Коротко

Новости

спецпроект

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.
Владимир Захаров: «Жизнь — это противостояние хаосу» Владимир Захаров: «Жизнь — это противостояние хаосу»

Академик Владимир Захаров - автор теории нелинейных волн

Академик Владимир Захаров - автор теории нелинейных волн

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— Владимир Евгеньевич, вы одновременно и физик-теоретик, и математик, и океанолог — как я понимаю, именно сочетание этих трех дисциплин и принесло вам медаль Дирака, которую еще называют «Нобелевской премией для физиков-теоретиков». Можете очертить круг ваших научных интересов и объяснить, как все это связывается?

— 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.

— Насколько я понимаю, речь не о цунами?

— 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.

— Что сегодня известно о природе этих явлений?

— 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

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— С эволюцией совсем уже непонятно.

— 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.

— Давайте вернемся к волнам. Пару недель назад в Саутгемптонском университете заявили, что волны-убийцы виноваты в исчезновении кораблей в Бермудском треугольнике…

— 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

Владимир Захаров родился в 1939 году в Казани

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— Я так поняла, что волны-убийцы не связаны с силой ветра и погодными условиями…

— 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.

— Насколько успешно физики-теоретики моделируют подобные катастрофы? Их можно предсказывать?

— 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

В 1963-м Владимир Евгеньевич окончил Новосибирский государственный университет

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— А можно ли как-то гасить эти волны? Например, академик Сахаров предлагал в свое время использовать подземные термоядерные взрывы для предотвращения катастрофических землетрясений…

— 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.

— Создание моделей каких природных явлений наиболее актуально для человечества?

— 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.

— Сразу приходит на ум метеорологическое оружие. Я правильно понимаю, что на деле оно пока сводится к разгону облаков в день того или иного города?

— 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.

— Ваша самая цитируемая работа связана с распространением волн в оптических линиях. Там тоже существуют волны-убийцы?

— 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

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— И в чем преимущество этого метода?

— 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.

— Современная телекоммуникационная индустрия во многом базируется на ваших теоретических работах. Каким чудом вы нащупали столь перспективную нишу в 1960-е, когда ни об интернете, ни о мобильной связи не мыслили?

— 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.

— Но сначала вы все-таки занимались физикой плазмы?

— 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.

— А военные?

— 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

С 2005 года академик Захаров живет на две страны

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Тем не менее вы долго были невыездным.

— 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.

— Как вы, живя в Москве, попали в Институт ядерной физики к знаменитому Андрею Будкеру в Новосибирске?

— 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.

— Что это было за испытание и сколько вам было лет?

— 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.

— Новосибирский Академгородок до сих пор овеян легендами — затерянный в лесу остров научной и личной свободы.

— 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…

— Как вы теперь, спустя многие годы жизни на две страны — США и Россию, оцениваете эффективность советской науки?

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

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— 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?

— Не так давно Минэкономразвития опубликовало доклад, из которого хорошо видно: «утечка мозгов» из России не прекратилась…

— 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.

— Как вы оцениваете то, что происходит с Академией наук? Дает ли ученым надежду последняя редакция закона о РАН, где говорится, что академия будет прогнозировать основные направления научного развития страны и руководить научной деятельностью в вузах?

— 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

А в США является профессором математики Аризонского университета в городе Тусоне

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Что сегодня для вас самое интересное в физике?

— 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.

— А каких открытий нам ждать?

— 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, вы один из немногих ученых, которые профессионально занимаются поэзией. В 1990 году «Огонек» опубликовал замечательную подборку ваших стихов. Говорят, вы даже думали бросить науку ради поэзии?

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

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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

— Анна Ахматова условно делила новых знакомых на две категории: «Чай, собака, Пастернак» и «Кофе, кошка, Мандельштам». Я знаю, что вы очень любите Мандельштама и именно с ним у вас связана семейная история.

— 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.

— Каким образом к вам попали «Воронежские тетради» Мандельштама?

— 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)

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Вы не только один из немногих профессиональных поэтов, но еще и человек верующий. Правда ли, что чем глубже человек погружается в науку, тем для него очевиднее, что красота Вселенной сотворена?

— 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?

— Платону.

— 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

Академик Владимир Захаров всю жизнь противостоит хаосу. С помощью математических формул он ищет путь к укрощению грозных стихий, а с помощью слов — создает поэзию.

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»

Академик Владимир Захаров - автор теории нелинейных волн

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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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


Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— 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».)

— А почему фотоника стала так бурно развиваться именно сейчас? Все передовые страны, включая Россию, определили ее как стратегически важное направление...

— 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.

— Одной из самых «горячих областей» остаются компьютерные технологии. Основатель Intel Гордон Мур еще в 1965-м сформулировал закон, по которому число транзисторов на микросхеме и, значит, быстродействие будут увеличиваться вдвое каждые два года. Но в 2016-м его закон работать перестал: электроника больше не может развиваться так быстро. Заменят ли ее фотонные технологии?

— 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.

