

— Коммерциализировать астрофизику, которая сейчас очень популярна, довольно сложно. Это какой-то вторичный процесс. По большому счету, все, что сегодня делают физики, они делают по своему усмотрению и исходя из собственных соображений о том, что правильно.

Мода в науке

— Модные течения, безусловно, есть, и это большая беда. Как только возникает модное течение, туда бросаются сотни и тысячи, начинают печатать мириады статей, по большей части пустых по содержанию. За последние 50–60 лет это обернулось колоссальной инфляцией — лиц, занятых как бы научной деятельностью, сделалось очень много, но это с неизбежностью привело к понижению качества всей этой публики.

«По большому счету, все, что сегодня делают физики, они делают по своему усмотрению и исходя из собственных соображений о том, что правильно»

Приведу пример. В середине 1970-х бурное развитие получила наука про так называемые спиновые стекла, это сплавы типа марганца в меди или железа в золоте. Сплавы эти странные и непонятные, потому что там происходит какое-то магнитное упорядочение, но его нельзя описать простым образом, как ферромагнитное или антиферромагнитное. В этом направлении работал знаменитый физик-теоретик из США Филип Андерсен, ряд других известных ученых, и в результате развилась теория спиновых стекол. Разрабатывало ее довольно много людей очень высокой квалификации примерно в течение 10 лет. А потом все это схлопнулось: в 1986-м открыли высокотемпературную сверхпроводимость. И это произвело такой шок, что толпы ученых бросились в эту сторону.

Вообще, в том, что возникают такие смены векторов в исследованиях, нет ничего плохого. Но когда из стороны в сторону бросается толпа, она в значительной степени теряет разум, и общий уровень вранья повышается, что плохо. Поясню: из-за моды на сверхпроводимость спиновые стекла потеряли значительное количество исследователей. Хотя за то время, пока ими занимались, было понято много важных вещей, которые нашли применение, например, в задачах компьютерной алгоритмизации. Беда, когда массы людей при выборе деятельности руководствуются тем, что модно сейчас.

— Я пришел на кафедру проблем теоретической физики МФТИ в Институте Ландау в 1975 году. Какой именно теоретической физикой я хотел тогда заниматься, уже не помню. У нас в институте сами студенты выбирают научного руководителя, нет распределения сверху, все основано на личном выборе и личной ответственности. Мне тогда показалось правильным обратиться к Валерию Леонидовичу Покровскому, который дал согласие. Этим и определилось, какой физикой я стал заниматься. И я ни секунды не пожалел о том выборе.

— Я не слежу за модой. На российском рынке это не имеет никакого смысла. Но я знаю, какие серьезные нерешенные проблемы существуют в той области науки, которой занимаемся мы. Чтобы это объяснить, немного истории.

Примерно 90 лет назад великие люди, такие как Нильс Бор, Шрёдингер, Гейзенберг и другие, создали квантовую механику. Буквально в течение нескольких лет наука разобралась с основными свойствами атома. Для этого было достаточно научиться решать уравнения, которые Шрёдингер написал для электронов в поле ядра. И еще какие-то чуть более сложные вариации этой задачи. Еще лет через 20–30 люди стали интересоваться: а как с точки зрения квантовых представлений можно описать поведение большого количества частиц, например, электронов в металле или в полупроводнике. Или, скажем, в сверхпроводнике, который тогда вообще представлялся чем-то загадочным. Сверхпроводники — это материалы, сопротивление которых понижается до нуля при достижении определенной минусовой температуры. При этом материал переходит в сверхпроводящее состояние, приобретая определенные интересные свойства: например, может «левитировать», удерживаемый магнитным полем.

Так вот, лобовой способ, написание уравнения Шрёдингера для всех электронов в металле, оказался абсолютно тупиковым. Даже записать его было невозможно, не говоря уже о том, чтобы решить. Дело в том, что там очень много частиц, которые взаимодействуют между собой, примерно как граждане, которые двигаются в толпе на переходе московского метро. И как описать это движение с помощью уравнения? Постепенно возникло представление о том, что можно находить не координаты отдельных электронов, а некоторые другие переменные, которые с ними довольно хитро связаны. Все это то в итоге было сформулировано под названием «концепция квазичастиц».

«Занятия наукой заключаются в том, чтобы искать научную истину. При этом все механизмы контроля и оценки деятельности ученых настроены совершенно не на это»

— Квазичастицы — это нечто большее, чем просто электрон, это электрон плюс какое-то его окружение. Ценность концепции в том, что разные квазичастицы между собой взаимодействуют слабо, и поэтому можно описать их свойства подобно свойствам отдельных частиц, и, значит, исходя из этого можно многое вычислить. На этом была основана теория конденсированного состояния (от латинского condense — сгущать, один из наиболее обширных разделов физики, изучающий качественные и количественные аспекты поведения сложных объектов, в том числе основа для нанотехнологий.— «О»). Она была сформулирована в 1950-х, и почти сразу стало понятно, что идея квазичастиц применима во многих случаях, но не всегда. Есть такие экспериментально наблюдаемые случаи, когда она явно не работает. А чем заменить эту общую старую концепцию, неизвестно. Как нам суметь описать такую систему, в которой квазичастиц нет? Что там происходит? На эту тему опубликованы тысячи статей, но они все не очень надежными способами описывают какой-нибудь маленький кусочек проблемы, а вот общего подхода не найдено. И это сегодня одно из центральных направлений в теории конденсированного состояния.

Из чего построить кубит?

— Есть важная технологичная, но одновременно и фундаментальная проблема современной физики: из чего сделать квантовые биты (или иначе — кубиты). Кубиты — логические элементы квантовых компьютеров, квантовые аналоги битов. В отличие от битов они могут находиться в суперпозиции состояний «нуля» и «единицы», принимая при измерении одно из значений с некоторой вероятностью. И поэтому на них можно решать задачи, связанные с нелинейными процессами, недоступные классическим компьютерам.

Проблема в том, что для создания кубитов нужна такая особенная система из большого количества элементов, в которой, с одной стороны, мы можем управлять параметрами этих элементов с большой точностью, а с другой стороны — они должны быть защищены от любых посторонних воздействий и шумов. Эти два требования очевидно противоречат друг другу. Вы можете себе представить какую-нибудь абсолютно изолированную от внешнего мира систему, на которую не действуют шумы, но чтобы ею можно было управлять? Эта проблема была в явной форме сформулирована больше 20 лет тому назад, и сегодня есть много очевидных экспериментальных успехов.

— Наибольшие достижения связаны с использованием в этом качестве сверхпроводников. Самые серьезные успехи в этой области принадлежат группе Джона Мартинеса в Google: им удалось сделать хорошо управляемую, защищенную от шумов систему из 70 квантовых битов и они, кажется, близки к тому, чтобы экспериментально решить на этой системе задачи, которые нельзя решить классическими средствами. Последний год в этой области идет самая настоящая гонка.

— Тут все интересно. Не так давно, когда команда Google почти решила нетривиальную задачу на своей системе сверхпроводящих кубитов, группа очень сильных математиков, работающих на китайскую компанию Alibaba, доказала, что эту задачу можно-таки решить классически. Теперь все ждут следующего раунда, когда Google изобретет что-то новое. Это действительно борьба титанов, за которой наблюдать очень интересно.

— Деятельность в области сверхпроводящих квантовых битов в России существует, в последние годы она концентрируется в коллаборации нескольких лабораторий, принадлежащих разным учреждениям. Туда входит лаборатория Олега Астафьева в МФТИ, будет также построена его лаборатория в Сколтехе, лаборатория Алексея Устинова в МИСиС и лаборатория Валерия Рязанова в Институте физики твердого тела в Черноголовке, именно он руководит всем конгломератом. Это довольно удивительный по российским понятиям проект, который вполне успешно развивается. Но они, разумеется, в положении догоняющих, до Google им бесконечно далеко.

— Да, сильно позже, к тому же все началось именно в США. Тем не менее сегодня делать систему из нескольких сверхпроводящих кубитов с вполне приличными характеристиками они научились. Дальше будет видно, потому что никто точно не знает, приведет ли конкретное направление, которое развивает Мартинес в Google, к настоящему успеху. Может оказаться, что нужно будет пойти несколько в другую сторону. Например, есть заманчивая теоретическая идея, сформулированная физиком Алексеем Китаевым, который когда-то работал у нас в институте, а в последние годы перебрался в США в Калтех. Он придумал, как можно было бы строить такие квантовые биты, очень хорошо защищенные от шума, используя некоторые физические принципы. Это очень красивая идея, и я не исключаю, что в конечном счете сыграет она. Пока сегодня сделано мало экспериментов в этом направлении. В любом случае все то, что делали до сих пор, даром не пропадет и будет использовано, даже если генеральное направление сменится.

— Я думаю, будет, только вовсе не скоро.

Ведь с научной точки зрения создание квантового компьютера неизмеримо сложнее знаменитого атомного проекта. Сложнее — именно с точки зрения борьбы с законами природы.

Все посылы о том, что компьютер появится в ближайшее время, не более чем издержки социальной реальности. Видимо, это внушают широким слоям населения, чтобы получать постоянное финансирование. Но на самом деле проекты по созданию настоящего универсального квантового компьютера в США имеют глубину планирования лет 25 от сегодняшнего дня. Это у нас в стране на такой период времени всерьез ничего не планируют (хотя всякие такие «бумаги» нередко и пишут, но явно не придавая им значения).

Другое дело, что, вероятно, можно построить более простые квантовые машины, не являющиеся универсальными, но тем не менее вполне полезные. Что-то такое промежуточное удастся построить лет через пять.

— А кто отвечает за человечество? Кто нам скажет, какая перед ним стоит задача? Вот зачем нужно было человеку лететь на Луну? Кто его знает. Но кому-то это было интересно. Так устроено человечество, оно все время пытается забраться куда-то выше того, где находится сейчас.

Сверхтекучесть в тренде

«Наука в последние десятилетия развивается быстрее, чем общество может это переварить»

— Просто это очень красивое явление. Сверхтекучесть исходно была обнаружена конкретно у жидкого гелия-4, состоящего из двух протонов и двух нейтронов. Петр Капица обнаружил, что, если жидкий гелий сильно охладить, он начинает вести себя странно: эта жидкость не имеет никакой вязкости и поэтому, например, сама собой может течь вверх по стенке сосуда. Согласитесь, странное зрелище. Первую теорию построил Лев Ландау. В дальнейшие десятилетия сверхтекучесть, как в теоретическом, так и в экспериментальном представлении стала одной из основ развития физики конденсированного состояния. Сама по себе сверхтекучесть гелия стала очень хорошей областью для исследований — из нее возникла масса очень важных идей в физике, которые затем применялись уже в других системах, получили практическое применение.