— Будет ли это похоже на технологический прорыв 1970-х, когда вместо медного кабеля стали использовать оптоволокно? Ведь именно этот переход по сути и создал современное информационное общество.

— 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


Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Насколько дорогая наука фотоника? Какие установки нужны ученым?

— 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.

— Где сегодня сконцентрирован научный потенциал и где, скорее всего, появятся новые суперустройства?

— 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.

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— Не секрет, что электроника — та область, где Россия мягко говоря, сильно отстала: на гражданском рынке микропроцессоров у нас 100 процентов импорта. Что можно сказать о российской фотонике? Это особенно интересно, так как в БРИКС за нее, как за одно из самых перспективных направлений в науке, отвечают как раз Россия и Индия.

— 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


Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Расскажите, пожалуйста, о фотонных технологиях, которые изменят нашу повседневную жизнь. На какой стадии сейчас разработки Li-Fi — Wi-Fi, работающего на фотонах?

— 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.

— Что они собой представляют?

— 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.

— А есть уже работающие модели?

— 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.

— Для чего в первую очередь будут использоваться сверхчувствительные сенсоры?

— 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?

— В конце 1960-х в мире шли разговоры о создании боевых лазеров. У нас программой руководил Нобелевский лауреат Николай Басов. Под его руководством создавался боевой лазер, способный поражать баллистическую ракету. Какие области фотоники интересны военным?

— 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.

— Да, компании не раз заявляли, что готовы создать плащ-невидимку, как в романе Герберта Уэллса.

— 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


Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— В ХХ веке развитие той или иной сферы физики определял, как правило, политический заказ. В одном из последних интервью академик Гинзбург рассказывал, что когда американцы сбросили атомную бомбу, зарплата у него поднялась в 3 раза... А что, на ваш взгляд, сегодня движет развитием той или иной области физики?

— 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.

— В США будто бы в свое время копировали советскую систему математических школ, а вот про Китай я еще не слышала…

— 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

Физик Ильдар Габитов пришел к увлечению фотоникой через математические формулы. Сейчас он работает сразу в трех направлениях — изучает свойства света, занимается внедрением разработок в жизнь и создает программы по развитию науки.

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

Академик РАН, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Валерий Анатольевич, когда физики говорят сегодня, что человечество стоит на пороге «новой физики», что они имеют в виду?

— 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.

— Это чем-то напоминает конец XIX века, когда молодому Максу Планку советовали не заниматься физикой, так как «почти все открыто». Что же физики будут искать теперь?

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Какая из гипотез вам кажется вероятной?

— 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.

— О том, что Большой адронный коллайдер (БАК) будет «ловить» темную материю, ученые заявили еще в 2016-м, дав понять, что это задача на три Нобелевские премии. Почему же до сих пор ничего не нашли?

— 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.

— Какие проекты планируется запустить в этой области?

— 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.

— Многие считают более перспективным поиск частиц темной материи с помощью детекторов. Насколько это верно?

— 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.

— Между тем пару недель назад научные СМИ написали, что через Солнечную систему прошел «ветер» темной материи со скоростью 500 километров в секунду. Как ученые его опознали?

— 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 — гипотетическая частица, которая переносит гравитацию, тоже относится к «новой физике»?

— 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.

— Хорошо, тогда давайте поговорим о темной энергии. Что это такое и насколько перспективно ее изучение?

— 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: 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— Каким образом это возможно изучать?

— 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.

— Предсказать, до какого предела она будет расширяться, мы не можем?

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Сегодня ученые довольно хорошо могут рассказать о ранних этапах развития Вселенной. А что было до того, как она начала расширяться?

— 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.

— Так что же все-таки было до Большого взрыва?

— 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.

— Какие есть альтернативные версии?

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Есть ли в современной физике свои гуру? Кто у нас главный специалист, предположим, по темной энергии?

— 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.

— То есть сегодня вся слава первооткрывателей принадлежит теоретикам?

— 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.

— Доводилось ли вам общаться с Питером Хиггсом?

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Есть версия, что при строительстве БАК большую роль сыграла наша оборонка: для детектора CMS требовалось много латунных пластин, которые нашли на российских военно-морских предприятиях: переплавили из стреляных гильз. А сейчас роль России в научном ЦЕРН-комьюнити ощутима?

— 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.

— Наука идет по пути постепенного наращивания мощности коллайдеров. Есть ли предел этому процессу, после чего эксперименты станут небезопасными?

— 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.

В России одобрено строительство шести mega-science установок, часть из которых имеет отношение к физике элементарных частиц. Насколько они важны?

— 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»

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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.

— А чем отличается машина, которую планируют строить в Новосибирске на базе Института ядерной физики им. Будкера?

— 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.

— Строительство коллайдера — грандиозная задача. Что происходит, когда он отрабатывает свой ресурс?

— 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.

— Как повлияли на международные проекты санкции?

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

— Многие напряглись после того, как Россия вышла из ассоциированного членства в ЦЕРНе.

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Много проектов пострадало?