— Да, сверхпроводимость была открыта еще в 1911-м Камерлингом-Оннесом, но первая теория сверхпроводимости была создана Гинзбургом и Ландау лишь в 1950-м. Уже тогда было ясно, что это явление будет иметь огромное значение.

После того как обе теории были созданы, стало понятно, что это похожие явления. До этого, естественно, никому и в голову это не приходило, какая связь между отсутствием электрического сопротивления ртути и странным поведением жидкого гелия. Потом выяснилось: эти абсолютно разные феномены описываются похожими уравнениями. Чтобы понять это, понадобилась работа ряда довольно крупных физиков. Было бы, к слову, интересно посмотреть, как эти самые физики пришли к подобным результатам, если бы им приходилось следовать той системе планирования и отчетности, которую требуют с нас сегодня…

— В будущем может быть и да, но это явление уже нашло многие применения. Например, в создании электромагнитов для ускорителей заряженных частиц (в том числе и на Большом адронном коллайдере) или в ядерно-резонансной томографии.

Острова науки

— Корпус экспертов — это постоянно пополняемые списки экспертов по естественно-научным дисциплинам, отобранные на основе рекомендаций ученых. Сегодня это работающий механизм, который позволяет разобраться, кто чего стоит в науке. Когда мы его задумывали, ни у кого объективно не было сведений о том, как устроена научная среда в России. Попытки же ориентироваться на исчисление индекса цитируемости или на административный вес академиков одинаково неконструктивны. Значит, нужно было изобрести инструмент, который позволил бы действовать более разумно. Он создан, но нельзя сказать, чтобы кто-то его реально использовал.

— Был заказ со стороны образовательного департамента «Роснано», они хотели изучить, как в стране обстоит дело с образованием в области нанотехнологий. Мы провели довольно масштабную работу, но мне не показалось, что заказчики были довольны, так как результат не был комплиментарен в отношении деятельности самой корпорации. Но мы изначально хотели выяснить, как обстоит все на самом деле. Был еще ряд других заказчиков, например Российская венчурная компания. Но, конечно, их было относительно немного, и все они перечислены на сайте проекта.

— Во-первых, в целом в России физиков всегда было больше. Во-вторых, в разных областях науки ученые в разной степени заинтересованы в существовании такого рода механизма. Дело в том, что формирование списка зависело от людей, которые работают в той или иной области,— вначале мы рассылали письма ученым, которые фигурировали в списках с самым высоким индексом цитирования, и спрашивали, кого бы вы могли порекомендовать в качестве эксперта. В итоге больше всего отозвались специалисты по физике конденсированного состояния — ответили 40 процентов опрошенных, а в области физики высоких энергий — примерно 30 процентов. Видимо, сказывюется какие-то разные представления о жизни в этих сообществах. Физика высоких энергий всегда существовала вокруг крупных учреждений, крупных ускорителей, реакторов, поэтому социально она устроена как более монархическая система. В то время как физикой конденсированного состояния занимаются относительно небольшие группы людей, и такая инициатива снизу воспринималась как более естественная.

— Естественно, она в большой мере сконцентрирована в Москве и Московской области, хотя для разных наук распределение разное. Бросается в глаза ряд аномалий, например, в области химии. Колоссальная доля работников химических наук сконцентрирована в гигантских московских академических институтах. Но если посмотреть, откуда происходит какая-то заметная научная продукция, то окажется, что это Урал и Сибирь. Думаю, такие сведения должны стать предметом серьезного разбирательства. В Москве много влиятельных химических академиков, а вот что касается конкретного продукта деятельности возглавляемых ими учреждений, есть вопросы.

— Предсказания, которые я тогда сделал, оправдались частично. Интенсивность разной имитационной деятельности вокруг науки возросла очень сильно, при этом какие-то очаги реальной науки еще живы. Сегодня идет тяжелая позиционная борьба, и к чему она приведет еще через 10 лет, сказать затрудняюсь. Поскольку, как я уже отмечал ранее, реального запроса на научные знания у общества нет, наука по существу остается частным делом людей, которые заняты добычей нового знания. С другой стороны, говорят, что в свое время христианство в Европе сохранилось преимущественно благодаря ирландским монахам. Когда с VI по IX век в континентальной Европе творилось бог знает что, знатоки этого предмета сбежали на удаленный остров и там окопались. А затем, когда успокоилось, вернулись и распространили свое знание на континенте. Сейчас есть люди, которые хотят заниматься наукой и умеют это делать, несмотря ни на что. Но удастся ли им расширить свой круг в будущем — предсказывать не берусь.

Беседовала Елена Кудрявцева

Александр Белавин: «А что если у пространства десять измерений?»

Александр Белавин: «А что если у пространства десять измерений?»

Единственный предмет в рабочем кабинете Александра Белавина, по которому можно угадать его научную специальность, — портрет Льва Ландау

Углубившийся в бытие / Визитная карточка

Он родился 28 августа 1942 года в Горьком. В 1970-м окончил аспирантуру МИФИ, защитив диссертацию на тему «Некоторые вопросы теории слабых взаимодействий элементарных частиц». С 1976 года работает в Институте теоретической физики им. Ландау, где с 2004-го заведует сектором квантовой теории поля. При этом в конце 80-х годов Александр Белавин входил в близкий круг отца Александра Меня, помогал с изданием его работ.

Сегодня Александр Абрамович — профессор МФТИ и Независимого московского университета. Он специалист в области квантовой теории поля и теории релятивистских квантовых струн. Его работы в этом направлении являются классическими. Открыл инстантоны (особый вид колебаний вакуума) в калибровочной и киральной квантовой теории поля, приведшие к объяснению проблемы массивности мезона (составные элементарные частицы) и решению проблемы конфайнмента цвета в теории Зайберга — Виттена. Создал двумерную конформную теорию поля, послужившую основой теории струн. Исследовал аналитические свойства амплитуд рассеяния в теории струн, открыл свойства голоморфности (теорема Белавина — Книжника).

Лауреат многих престижных премий, в том числе премии им. Померанчука по теоретической физике и Lars Onsager Prize — ежегодной премии Американского физического общества.

Из чего создана материя, есть ли шанс доказать теорию струн и можно ли создать сверхмощную кварковую бомбу? «Огонек» поговорил с одним из ведущих физиков-теоретиков, главным научным сотрудником Института теоретической физики им. Л.Д. Ландау Александром Белавиным.

В подмосковной Черноголовке в сосновом бору стоит неприметное с дороги здание. Когда-то это была крохотная пристройка к столовой советского монстра — Института химической физики АН СССР. Ныне же здесь квартирует Институт теоретической физики. В 1964 году здесь стал собираться весь цвет советской теоретической физики: Исаак Халатников и Алексей Абрикосов, позже ставший лауреатом Нобелевской премии, Лев Горьков и Игорь Дзялошинский, к ним присоединились выдающиеся математики Сергей Новиков (интервью с ним см. в «Огоньке» № 50 за 2016 г.) и Яков Синай.

Вплоть до 1990-х годов институт, заложивший основы современной науки, считался лучшим центром теоретической физики в СССР и, по версии журнала The Scientist, одним из самых известных в мире. Процесс был устроен своеобразно: под сосны, прямо на улицу, вытаскивали столы и доски — знаменитые семинары шли с 11 утра до позднего вечера. Это, говорят, чрезвычайно удивляло иностранных коллег, которые привыкли заниматься наукой по часам — от сих до сих. Не случайно именно Институт теоретической физики считался воплощением того самого НИИЧАВО, который описали в своем романе братья Стругацкие. А мой собеседник, к слову, у многих своих коллег ассоциировался с академиком Ойра-Ойра — завлабом в отделе недоступных проблем. Впрочем, внешне об этом сегодня ничто не напоминает: с Александром Белавиным мы говорим в его рабочем кабинете, где помимо стола и шкафов есть только портрет Льва Ландау — все, что нужно физику-теоретику для работы и вдохновения.

— В философии главное — желание дойти до сути, понять законы мира; физика элементарных частиц занимается тем же самым. Для меня это изначально очень близкие вещи. Я учился в школе в 1950-е, у меня очень хорошо шли дела с физикой и математикой, но одновременно серьезным увлечением была философия. Отец возглавлял конструкторский отдел на горьковском Заводе имени Орджоникидзе, но очень хорошо знал историю и часто говорил со мной на исторические темы — это подхлестнуло интерес к гуманитарным вопросам. В то время я, думаю, единственный из своих сверстников, добровольно читал Маркса, Энгельса и Ленина. Из их трудов узнал о Гегеле и Фейербахе, а потом, когда в 1961-м стал студентом, узнал о русской религиозной философии, читал о. Сергия Булгакова, Павла Флоренского, Владимира Соловьева, Николая Бердяева, труды князя Евгения Трубецкого и так далее.

— Это было самое начало 1960-х. Книг этих, конечно, в свободной продаже не было, но за них уже не сажали. Литературу находили на черном рынке в Москве. Помню, в Столешниковом переулке, где толпились «чернокнижники», можно было не только купить, но и обменять книги. Я тогда жил в Горьком (ныне Нижний Новгород. — «О»), там у многих сохранились дореволюционные библиотеки священников, к ним относились как к ненужному хламу. Потомки продавали книги букинистам, и через какое-то время эти уникальные издания всплывали на книжных развалах. Мой брат, который стал писателем, в то время как раз также собирал такие книги. Так что у меня была хорошая база.

— Я хотел, но, к счастью, в то время Никита Хрущев издал особый указ «Об укреплении связи школы с жизнью…», согласно которому, чтобы поступать на гуманитарный факультет, сначала нужно было поработать на производстве минимум два года. Чтобы не терять времени, я поступил на радиофак Горьковского госуниверситета, а затем перевелся в Москву в МИФИ. Но увлечение философией никогда не прекращалось, а затем перешло в русло христианского просвещения, чему способствовало мое знакомство с отцом Александром Менем, который меня крестил в 1971 году в домике при Сретенском храме в Новой Деревне. Встреча с этим человеком была очень важной в моей жизни.

— Нас познакомил поэт Николай Шатров, у которого в то лето я жил в Пушкино на даче. А с Шатровым меня познакомил мой друг Владимир Лихачев, мы с ним вместе учились. Затем он преподавал в МИФИ. Он привел к отцу Александру многих студентов. Александр Мень сам был живым продолжателем русского религиозного возрождения. Он показывал, что центром христианства является не что-то побочное, не обряды, не церковная музыка или, скажем, архитектура, а сама личность Иисуса Христа. Он об этом не только писал и говорил, но и свидетельствовал всей своей жизнью (и смертью тоже).

В последний год жизни отец Александр приезжал сюда в Черноголовку и с осени 1989-го до весны 1990-го читал в Доме ученых цикл лекций по русской религиозной философии, причем включал в него и Достоевского, и Толстого. Люди собирались тысячами, чтобы его послушать.

— В какой-то степени… Поскольку отец Александр поддерживал большой круг общения помимо храма, он создавал группы, где можно было общаться и рассуждать о христианстве, но по соображениям конспирации они между собой не особо пересекались. В одну такую группу, где были и ребята, учившиеся, входил и я.

— Это очень интересное свидетельство академика, который сам был не просто из семьи священников, но и сыном профессора богословия Университета св. Владимира в Киеве, что ему, наверное, приходилось всю жизнь не очень афишировать… Для меня большую роль играет осознание того, что мир устроен красиво. Это вызывает чувство удивления и благоговения, которое является чувством религиозным.

Древним иудеям и грекам было легче, чем нам, в этом убедиться и эти чувства испытать, потому что над ними расстилалось небо со звездами, которое не заслонял свет городских фонарей.

Современному человеку, живущему в городе, труднее увидеть красоту мира. А вот ученый, который занимается изучением того, как этот мир устроен, сталкивается с этой удивительной красотой.

Поэтому как раз физику и математику легче ее увидеть. Не знаю, прав ли Боголюбов, что все люди, которые занимаются физикой, ясно осознают и испытывают удивительность и красоту устроенности и самого существования Мира. Но во всяком случае противоречия в факте религиозности человека, занимающегося наукой, никакого нет.

Наука как красота

— Я всю жизнь занимаюсь той частью теоретической физики, которая называется квантовая релятивистская теория поля. Она занимается структурой микромира, мира элементарных частиц. В 1970-е годы возникла известная сегодня Стандартная модель — теория, которая описывает наш мир. Она говорит, что все вокруг устроено из фундаментальных частиц: кварков, лептонов и так далее, которые между собой связаны посредством трех фундаментальных взаимодействий — сильного, слабого и электромагнитного. Есть еще гравитационное, которое в Стандартную модель не укладывается.

Это очень разные связи, но оказывается, что с точки зрения математики они все построены по одному принципу — «калибровочной инвариантности». Когда ученые начинают это описывать в виде формул и уравнений, мы видим, что это одна и так же математическая структура, и это совершенно потрясающе! Можно предположить, что наш мир можно описать каким-то единым законом, единой теорией. Теорией, которая будет описывать все взаимодействия фундаментальных частиц, включая гравитационное.

Собственно, этим и заняты современные физики-теоретики: они хотят все устройство мироздания вывести из небольшого количества принципов, построить простую непротиворечивую теорию. Вот уже много десятилетий активно идет поиск некоей общей теории, которая объединит все известные понятия и представления о существующем мире.

— Да, например, в свое время античные философы открыли, что в природе существует всего пять типов многогранников, и решили, что они объяснили структуру мира. Их еще называют телами Платона, так как они занимали важное место в философской концепции Платона об устройстве мироздания. Четыре многогранника олицетворяли в ней четыре сущности или стихии. Тетраэдр символизировал огонь, так как его вершина устремлена вверх. Икосаэдр, как самый «обтекаемый», — воду. Куб, как самый «устойчивый», — землю. А октаэдр —- воздух, как самый «воздушный». Додекаэдр — пятый многогранник — символизировал все мироздание, Космос и считался главным.

— Да, он в сферу орбиты Сатурна вписал куб, в куб — сферу Юпитера, в сферу Юпитера — тетраэдр и так далее. Тайна мироздания казалась открытой. Правда, позже Кеплер узнал, что расстояния между планетами не связаны ни с какими многогранниками, и построил новую теорию, к которой его также привели поиски красоты, лежащие в основе мироздания. Он открыл три закона природы, называемые законами Кеплера. Это открытие сделали возможным последующее развитие физики Ньютоном.

Кварковая лихорадка

— Чтобы дать ответ, требуется отступление. В середине ХХ века предполагали, что мир состоит всего из небольшого числа элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов, нейтрино и нескольких других.

В 1950–1960-е годы, когда были построены первые ускорители, новые частицы стали открывать, как на конвейере. Сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны вовсе не элементарные (неделимые) частицы, а, в свою очередь, состоят из кварков. То есть все, что вокруг — неживая и живая природа, включая самого человека, — на базовом уровне состоит из кварков. Точнее, из кварков и лептонов. Лептонами являются электрон и нейтрино. Кварки неделимы, и именно их, вместе с лептонами, можно назвать истинными кирпичиками мироздания. Кварк — это элементарная частица с очень необычными свойствами.

— Я помню время, когда возникла идея кварков. В годы моего обучения в МИФИ и в ИТЭФ о ней на лекциях по физике элементарных частиц нам рассказывали замечательные ученые — Исаак Померанчук (один из крупнейших физиков ХХ века, внес большой вклад в создание советских ядерных реакторов. — «О») и Лев Окунь (физик-теоретик, первый советский ученый, избранный в Комитет научной политики ЦЕРНа. — «О»). Тогда как раз широко обсуждали гипотезу физиков Марри Гел-Манна (нобелевский лауреат, основатель кварковой теории. — «О») и Джорджа Цвейга о том, что протон и нейтрон на самом деле состоят из кварков. Пришли к выводу, что кварки достаточно тяжелые, поэтому мы пока не можем их наблюдать на ускорителях: им не хватает для этого энергии. Можно ли наблюдать кварки в природе? Вот вопрос, который взбудоражил физиков.

В ту пору была опубликована работа Якова Зельдовича (один из авторов атомной и водородной бомб. — «О»), Льва Окуня и Соломона Пикельнера. Из нее следовало, что поскольку Вселенная 14 миллиардов лет назад при рождении после Большого взрыва представляла собой ускоритель, который мог разбить протоны на кварки, даже если они очень тяжелые, то одиночные кварки должны существовать по сей день и их можно найти в окружающей среде. Отличить кварки от обычных частиц можно по их дробным зарядам. Начались активные поиски кварков.

— Да, это даже называли кварковой лихорадкой. Огромное количество научных групп по всему миру, не только физиков, но даже химиков и биологов, бросилось искать кварки. Исследовали метеориты, минералы, «перетряхнули» тонны морской воды, лунный грунт…

— Но ничего не было обнаружено. Ни одного кварка.

— Тем самым был установлен факт, который называется «конфайнмент кварков», в переводе — феномен невылетания (пленения) кварков, заключенных в другие частицы. Оказалось, что между кварками при попытке их разделить возникают чудовищные силы, поэтому их нельзя разорвать. Когда мы пытаемся их растащить, они начинают притягиваться друг к другу все больше. Чтобы развести кварки, нам нужно вложить в систему столько энергии, что ее хватит на появление новых кварков, которые мгновенно опять соберутся в обычные частицы.

Сегодня мы прекрасно видим кварки в эксперименте, примерно как врач видит ребра человека на рентгене, только вот вытащить их никак не можем.

До сих пор, кстати, нет строгой математической теории, которая описала бы конфайнмент кварков. Точнее, такая теория есть, это упомянутая выше Стандартная модель, основанная на калибровочной квантовой теории поля. Но попытка вывести из нее конфайнмент кварков встречает пока большие математические трудности. (Создание теории конфайнмента кварков является одной из «Задач тысячелетия», сформулированных Институтом Клэя. Институт определил всего семь «важных классических задач, решение которых не найдено вот уже в течение многих лет». За решение каждой предложена награда в миллион долларов. — «О».)

— Я не слышал о такой идее. Но в любом случае она неосуществима из-за конфайнмента.

Звенящий мир

— Другая загадка современной физики элементарных частиц связана с поколениями частиц. В школе нас учат, что атомы устроены из ядра и вращающихся вокруг электронов. Ядро, в свою очередь, состоит из протонов и нейтронов. Но сегодня мы знаем, что протоны и нейтроны состоят из кварков одного из двух сортов. Кварк одного сорта называется «верхним», другого — «нижним». Верхний кварк имеет заряд 2/3, а нижний заряд — 1/3. Эти два кварка называются кварками первого поколения. Кроме того, на эксперименте обнаружены еще два поколения кварков, по два кварка с зарядом 2/3 и1/3 в каждом из поколений.

В итоге все известные нам кварки (и аналогичным образом лептоны) разделяются на три поколения, которые сходны во всем, кроме массы. Почему так устроен мир, мы до сих пор не знаем. Так, у верхнего, очарованного и истинного (эти термины определяют поколения элементарных частиц. — «О») кварков одинаковый электрический заряд, а также одинаковые слабое и сильное взаимодействия, но они отличаются массами.

При этом массы отличаются значительно. Скажем, истинный кварк почти в 100 тысяч раз тяжелее верхнего кварка. Такие отличия явно что-то означают, но ученые пока не могут понять, что именно.

— Это один из сложнейших вопросов, на него пока нет ответа. Есть версия, что каждое следующее поколение кварков и лептонов более тяжелое, их труднее наблюдать экспериментально: чтобы их увидеть, нам нужен более мощный коллайдер и ускоритель. Но это вряд ли.

— Причем начать надо с вопроса, зачем физикам вообще понадобилась еще одна теория. Ведь есть Стандартная модель, которая прекрасно описывает все элементарные частицы и взаимодействия, которые существуют.

— Да, гравитация в Стандартную модель не вписывается. Поэтому ученые еще в 1970-е решили в очередной раз построить единую теорию всего. Но почти сразу начались проблемы. Дело в том, что один из постулатов обычной квантовой теории поля говорит, что элементарным объектом является точечная, то есть нольмерная частица. Исходя из этого объединить гравитацию и Стандартную модель невозможно. Но все становится на свои места, если представить, что элементарным объектом является одномерный объект — струна без толщины.

— Да, важно, что это — одномерный объект. Струна может быть открытой, с двумя концами или замкнутой. Поскольку струна — квантовый объект, она двигается и вибрирует, и разные состояния струны можно воспринимать как разные частицы.

— По сути, да. Одна струна описывает бесконечное число частиц, другими словами — это система с бесконечным числом фундаментальных частиц, которые все компактно заключены в одной струне. Струна сама превращается в частицу, вибрирует с одной частотой — кварк, с другой — глюон, с третьей — фотон. Правда, нужно понимать, что в масштабах элементарных частиц никаких звуковых колебаний нет.

Александр Белавин (слева) во время лекции

— Теория струн необыкновенно красива с физической точки зрения, она является самосогласованной и автоматически, как бы в качестве бонуса, дает нам гравитацию. То есть из нее легко вывести гравитон, частицу, которая является квантом гравитационного поля, точно так же как фотон — квант электромагнитного поля. Гравитон является одним из низших безмассовых состояний этой самой струны.

— Да, я думаю, что это так.

— Единственный недостаток теории струн в том, что если в основе мироздания лежит струна, то для построения непротиворечивого варианта нужно предположить, что наше пространство имеет не четыре измерения, как мы привыкли, а десять. Это совершенно новый взгляд на нашу Вселенную. Дело в том, что на протяжении столетий еще со времени Ньютона и Галилея считалось, что время существует само по себе и не зависит от скорости. В 1905 году Эйнштейн показал, что время и пространство не раздельные сущности, а взаимосвязанные измерения единого пространства-времени, которое называется пространством Минковского, по имени немецкого математика Германа Минковского, первым предположившего замечательную геометрическую формулировку специальной теории относительности Эйнштейна. Эти представления помогли Эйнштейну в построении общей теории относительности. Так вот, согласно современной теории струн мы живем в более сложном мире.

— Дополнительные измерения свернуты в неуловимо малые формы пространства-времени — их называют пространствами Калаби — Яу. Предполагают, что свернутые измерения имеют маленькие размеры, возможно, порядка планковской длины 10–33 см. Поэтому их достичь очень сложно.

Согласно теории струн многомерная геометрия должна присутствовать в каждой точке пространства: на кончике ладони, на Северном полюсе, глубоко под Землей — везде должно находиться шестимерное многообразие Калаби — Яу невидимого крохотного размера.

— Если предположить, что какие-то из этих шести измерений являются некомпактными, скажем, одно из них, то мир, в котором мы находимся, был бы не четырехмерным пространством-временем Минковского, а пятимерным. Это совсем не то, что мы наблюдаем, и не то, чего мы хотим.

Не имеет доказательств

— Следствием теории струн является утверждение о суперсимметрии пространства-времени. Эта суперсимметрия должна проявляться в том, что каждой частице должна соответствовать другая частица, суперпартнер первой. Причем их массы и ряд других свойств должны совпадать.

— Да, поиски различных проявлений суперсимметрии в природе были одной из главных задач многочисленных экспериментов на коллайдерах и в неускорительных экспериментах. И эксперименты этого предсказания пока не подтверждают.

Но на самом деле в физике элементарных частиц за последние десятилетия мы поняли, что симметрии могут быть спонтанно нарушенными на малых энергиях. И если у нас будет более мощный коллайдер, то, возможно, на больших энергиях мы увидим ожидаемые частицы-суперпартнеры. Но это не убеждает противников теории струн, и они предлагают от нее отказаться. С другой стороны, у нее есть много приверженцев, ученых, которые продолжают развивать разные ее аспекты.

— Это было бы очень интересно и важно сделать. Теория струн действительно до сих пор не проверена экспериментально. Но других теорий, которые бы ответили на главные фундаментальные физические вопросы, сегодня нет. Теория струн до сих пор единственная и к тому же необыкновенно красивая и самосогласованная гипотеза. Кстати, она, в числе прочего, способна объяснить наличие трех поколений частиц, о которых мы говорили.

Вообще, теория струн очень многогранна, и ею занимается большое количество людей, она уже дала необыкновенно много для развития разных областей науки, как физики, так и математики. Например, наша довольно известная работа с Замолодчиковым и Поляковым возникла в связи с теорией струн, но оказалась важной для физики фазовых переходов в двумерных системах, которыми занимаются специалисты по физике конденсированного состояния, а также для некоторых областей современной математики. Но, конечно, главная задача теории струн — это построение единой фундаментальной теории микромира…

Беседовала Елена Кудрявцева

Валерий Рязанов: «Мы на пороге второй квантовой революции»

Валерий Рязанов: «Мы на пороге второй квантовой революции»

Руководитель проекта Фонда перспективных исследований по разработке квантового компьютера Валерий Рязанов

На прошлой неделе отечественная наука тихо отпраздновала громкое событие: в России впервые заработал прототип квантового компьютера. Руководитель проекта физик Валерий Рязанов объяснил «Огоньку», как ловят атомы для квантовых вычислений, рассказал, из-за чего общество изменило отношение к науке, и предсказал смерть обычной электроники, заодно пообещав бесшумные самолеты и левитирующие поезда.

Чем известен Валерий Рязанов / Визитная карточка

Валерий Рязанов окончил физический факультет Казанского университета. Практически всю жизнь занимается квантовыми эффектами, нанотехнологиями, наноэлектроникой и сверхпроводящими кубитами. Еще ходит под парусом через океаны, катается на горных лыжах и любит горные походы. В настоящее время — руководитель проекта Фонда перспективных исследований по разработке квантового компьютера, заведует лабораторией сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН, работает главным научным сотрудником лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС», является профессором факультета общей и прикладной физики МФТИ.

Один из первых российских квантовых компьютеров (он только что выполнил первый квантовый алгоритм — алгоритм Гровера) находится в здании Московского института стали и сплавов. Спустившись по запутанным коридорам в подвал, вы слышите умиротворяющее стрекотание — так работает охлаждающая система на базе гелия, погружающая квантовый компьютер в температуру лишь на несколько долей градуса выше абсолютного нуля. Большую часть помещений здесь занимает гигантский холодильник и система экранирования: кубиты — основа квантового компьютера — очень хрупкие и разрушаются от любого воздействия: от тепла, шума, пыли… Что касается самих, в целом привычных микросхем, то они расположены на блестящем чипе. Но главное, конечно, глазу не видно. Кубиты можно рассмотреть только в электронный микроскоп: их основные элементы имеют ширину всего 200 нанометров (1 нм равен одной миллиардной части метра), так что в диаметре одного человеческого волоса может поместиться около 500 таких элементов.

— Тут можно говорить про разные уровни обиды. В первую очередь, в обществе в целом изменилось отношение к науке. Конечно, во многом этому способствует самый доступный медиапродукт — телевидение, которое сегодня посвящает целые каналы лженауке. Но и сама наука иногда себя дискредитирует, когда появляются передачи, где ученые рассказывают, скажем, про исцеляющую силу углерода. В итоге эта вседозволенность царит на всех уровнях научного сообщества. Например, раньше всем было известно, кто хороший ученый, а кто плохой, кому можно доверять, а кому нет. Да и правительство, еще со времен атомного проекта, ориентировалось именно на оценку самого научного сообщества.

Сегодня же в науке работают совсем другие каналы поступления информации и методы принятия решений. И иногда руководителями важных профильных институтов становятся не реальные эксперты, а те, кто завел нужные знакомства с чиновниками.

Затем они приходят к нам в лабораторию и предлагают проекты, в которых собираются черпать энергию из ничего с прямым нарушением всех физических законов. Когда разговариваешь с такими людьми, понимаешь, что они, мягко говоря, некомпетентны…

— А как бы вы назвали этот этап в развитии науки по существу? Эпоха ядерной физики прошла. И какая настала?

— Нынешнее состояние физики называется эпохой второй квантовой революции. Первая произошла, когда открыли квантовую механику, добрались до атома и поняли, как взаимодействуют атомные силы. Это привело к появлению лазеров, транзисторов, ядерного оружия, а впоследствии — мобильной связи и интернета, светодиодных ламп и МРТ. А вот с конца XX века мир находится на пороге второй квантовой революции. И если во время первой основой технологий и приборов было управление коллективными квантовыми явлениями, то сейчас речь идет о способности управлять сложными квантовыми системами на уровне отдельных частиц, например атомов и фотонов. Тот же самый сверхпроводниковый кубит — основа современных квантовых компьютеров — это, по сути, рукотворный атом. Его особенность в том, что он может принимать не только состояния «0» или «1», как в обычном компьютере, но и множество «промежуточных», являющихся суперпозицией состояний «0» и «1». За счет этого вычисления в квантовом компьютере происходят в миллиарды раз быстрее, чем в обычном.

— Как же вы управляете отдельным атомом?

— Чтобы управлять, его нужно сначала поймать или изготовить искусственно. Ученые ловят атом в буквальном смысле — с помощью особых электромагнитных или оптических ловушек, а затем охлаждают с помощью лазера. На таких атомах или ионах основываются вполне естественные для квантовых вычислений подходы. Но тут возникает принципиальная сложность. Чтобы заработал обычный компьютер, должно взаимодействовать огромное количество элементов. Для работы квантового компьютера тоже нужно организовать взаимодействие, но как сделать так, чтобы начали управляемо взаимодействовать два атома? Мы считаем, что если двигаться по проторенной тропе использования естественных атомов, то квантовый компьютер создать будет трудно. Так что на первый план выходит реализуемый нами подход, связанный с использованием сверхпроводниковых наноструктур из «искусственных атомов». Таким образом, нужно заниматься не традиционными информационными технологиями и физикой, а новой наукой, то есть фундаментальной физикой искусственных квантовых систем. В квантовом компьютере как раз очень много физики.

— В этом году в России появилась дорожная карта развития квантовых технологий. Судя по ней, основным потребителем квантовых вычислений является государство — борьба с преступностью, оборонка, банкинг. В каких областях это еще актуально?

— Нынешний этап развития квантовых технологий тесно связан с программой Цифровой экономики, которую сейчас бурно обсуждают в правительстве. Я состою в нескольких комиссиях по направлениям квантовых технологий. Одно из них — квантовые коммуникации — сейчас решает задачу, как запустить одиночные фотоны через оптоволокно или открытое пространство, чтобы использовать их для телекоммуникаций. Это нужно для создания технологий самой надежной защиты при передаче данных. Защита основана на применении фундаментальных законов квантовой физики, которые невозможно обойти: подслушать такую линию невозможно в принципе, потому что, грубо говоря, при любой попытке это сделать фотон разрушится. Но пока технология с использованием оптоволокна работает лишь на очень небольших расстояниях, а в квантовых коммуникациях через открытое пространство, кстати, дальше всех продвинулись китайцы.

— А как же сам квантовый компьютер, который, как говорят, сможет открыть все существующие шифры?

— Вокруг квантового компьютера много легенд. В данном случае речь идет о квантовом алгоритме, дающем возможность быстро разлагать числа на простые множители. Обычный компьютер не может перебирать огромное количество комбинаций и «захлебывается» в случае, когда в числе более 5–7 множителей. А квантовый, который умеет использовать квантовый алгоритм Шора, в теории и впрямь может расшифровать любой традиционный код. Но в реальности уже существуют новые типы кодов, с которыми, возможно, квантовый компьютер и не справится.

Русский след

— Я окончил физфак Казанского университета в 1975 году, защитив диплом на стыке ядерной физики и физики твердого тела. К последней, как известно, относится актуальное сегодня явление сверхпроводимости. Кто-то мне тогда рассказал о новом Институте физики твердого тела в Подмосковье. Я поехал в Черноголовку разговаривать с тогдашним директором академиком Юрием Осипьяном. В 36 лет он стал замом академика Георгия Курдюмова — одного из организаторов известного ЦНИИ чермета, заложившего основу советской металлургии, а в те годы также являющегося директором-организатором Института физики твердого тела. Кстати, именно Курдюмов в свое время разгадал секрет булатной стали, объяснив природу мартенсита — особой структуры сплавов, появляющейся при закаливании. Сам Осипьян был человеком с потрясающим кругозором, знакомый со всей плеядой блестящих физиков того времени. Так что не случайно именно его попросили стать директором нового института в Черноголовке, которая была сначала не лучшим местом.

— Почему?

— Она создавалась как взрывной полигон при Институте химической физики АН СССР, где активно занимались физикой горения и взрыва. И лишь потом Черноголовка стала большим научным центром Академии наук. В Институте физики твердого тела образовался совершенно замечательный набор ученых, куда я попал случайно. Мне довелось работать под руководством очень интересного человека Вадима Шмидта, сына Василия Шмидта — наркома труда в первом правительстве Ленина, которого расстреляли в 1938 году. То есть мой руководитель был сыном «врага народа».

— Непонятно, как его при этом взяли на работу.

— После школы его как раз никуда не брали, и он попал в Московский энергетический техникум, рассказывал, как голодной зимой студенты рубили топором замерзшую капусту и ели ее. Тем не менее затем он окончил МГУ, стал блестящим экспериментатором в Институте металлургии, откуда его выгнали, устроив позорное судилище: он подписал письмо в защиту кого-то из диссидентов. В итоге этот замечательный ученый три года был безработным, ходил на лекции будущего Нобелевского лауреата академика Виталия Гинзбурга и потом под его началом стал заниматься теорией сверхпроводимости. Вадим Шмидт опубликовал пионерские вещи и открыл новое важное направление в физике сверхпроводников. Именно под его руководством я неожиданно стал заниматься тем, из чего сейчас делают кубиты для квантового компьютера.

— Сверхпроводимость лежит в основе многих квантовых эффектов. Это интересное явление было открыто еще в 1911 году. Оно связано со способностью некоторых материалов пропускать электрический ток без потерь. В обычном металле каждый электрон живет своей жизнью: он летит, ударяется о кристаллическую решетку, умирает и возрождается — эта система обеспечивает сопротивление. Однако в некоторых материалах при низкой температуре все электроны ведут себя как единая квантовомеханическая волна и двигаются без сопротивления — это и называется сверхпроводимостью. Температура, при которой материал переходит в сверхпроводящее состояние, зависит от электронной структуры материала. Надо признать, что ученые до сих пор до конца не могут описать, как именно это происходит, например, в высокотемпературных сверхпроводниках. Поэтому поиск таких проводников осуществляют почти методом «тыка».

— Я прекрасно помню, как мы вместе с Вадимом Васильевичем (Шмидтом.— «О») ходили на семинары разных умных людей, включая сотрудников Виталия Гинзбурга, которые считали, что сверхпроводимость нельзя получить при температуре выше 30 градусов Кельвина (–243 градуса Цельсия.— «О»). Но природа все устроила намного мудрее, и оказалось, что этот барьер все-таки можно переступить. В 1980-х открыли высокотемпературную сверхпроводимость. Правда, температура сверхпроводящего перехода все еще далека от комнатной: самая высокая температура для сверхпроводимости составляет около –70 градусов Цельсия для сульфида водорода при чрезвычайно высоком давлении. При нормальном давлении верхний предел где-то около –140 градусов.

— Не только. Их применяют при строительстве коллайдеров, в энергетике — уже построены первые пробные линии электропередачи из сверхпроводящих кабелей в США, ФРГ и Дании. В Японии вот уже 15 лет испытывают поезда на магнитной подушке, которые могут развивать скорость 580 километров в час. Но пока все это хлопотно и очень дорого. Кроме того, в обществе есть своего рода криофобия, то есть страх перед проблемами, связанными с охлаждением до температур ниже точки сверхпроводящего перехода.

Валерий Рязанов окончил физический факультет Казанского университета

— Для охлаждения квантовых систем гелия-3 нужно не так много. А в других случаях для охлаждения используют менее дорогой гелий-4 и жидкий азот.

— Это вполне реальные проекты, связанные с применением сверхпроводящей керамики, которая, как известно, легче, чем металл. Но тут встает вопрос о том, чтобы перейти от лабораторных образцов к жизни. В авиапромышленности это происходит очень не скоро. У нас в России, к слову, тоже кое-что делается в этом направлении. Например, в МАИ недавно был испытан мощный электрический двигатель с применением сверхпроводящих материалов. В будущем, наверное, такие моторы могут стать альтернативой реактивным, которые наносят вред окружающей среде и являются источниками повышенного шума. Правда, внедрить эти инновации в нашей стране крайне сложно: вкладываться в будущее, к сожалению, сегодня не модно. Все хотят получить прибыль завтра.

— Почему нет? Военные корабли размагничивают перед выходом в море, чтобы снять электромагнитное поле корабля, улучшить работу навигации и защитить от наведения высокоточных систем оружия. Есть, конечно, суда из немагнитных материалов, например, из латуни, но в основном их применяют для геофизических исследований. Только они настолько дорогие, что у военных на них денег не хватит. Так что идеи включать какие-то варианты модификации на основе сверхпроводимости, как в случае с самолетами, так и с кораблями, здравые.

Ускользающий кубит

Практически всю жизнь он занимается квантовыми эффектами, нанотехнологиями, наноэлектроникой и сверхпроводящими кубитами

— Явление сверхпроводимости было открыто в начале ХХ века, а вот сверхпроводниковая электроника зародилась только в 1960-е после открытия эффекта Джозефсона: английский физик Брайан Джозефсон догадался, что два сверхпроводящих слоя, разделенные прослойкой изолятора толщиной в несколько атомов, будут вести себя как единая система. Применив к такой системе принципы квантовой механики, он показал, что электроны проходят через диэлектрик без сопротивления благодаря особому туннельному эффекту. Вскоре предсказание Джозефсона подтвердилось экспериментально. Возможно, что именно важное прикладное значение эффекта — вплоть до возможности его применения для разработки искусственного интеллекта — вскоре «переключило» Джозефсона на исследования человеческого разума.

— Тем не менее джозефсоновские переходы — базовый элемент современной сверхпроводящей электроники. Открытие эффекта Джозефсона привело к созданию СКВИДов (Superconducting Quantum Interference Device, сверхпроводящих квантовых интерферометров). Фактически эти устройства представляют собой сверхчувствительные магнитометры. Именно с них мы начали в 1980-е Черноголовке.

— Вообще магнитометр — это прибор, который, например, применяется для изучения магнитного поля Земли или поиска скрытых предметов, руд. По принципу действия напоминает металлоискатель, только реагирует на слабомагнитные металлические объекты и крупные неметаллические магнетики, имеющим собственное остаточное поле. В США, например, была программа «Rock magnetic»: ученые летали с таким магнитометром над разломами Большого каньона и предсказывали землетрясения, поскольку сдвиги коры приводят к механическим напряжениям и изменениям магнитного поля. Одно из новых направлений связано с медициной: благодаря чувствительным магнитометрам делают магнитокардиограммы, а также энцефалограммы. По информативности они, наверное, не сильно богаче электрокардиограмм, зато позволяют исследовать, например, сердце плода в чреве матери, так как вычленяют тихий локальный сигнал.

— По поводу центра желаний ничего сказать не могу, но вообще нейрофизиологи проводят с помощью таких приборов очень тонкие исследования, которые позволяют определить, из какой зоны головного мозга идет аномальное возбуждение при эпилепсии. Это очень перспективное направление, так как магнитные поля, излучаемые головным мозгом, в миллионы раз слабее магнитного поля Земли и потому могут быть зарегистрированы только с помощью приборов на основе сверхпроводников. Однако пока они крайне дороги (стоят 1–1,5 млн долларов.— «О»), для их работы требуется, чтобы датчики, джозефсоновские контакты, находились в сверхпроводящем состоянии. А это означает, что должна работать сложная и дорогая криогенная система.

— Тогда мы их делали по довольно грубой технологии с помощью прокатного стана. Прокладывали между пластинками сверхпроводника тантала фольгу из меди и засовывали в вакуумный пресс. Получили «рекордную» толщину нормального металлического слоя, проводящую джозефсоновский ток (до 50 мкм). Для того чтобы мерить такие системы, нужна очень большая чувствительность по электрическому напряжению, поэтому на основе своего магнитометра и мостовой схемы (мостик Уинстона) мы сделали измерительный прибор пиковольтметр («пико» — одна триллионная часть.— «О»).

— За эти работы вы получили престижную по тем меркам премию Ленинского комсомола с формулировкой «за выдающиеся достижения в области науки и техники».

— Да, мы наблюдали «термоэлектрический аналог эффекта Джозефсона». Это была почетная премия, но небольшая, поэтому мы в тот же день пошли отметить это событие в ресторан «Славянский базар», где она и осталась. Премию, кстати, получил целый коллектив за несколько различных эффектов, где было несколько людей, которые потом сыграли большую роль в развитии сверхпроводниковой электроники, например, замечательный физик-теоретик Александр Буздин, который сейчас работает в Бордо и с которым мы сотрудничаем. С ним мы сделали другую интересную работу, связанную с сосуществованием ферромагнетизма и сверхпроводимости. Это достаточно смелая идея, потому что эти два явления с точки зрения физики настоящие «враги». Мы придумали делать особые слоистые структуры из таких различных материалов, они теперь используются в сверхпроводящей электронике и квантовых технологиях.

В 1990-е я стал заведующим лабораторией сверхпроводимости в ИФТТ в Черноголовке, там мы воспитали много совершенно замечательных ребят, которые почти все съехали за границу. С ними, кстати, мы не поссорились, а наоборот, всегда поддерживали очень хорошие научные и личные отношения. Именно благодаря этому я стал заниматься созданием квантовых структур — кубитов. Прежде всего этому способствовал мой бывший ученик Алексей Устинов, который работал сначала в Италии и Дании, а потом в Германии (сейчас — директор Института физики в Карлсруэ и одновременно сотрудник Российского квантового центра и НИТУ «МИСиС».— «О»). В итоге, когда в 2016-м благодаря Фонду перспективных исследований возник проект по разработке технологии обработки информации на основе сверхпроводниковых кубитов, оказалось, что я один из немногих ученых, занятых этой темой, который постоянно проживает в России.

Рязанов заведует лабораторией сверхпроводимости Института физики твердого тела РАН, работает главным научным сотрудником лаборатории «Сверхпроводящие метаматериалы» НИТУ «МИСиС»

— Сейчас это не очень модно произносить, но я, наверное, патриот. Есть замечательные места в мире, отличные лаборатории для работы, и нужно обязательно всюду ездить и общаться, но я очень радуюсь, когда люди возвращаются обратно в Россию. Так получилось, что квантовая тема сегодня собрала в России много замечательных умов, которые когда-то уехали из страны.

— Эта идея стихийно возникла в годы перестройки среди ученых Черноголовки. Мы решили тогда, что городом должны управлять честные люди, имеющие отношение к науке. Договорились: будем занимать пост мэра по очереди один год. Я был первым и, к сожалению, последним. Года хватило, чтобы понять, насколько политика — грязное дело. За мной мэром стал некий управленец, к науке отношения не имеющий, который испортил весь наш идеальный план. Больше мы в эти игры не играли. А вместо нас в политику пришли олигархи.

— Мы, а это несколько взаимодействующих команд из семи институтов, разработали технологию создания сверхпроводящих однокубитных и двухкубитных схем и прототипа небольшого квантового процессора. Продемонстрировали однокубитные и двухкубитные квантовые логические операции, позволяющие создавать квантовую запутанность. При этом точность однокубитных операций превысила 99 процентов, точность двухкубитных — 90 процентов, что позволило продемонстрировать на двухкубитной схеме настоящий квантовый алгоритм Гровера — решение задачи перебора (это и сделал компьютер в МИСиС — «О»). Алгоритм Гровера является основой для создания сверхбыстрых баз данных, работающих с огромными массивами данных и способных в считанные мгновения находить в них нужную информацию. Первый кубит, который мы сделали в 2016-м, жил менее одной микросекунды. А сейчас — порядка 50 микросекунд. На самом деле эта величина близка к той, которая сегодня достигнута в мире в реально используемых «пробных» процессорах, так что мы за три года сделали то, что в других странах создавали около двух десятков лет.

— Чтобы продемонстрировать реальное квантовое превосходство, надо собрать несколько десятков кубитов. Но проблема в том, что уже 30–50 кубитов обеспечивают такие решения, которые невозможно проверить на самом мощном современном компьютере. Сейчас Google представил 72-кубитный компьютер, для доказательства «квантового превосходства» им приходится делить всю структуру на небольшие кластеры, вычисления на которых возможно проверить на обычном мощном компьютере. Поэтому мы поставили для себя задачу остановится на том пределе, который проверяется на обычных самых мощных компьютерах, то есть примерно 20–30 кубитов. Это можно будет использовать для выполнения реальных задач, связанных с поиском новых материалов, в частности, для атомной промышленности.

— В IBM создана такая 20-кубитная система, в которой кубиты имеют времена жизни несколько большие, чем 50 микросекунд. Ребята из нашей лаборатории пытались использовать этот сервис для вычислений в области материаловедения, но пока, надо признать, все работает довольно неважно. По крайней мере, эмуляция на обычном компьютере дает более точные результаты.

Охладить цифру

— Это так, но на деле сегодня существует довольно много разных альтернативных нарождающихся «электроник»: молекулярная электроника, одноэлектроника и так далее. На мой взгляд, самая перспективная среди них — цифровая сверхпроводящая электроника.

И здесь Россия могла бы не догонять весь остальной мир, как нам приходится делать в квантовых технологиях, а стать первой.

— Впервые о такой электронике заговорили в 1980-х у нас в стране. Это был профессор Константин Лихарев из МГУ, который затем переехал в США в Университет Стоуни-Брук. В России тоже осталось несколько групп, которые этим занимаются.

— Суть очень проста: если в обычном компьютере в состояние нуля или единицы переключается транзистор, то здесь в качестве переключателя используются сверхпроводящие элементы. Сначала использовались элементы, которые в состоянии «ноль» находились в сверхпроводящем состоянии, а в состоянии «единица» происходили в состояние, где есть какое-то сопротивление. Лихарев с сотрудниками предложил куда более изящную сверхпроводящую электронику — так называемую одноквантовую логику (Rapid Single Flux Quantum), которая оперирует не с переключениями, а с квантами магнитного потока.

Сверхпроводящие системы потребляют очень мало энергии, и они очень быстрые, можно даже сказать самые быстрые. Например, на стандартном сверхпроводящем элементе ниобии можно сделать электронику с тактовой частотой (мощностью вычислений.— «О») в сотни гигагерц. При этом самые мощные современные компьютеры работают с единицами гигагерц. Кстати, несколько лет назад нас звали участвовать в разработке джозефсоновской магнитной памяти для сверхпроводящего процессора в рамках американской программы, но так как заказ был связан с национальными интересами США, участие русских отменили.

— Очень сильно в этом направлении продвинулись японцы, есть две-три сильные группы в Европе. В США действует национальная программа С3 (Cryogenic Computing Complexity, IARPA), задачей которой является не столько создание сверхпроводникового вычислителя, сколько разработка и предложение приемлемой архитектуры для производства сверхпроводниковых суперкомпьютеров.

— В России это пока в основном лабораторные исследования. Не так давно наконец-то появилась отдельная лаборатория в головном предприятии «Росатома», где будут заниматься как фундаментальной наукой, так и разработкой реальных устройств.

— Технические недостатки понятны — пока она громоздкая и требует критически низких температур. Но это в данном случае не главное. Речь идет не об изобретении очередного устройства, а о смене всей концепции развития технологии электроники в стране. Это нам объяснили, когда мы пытались рассказать о своих идеях наверху. За привычной полупроводниковой электроникой стоит огромное количество производств, чьих-то интересов и миллионных вложений, так что на смену концепции может уйти не одно десятилетие. Но что сама смена произойдет, у нас сомнений не вызывает.

Беседовала Елена Кудрявцева

Юрий Оганесян: «В Дубне можно воспроизвести сотворение мира»

Юрий Оганесян: «В Дубне можно воспроизвести сотворение мира»

Юрий Оганесян с 1958-го и по сей день работает в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне

Зачем нужны новые элементы, о которых мало кто знает, кроме физиков-ядерщиков, вписывающих их в периодическую таблицу Менделеева? Академик Юрий Оганесян, посвятивший жизнь охоте за флеровиями и оганесонами, объяснил «Огоньку», что это — наш шанс разгадать устройство мира. А заодно объяснил, как это знание его изменит.

Российские физики готовы приступить к синтезу 119-го и 120-го элементов периодической таблицы Менделеева. На вопрос «зачем?» отвечают так: это позволит расширить наши знания о материи и, возможно, поправит сам периодический закон Менделеева в области очень тяжелых, еще не открытых элементов.

Что нужно для решения этой задачи? В подмосковной Дубне в Объединенном институте ядерных исследований уже построили новую лабораторию, которую назвали «Фабрика сверхтяжелых элементов». Хотя на самом деле на фабрику все это похоже не очень. Тысячи причудливо изогнутых труб самого разного диаметра, соединяющих части установки, создают технологичный геометрический рисунок, напоминая кадры из научно-фантастических фильмов. В трех залах с высокой степенью радиационной защиты расположено новейшее экспериментальное оборудование — различные установки с магнитами, камерами, детекторами… Центр «Фабрики» — новый ускоритель ДЦ-280. Эксперименты, которые тут планируют проводить, тоже кажутся вполне научно-фантастическими: ученые собираются получать ядра элементов, которых нет и не было в природе. На их установке каждую секунду происходят десятки триллионов ядерных реакций. Чтобы получить новое вещество, ученые обстреливают ядро-«мишень» ядрами-«снарядами». «Снаряды» разгоняются до гигантской скорости в 25 тыс. км/с, а затем врезаются во вращающееся колесо с секторами из титановой фольги, на которую нанесены миллиграммы вещества-мишени. В сепараторе легкие атомы, как в мелком сите, отделяются от тяжелых, тем более от сверхтяжелых элементов, которые так интересуют физиков. Сложность в том, что образование нового элемента — редкий процесс, поэтому результата иногда приходится ждать годами. Больше всего на эффективность работы влияет интенсивность пучка — в новом ускорителе она в десять раз больше, чем была в ускорителях предыдущих. Для того чтобы проверить работу новой машины, в Дубне уже готовы воспроизвести эксперимент с получением открытых ранее 114-го и 115-го элементов (флеровия и московия), а потом пойдут дальше. Будущие эксперименты в Дубне станут важным тестом современной теории ядер и атомов.

Чем известен Юрий Оганесян / Визитная карточка

Академик Оганесян всю жизнь ищет границы материального мира

Юрий Оганесян родился в 1933 году в Ростове-на-Дону. В 1956 году окончил МИФИ. С 1958-го и по сей день работает в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Ученик великого физика Георгия Флерова. Специалист в области экспериментальной физики атомного ядра, синтеза и исследования свойств новых элементов таблицы Менделеева. Один из основателей нового научного направления — физики тяжелых ионов. Открыл новый класс ядерных реакций — холодное слияние массивных ядер, сегодня его широко используют в мире для синтеза новых элементов.

Уже в XXI веке под его руководством впервые получены атомы веществ с порядковыми номерами периодической таблицы имени Менделеева 113, 114, 115, 116, 117, 118. В результате ученые впервые обнаружили область стабильности сверхтяжелых ядер, а 28 ноября 2016-го Международный союз теоретической и прикладной химии присвоил 118-му элементу таблицы Менделеева имя оганесон (символ — Og) — в честь Юрия Цолаковича. Он стал вторым ученым, после химика Гленна Сиборга (США), чьим именем при жизни был назван химический элемент.

Научный руководитель Лаборатории ядерных реакций им. Г. Н. Флерова Объединенного института ядерных исследований академик Юрий Оганесян в настоящее время является претендентом на Нобелевскую премию.

— Потому что на старой ничего нового мы бы уже не сделали. По своим параметрам, прежде всего по наработке сверхтяжелых атомов «Фабрика» превосходит все, что есть в этой области в мире. Это открывает новые возможности как в синтезе новых элементов, так и в детальном изучении их свойств. Например, раньше мы получали в среднем всего один атом 118-го элемента в месяц. «Фабрика» же позволит получать уже десятки атомов. Также мы планируем изучить другие недавно открытые элементы — коперниций (112), флеровий (114) и московий (115), о свойствах которых пока известно немного.

Считается, что элементы 113–118 могут прояснить процесс образования элементов в природе, а синтез 119-го и 120-го элементов позволит нам открыть восьмой ряд таблицы Менделеева и продвинуться к еще более тяжелым.

Пока мы о них ничего не знаем. Возможно, эти элементы откроют нам неизвестную и яркую область химии. Но, чтобы туда добраться, нужно придумать новые подходы их получения и изучения их свойств.

— Ситуация, действительно, такова: чем тяжелее элемент, тем сложнее его получить. Чтобы создать ядро нового элемента, взаимодействующие ядра «снаряда» и «мишени» должны слиться друг с другом, стать целым. Для этого им надо подойти друг к другу достаточно близко, чтобы включились в игру короткодействующие ядерные силы, иными словами — произошло сильное взаимодействие. Для этого ядро «снаряда» нужно сначала разогнать до огромной скорости, в 0,1 скорости света, чтобы преодолеть отталкивание двух положительно заряженных ядер — «мишени» и «снаряда». Сегодня основная проблема в том, что мы используем в качестве мишеней искусственные элементы тяжелее урана, которые получают на ядерных реакторах с высоким потоком нейтронов. В мире существуют два подобных реактора. Один в Ок-Ридже, США (именно здесь был впервые произведен плутоний для американской атомной бомбы.— «О»), второй у нас — в Димитровграде Ульяновской области. Но самый тяжелый элемент, который можно наработать на этих реакторах в необходимом количестве,— калифорний (элемент 98). (Калифорний-252 — самый дорогой промышленный металл в мире, один его грамм стоит четыре миллиона долларов.— «О».)

— Да, именно так. 118-й элемент мы получили при слиянии ядер кальция и калифорния. Теперь вместо чрезвычайно эффективного кальция нужно брать более тяжелый элемент. Следующим в таблице Менделеева стоит титан, но с ним, как мы убедились, эффективность получения сверхтяжелых элементов сразу падает.

— Да, получить 120-й элемент мы надеемся, сталкивая титан с калифорнием. Мишень из изотопов калифорния уже готовят наши коллеги из Национальной лаборатории в Ок-Ридже (США). Затем будем использовать реакцию слияния титана с берклием для получения 119-го элемента. С берклием работать сложнее, он быстро распадается: его количество убывает вдвое через 320 дней!

Остров сокровищ

— Вы помянули «остров стабильности», подобраться к которому физики мечтали десятки лет. Что он собой представляет?

— Сначала это была теория, которая, без преувеличения, создавалась в конце 1960-х всеми теоретиками мира. До этого долгое время считалось, что, если в периодической таблице переходить от урана, элемента с порядковым номером 92, к элементам с более высокими номерами, продолжительность их жизни будет стремительно уменьшаться. И уже на 100-м элементе они прекратят свое существование. Считалось, что такое движение ведет к пределу существования материального мира.

Однако из новой теории следовало, что далеко за пределами известных в то время тяжелых радиоактивных элементов, там, где по старой теории ядра существовать не могут, будет большая область так называемых сверхтяжелых элементов, значительно более стабильных, чем их легкие предшественники.

— Да, именно так. После этих прогнозов во всем мире начался настоящий бум: сверхтяжелые трансурановые элементы искали в космических лучах, в метеоритах, в лунных и земных образцах. Их пытались синтезировать в мощных атомных реакторах. Затем в мощных ядерных взрывах (пять попыток предприняли в США). К сожалению, эти усилия не привели к результатам.

— Параллельно в других крупных ядерно-физических лабораториях мира ставились эксперименты по искусственному синтезу гипотетических сверхтяжелых элементов. Мы тоже были заняты этой проблемой. Но целых 15 лет напряженной работы также не дали результатов. Анализируя причины неудач, мы решили кардинально изменить подход к синтезу сверхтяжелых. Мы поняли: в силу того, что заветная область («остров стабильности сверхтяжелых элементов») относится к ядрам с большим избытком нейтронов, мы с помощью наших средств просто не дотягиваемся до этого «острова сокровищ».

Нам надо изменить материал «снаряда» и «мишени». Показателем того, что мы действительно высадились на «остров», станет резкий подъем времени жизни этого тяжеловеса. Но для этого необходимо иметь максимально доступный избыток нейтронов в ядрах «снаряда» и «мишени». Поэтому мы решили в качестве ядра-«снаряда» взять редкий изотоп —кальций-48. Если наиболее распространенный изотоп кальций-40 содержит 20 нейтронов, то в кальции-48 их на 8 больше. Этот изотоп чрезвычайно редкий и дорогой.

— У нас кальций-48 производят в городе Лесном под Екатеринбургом. В первой попытке получения пучка ионов кальция-48 и первого эксперимента с ним по получению 102-го элемента мы увидели в полном масштабе преимущество этого «снаряда». Но огромный расход, около 40 миллиграммов в час, в нашей установке исключал его использование для синтеза сверхтяжелых, мы просто не «вытянули» бы таких затрат. Однако к началу 1990-х у нас появилась идея, как можно поставить эксперимент по синтезу 114-го элемента. Правда, положение науки к тому времени было ужасающим. Помню, как тогда пришел в гости к жене Г.Н. Флерова — она тоже физик (самого его к тому времени уже не было), и на ее вопрос, что же мы теперь будем делать, сказал: «Мы будем синтезировать сверхтяжелые элементы. Я приложу все силы к синтезу 114-го элемента, а если это получится, назову его именем Георгия Николаевича». Она посмотрела на меня внимательно и сказала: «Вы сошли с ума, какие новые элементы в это время!» Тем не менее мы решили начать наш нелегкий путь. Но для этого нам нужно было в буквальном смысле начать с нуля и полностью переоборудовать нашу лабораторию.

— Вместе с моим заместителем и коллегой Михаилом Иткисом мы отправились на прием к замминистра Минатома Валентину Иванову. Объяснили, что есть у нас идея, как синтезировать сверхтяжелые элементы, а материалов и средств у нас нет. Но мы, видите ли, очень воодушевлены. Речь шла как раз о кальции-48 и мишенных материалах. Иванов не стал нас расспрашивать, а позвонил в Димитровград и сказал: «Все трансурановые материалы, которые у нас есть, никуда не отдавать, будем получать сверхтяжелые элементы».

Набравшись смелости после бесед в Минатоме, я поехал в Америку к нашим конкурентам в Берклиевскую и Ливерморскую лаборатории, а позднее в Ок-Ридж, где расположены национальные лаборатории Минэнергетики США. Я предложил им сотрудничество, сказав, что объясню суть нашей идеи и, если они покажут, что это можно лучше сделать у них, мы приедем к ним, а если лучше это будет у нас, то вы должны будете прибыть к нам. Они сказали: не надо ничего объяснять, мы едем к вам.

— От них нужно было мишенное вещество для экспериментов. Конкретно — плутоний. Но не плутоний-239, который применяется на АЭС для производства электроэнергии, а другой, который имеет еще более тяжелую массу,— плутоний-244, с пятью лишними нейтронами.

— Нет. Потом оказалось, что можно было сделать эксперимент и на плутонии-242, который у нас был, но тогда мы не были уверены, что получится даже на 244-м, поэтому решили подстраховаться.

— Это целая история, можно снимать отдельный фильм, но подробностей лучше не рассказывать, мы и так натерпелись по этому поводу.

— Оказывается, иногда можно повезти и пассажирским… Но интереснее история с ионным источником для получения пучка кальция-48. Мы купили ионный источник у французов, которые делали его для своих нужд. По моим оценкам, эта установка должна была очень хорошо подойти для получения ионов кальция-48. Но, когда мы получили французский источник, оказалось, что он вырабатывает ионы из твердого кальция в 10 раз меньше, чем из газов. А у кальция газообразных соединений нет. Тогда мы его основательно переделали и довели источник до уровня работы с газообразными веществами. Возник небольшой скандал: французский источник работает в России существенно лучше, чем во Франции! Их начальство, естественно, призвало к ответу своих инженеров. Пришлось вступиться и предложить им перенять в своих конструкциях наши переделки.

— На самом деле, когда начинаешь секретничать, это значит, что ты уже ничего лучшего не создашь. А нужно постоянно идти дальше и делать новое.

Новый плазменный источник вместо расхода в 40 миллиграммов в час дал 0,5. Расход снизили в 100 раз!

— Да, первые эксперименты начались как раз с началом нового века — в 2000-м. Наши ускорители проработали с пучком ионов кальция-48 круглосуточно, практически без остановки, без праздников, без выходных около 100 тысяч часов. Потому что синтез нового элемента — это очень редкое событие. Мы были счастливы, когда получали один атом в день. В 2012-м уже все сверхтяжелые элементы, известные на сегодня, были синтезированы. В какой-то момент это стало уже делом техники.

— Безусловно. Это все одна земля. За десять лет мы сумели «прощупать» этот «остров», увидеть, что он действительно есть. В теории он включает много элементов.

— Мы могли бы поговорить об этом, если бы были уверены, что может существовать ядро с таким огромным положительным зарядом. Когда были сделаны первые шаги на пути к сверхтяжелым элементам, обсуждалось возможное существование атомного ядра с 114 протонами. Существование «острова» определяется свойствами ядерной материи, а не электронным строением атома. Но будет ли второй «остров», который даст возможность продвинуться существенно дальше в синтезе элементов? Мне кажется, что предел существования ядер наступит значительно раньше 172.

Сотворение мира. Сделано в России

Академик Оганесян — специалист в области экспериментальной физики атомного ядра, синтеза и исследования свойств новых элементов таблицы Менделеева

— Начнем издалека. В первые мгновения после Большого взрыва образовалась горячая плазма, состоящая из кварков и глюонов. Кстати, глюон — по-английски клей, то есть это вещество, которое склеивает кварки. Если говорить грубо, то спустя около микросекунды после Большого взрыва Вселенная представляла собой глюонный суп, в котором плавали кварки (физики называют вещество в этом состоянии кварк-глюонной плазмой). А потом, когда температура понизилась, кварки с помощью глюонов объединялись определенным образом в протоны и нейтроны. Затем протоны и нейтроны — в ядра. Дальнейшее охлаждение привело к выстраиванию электронных структур вокруг ядер. Шло образование атомов (элементов). Это и есть сотворение мира.

— Очень давно. Через одну микросекунду после Большого взрыва. Что хотим сделать сейчас? Вернуться назад, расплавить протоны и нейтроны в кварк-глюонную плазму и увидеть сотворение протонов и нейтронов — строительных кирпичиков мироздания.

— Чтобы расплавить протоны и нейтроны обратно в суп, нужны громадные энергии. Для этого физики ускоряют два тяжелых ядра, например золота или свинца, до высоких энергий и сталкивают друг с другом. В точке лобового столкновения температура поднимается до рекордных отметок в триллион градусов, и тогда часть протонов и нейтронов на мгновение превращается в кварки и глюоны. А затем моментально возвращается назад.

— Да, вполне хватает. Но в чистом виде до сих пор такую кварк-глюонную плазму получить не удавалось, хотя пытались — самыми разными путями. Не хватало энергии соударения. Поэтому двигались ко все более высоким энергиям. В ЦЕРНе, например, есть уже несколько поколений ускорителей, способных разгонять достаточно тяжелые частицы так, чтобы в соударении увидеть этот эффект. Возможно, что очень большие энергии не столь эффективны, так как максимальный нагрев зоны столкновения определяется ядерной тормозной способностью, которая максимальна в определенном интервале энергий. И, быть может, отсутствие эффекта в предыдущих экспериментах связано с «перебором» энергии столкновения ядер. Параметры NICA выбраны с учетом этого обстоятельства.

— Верный вопрос. Хотя напрашивается встречный: «слишком дорого» по сравнению с чем? Но, с моей точки зрения (я ее не навязываю), неправильно как раз обратное — строить машины на все случаи жизни. Потому что, когда целей много, велик риск не достичь ни одной. К тому же строительство — как раз из-за громоздкости конструкции и дороговизны — будет растянуто во времени, и установка может устареть раньше, чем будет достроена. Напротив, в случае конкретной задачи все сфокусировано в цель.

— Я не очень понимаю, что такое однозадачная техника. Это же научное исследование. Надо добиться того, чтобы увидеть задуманное (в процессе работы оснащать эксперимент все более новой техникой). А если не получится, надо понять — почему не получается то, что предсказывает теория. В начале интервью мы говорили о сверхтяжелых элементах. Этой проблемой занимались 50 лет крупнейшие ядерно-физические лаборатории мира, прежде чем они были синтезированы и их свойства подтвердили теоретические ожидания.

— Не надо ничего никому объяснять. Я выступал недавно в Петербургском университете, в большой аудитории людей разных специальностей. Соответственно, были разные вопросы. Один из присутствующих, человек немолодой, трагическим голосом спрашивает: хорошо, вот вы открыли сверхтяжелые элементы, заполнили седьмой период таблицы Менделеева и что от этого изменилось? Я говорю: ровным счетом ничего, вы можете спокойно спать и заниматься своими делами.

— Понять на самом деле значение таких работ не просто, нужна некая подготовка. Надо знать специфику научной работы, вечного поиска, многих проб и многих ошибок, прежде чем появится внутренняя уверенность, что ты, наконец, на верном пути. Но и это не результат. Чтобы его получить, еще придется пуд соли съесть! Надо сделать прибор, которого в мире нет, получить сверхчистое вещество, которое неизвестно, как получить, нет ни рецептов, ни аналогов, создать детектор, не чувствующий фона, который в тысячи раз выше ожидаемого, и пр., и пр… Приходится все отложить в сторону и заниматься тем, чем никто не занимался.

Ты идешь туда, куда дороги нет, потому что раньше туда не ходили. Поэтому приходится решать кучу чисто научно-технических задач, и эти решения часто становятся ноу-хау. А им цены нет! Со стороны это выглядит как корабль под флагом науки, плывущий в свой «фундаментальный» порт приписки.

Он тянет за собой невод, в который попадает разная рыба, причем некоторые рыбки не то чтобы золотые, а просто бесценные. Так, говорят, в свое время возник интернет: физики не знали, как справиться с массивами информации, вот и придумали локальные сети.

Другой важный фактор — привлекательность научной профессии для способных молодых людей. Тогда они тянутся к знаниям, идут на передовые позиции в науке и, по сути, продвигают научно-технический прогресс. Помните, совсем недавно много говорили об открытии бозона Хиггса в ЦЕРНе? Это было сделано на ускорительном комплексе — Большом адронном коллайдере (БАК), носителе всех современных ускорительных технологий. Говорят, стоимость установки более 9 млрд евро.

Я полагаю, в один прекрасный день главы правительств стран — участниц ЦЕРНа (а бюджет ЦЕРНа — это вклад стран-участниц и ассоциированных членов, в основном из Европы и США) собрались в Женеве и подумали: а не скинуться ли нам дополнительно на сумму 9–10 миллиардов, чтобы подтвердить существование бозона Хиггса? И скинулись. И — подтвердили!

То есть и флаг был подходящий — бозон Хиггса, — и БАК, думаю, себя окупил. Но основная идея была в том, что этим займутся специалисты высокого класса, а молодое поколение, на них глядя, пойдет туда же. Способные, одаренные люди везде нужны: в политике, искусстве, бизнесе, математике, спорте, литературе, авиастроении. Но талантливая молодежь на фронте научно-технического прогресса — это прорыв общества, это будущее страны и ее людей. Мне как-то сказали, знаешь, ради чего стоит пойти в столовую ЦЕРНа? Там собираются в обеденный перерыв одновременно около 1000 таких молодых людей, которые оживленно беседуют, смеются, жестикулируют! И это по-настоящему впечатляет…

— Предложения поступали не раз, но у меня как-то это не получается. Я работал во Франции, но уехал оттуда раньше времени, за что, уже здесь, получил выговор. 20 лет спустя мои бывшие французские коллеги как-то пригласили меня и говорят: ты помнишь, что сказал, когда уезжал? Ты сказал, что мне там интереснее. Я понял, что этого они мне до сих пор простить не могут. Но мне действительно в России было намного интереснее. Вообще, когда мы говорим, что многие уехали, нужно понимать: большая часть это сделала вынужденно. Они не имели возможности выбора, уезжали далеко не на первые позиции. У меня в семье тоже есть пример — муж моей дочери, молодой физик, прекрасный экспериментатор, работал в ФИАНе, строили на Памире телескоп для исследования космических лучей. Настолько интересный, что американцы хотели прислать ему своих стажеров, так как хотели построить такой же в Перу. Он работал увлеченно и отдал этому проекту пять лет, жил половину времени в Москве, а другую половину на горе. А потом вдруг оказалось, что советской власти нет, а Казахстану этот телескоп не нужен. Это было тяжелое время, и тогда один из его друзей позвал его в аспирантуру в США. Представьте, что значит для человека, который уже отучился в аспирантуре и построил телескоп, снова очутиться за партой с новичками? В общем, когда я устраиваю конференции и здесь, и на Западе, я обязательно приглашаю всех этих уехавших, чтобы они обязательно выступали, чтобы они общались, слышали. Это очень важно для нас и для них.

— Ничего осмысленного, в этом направлении я не думал. У меня отец был инженером по коммуникациям, дома собирались архитекторы, инженеры и другие специалисты по жилищному строительству. В рабочей группе отца был молодой человек Юрий Яралов, который потом стал известным архитектором в Москве. Он сказал, что у меня есть определенные способности, помог сделать первые шаги в архитектуре. Я сдавал экзамены в МАРХИ, но до этого, как медалист, прошел собеседование в московский МИФИ за компанию с друзьями. В итоге, когда хотел отнести документы в МАРХИ, в МИФИ мне их не отдали. Сказали, что я уже зачислен.

— Я поступил в 1950 году и попал в очень интересное общество. Оно состояло из двух категорий: мы, 17-летние юнцы, и люди, которые пришли с фронта. Они были лет на десять старше: после войны, многие быстро поняли, что надо получать образование. Мы вместе учились, жили в общежитии, но относились к старшим всегда с большим уважением, они тоже нам никогда не делали замечаний.

— Тема была очень популярной и полузакрытой, все знали, что правительство вкладывает туда огромные средства. Нас учили по двум программам, соответственно читали курсы с физфака МГУ и из Бауманки, явно с инженерным уклоном. В итоге каждый семестр сдавали десять экзаменов! При этом какой-то единой установившейся программы не было. Но все понимали: нас готовят как специалистов по атомной энергии. Тогда все, не только ученые, но и люди в правительстве, ощущали, что мы стоим на пороге какой-то новой эры. Грубо говоря, человек из урана смог получить энергию, заложенную туда при сотворении мира. Так что я знал, что буду заниматься ядерной физикой, но до последнего момента не знал где именно, куда меня распределят.

Юрий Оганесян является одним из основателей нового научного направления — физики тяжелых ионов

— Я в ту пору женился. Моя жена была скрипачкой, ее приняли в аспирантуру в Московскую консерваторию по классу скрипки. Это создавало некоторые неудобства, потому что все наши крупные атомные объекты располагались далеко от столицы. Так что я хотел остаться в Москве, поэтому пришел в Институт атомной энергии, которым руководил Игорь Курчатов. Со мной проводили собеседование сначала Андрей Будкер, а потом Георгий Николаевич Флеров. Тогда я и познакомился с людьми, у которых потом работал. Андрей Михайлович (Будкер.— «О») устроил мне экзамен на час. Остался доволен и собирался меня взять, но потом выяснилось, что у него нет мест. Он устроил скандал в отделе кадров, кадровикам очень не понравилось. Мне сказали, что сейчас со мной побеседовать придет еще один человек. Флерова интересовало, чем я увлекаюсь, каким спортом занимаюсь. И все. Так я оказался у него в лаборатории. А дальше моя биография простая: был распределен в Объединенный институт ядерных исследований в Дубне, когда он образовался. С тех пор живу и работаю здесь. Вот уже 60 лет.

— Пока атомная энергия была связана с бомбой, это, естественно, имело свои ограничения по части секретности. Так было в СССР, так было и в Штатах. Но, когда впервые (а это был 1959 год) в Обнинске была построена первая АЭС, все стало восприниматься иначе. Стало ясно: атомная энергия — это не просто взрыв, это управляемая энергия. Мне кажется, что укрощение атомной энергии обеспечило настоящий взлет ядерной физики. Как мирной, так и военной, которая после атомной занялась водородной бомбой.

— Это совершенно не так, и я не понимаю, почему это мнение предается такой широкой огласке. В 1989 году в США была большая международная конференция, посвященная 50-летию открытия деления урана. Было очень интересно, потому что там впервые встретились физики из разных стран, работавшие по закрытым тематикам, которые до этого знали друг друга только по публикациям. Георгий Николаевич (Флеров.— «О») сделал там прекрасный доклад, который показал, какой потрясающий расцвет физики был в нашей стране до войны. Было впечатляюще! Чего только стоит одна потрясающая школа Физтеха Абрама Федоровича (Иоффе.— «О») в Ленинграде и ФИАНа в Москве!

— Потому что здесь важно не только знание и понимание конкретных принципов, но и исполнение. Добыча, разделение и обогащение урана требуют гигантской инфраструктуры, нужно было построить десятки заводов. А на территории нашей страны бушевала Вторая мировая война! Но думать о том, что после войны что-то можно подсмотреть и сделать за четыре года всю эту огромную работу, наивно. Теперь уже известно, что каждый коллектив ученых шел своим путем, если какие-то сведения и просачивались, то они не могли быть определяющими в решении огромной задачи.

— Девять лет назад умерла жена, дети разъехались, поэтому я сам хозяин своего времени. Мне приходится очень много ездить по работе, но, когда приезжаю в гости к дочке в Америку, люблю бывать в театрах на Бродвее. Мне очень нравится эта форма театрального искусства, совершенно современная, в которой заняты артисты высокого класса с потрясающими голосами! Еще очень нравится японский театр Кабуки. Это фантастика какая-то! У них потрясающе поставлены сценическое движение, речь, мимика, невероятные костюмы и голоса. Сделано очень профессионально и талантливо, а это — то, что я ценю во всем.

Беседовала Елена Кудрявцева

Продолжение (Том II)