— 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.

— Академик Владимир Захаров утверждает, что каждый десятый математик в США — из России. Можно ли то же самое сказать о физиках?

— 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.

— Вас тоже приглашали, почему же вы не уехали?

— 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

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

— Что, на ваш взгляд, самое перспективное в физике элементарных частиц? Каких открытий ждать в ближайшее время?

— 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.

— В 2015-м Нобелевскую премию за нейтрино дали Артуру Макдональду и японцу Такааки Кадзите. Хотя первыми были россияне. Почему так произошло?

— 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.

— Академик Жорес Алферов говорит, что не бывает фундаментальной науки, что все науки прикладные, разница в сроках. Можно ли такое сказать о физике элементарных частиц?

— 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»

Академик РАН, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков

Альберт Насибулин создает материалы, в которых просматривается будущее

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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

Будущее начинается с мелочей. Осталось выяснить — с каких именно

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.

— Альберт Галийевич, эта техника напоминает о временах, когда слово «нанотехнологии» звучало из телевизора каждый день. Помнится, лет 5–10 назад уже ждали прорыва, но его не произошло. Надежды оказались напрасными?

— 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.

— О поддержке нанотехнологий на госуровне раньше всех заговорили в США. Это и спровоцировало взрывной интерес к новой отрасли?

— 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.

— Значит, Россия, объявившая о приоритете нанотехнологий лишь в 2007-м, отстала?

— 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.

— США потратили на нанотехнологии миллиарды. А на какое направление в первую очередь?

— 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


— Долгое время ученые не могли договориться о том, что считать наноматериалами. Да и работают они с веществом на атомарном уровне не первый десяток лет. Сейчас есть какая-то определенность в классификации?

— 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.

— И какие свойства проявляются у веществ в новом состоянии?

— 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


— Тем не менее распространение получили углеродные наноматериалы. Чем они интересны, и почему российские ученые, вложившие в работу с ними немало сил, остались в стороне от нобелевских премий?

— 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.

— В итоге вся слава досталась экспериментаторам.

— 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


— Словосочетание «углеродные нанотрубки» знакомо не только ученым. Многие слышали, что с их помощью обычные вещества приобретают сверхъестественные свойства. Но мало кто понимает, как они устроены.

— 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.

— Как дорого производство углеродных нанотрубок? Из чего их делают?

— 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.

— Над чем сейчас трудится ваша лаборатория в Сколтехе? Судя по заявленному оборудованию, она не должна уступать мировым университетам?

— 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.

— И чем этот сенсор отличается от аналогов?

— 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


— Давайте не о науке, а о наноиндустрии. Сколько сейчас в мире производят тех же уникальных нанотрубок?

— 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.

— Однослойные — другой материал?

— 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.

— Чиновники все чаще говорят, что в РФ нужно создавать наноиндустрию. О чем речь? Годятся ли для этой цели предприятия химической отрасли?

— 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.

— Можно назвать современную мекку нанотехнологий и создания наноматериалов?

— 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.

— За счет чего они вырвались?

— 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.

— Какие еще новинки ожидают нас в ближайшем будущем благодаря развитию наноматериалов?

— 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».

— Насколько реальны заверения, что использование углеродных натотрубок позволит построить космический лифт, который резко удешевит доставку грузов на орбиту?

— 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.

— Эти материалы используются для военных нужд?

— 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

Сейчас он руководит лабораторией наноматериалов Сколтеха

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

Молоко из травы


— Ждать ли открытия новых материалов? Сколь охотно дают деньги на такие исследования?

— 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.

— У меня вопрос. То, о чем мы с вами говорим, это физика или уже давно химия? Вы сами как себя позиционируете как ученый?

— 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.

— Почему вы решили стать ученым?

— 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.

— А физически это возможно?

— 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

Наноизобретения в корне меняют наши представления о назначении самых привычных вещей. Вот три примера.

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»

Академик РАН, доктор физико-математических наук Валерий Рубаков

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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

Галактики, звезды, планеты и в конечном счете мы сами возникли из квантовых флуктуаций, считает академик Алексей Старобинский. Попросту говоря, из изначальных неоднородностей.

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.

— Алексей Александрович, складывается ощущение, что к космологии, которая занимается происхождением и устройством Вселенной, сегодня приковано внимание во всем мире: открытий в этой области, во всяком случае, очень много. С чем это связано?

— 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.

— А в каких областях космологии молодежь наиболее активна?

— 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.

— Как подтверждают сегодня теории? Какие эксперименты дают физикам больше всего информации?

— 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.

— Космологи утверждают, что мы живем в эпоху доминирования темной энергии. А можно сказать, что она собой представляет?

— 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.

— Каков третий тип эксперимента?

— 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...

— Это направление стартовало, когда были открыты гравитационные волны. Я правильно понимаю, что их обнаружение долгое время называли одной из главных проблем физики?

— 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.

— Что было сделано в этой области с тех пор?

— 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.

— А помимо самого факта обнаружения этих волн мы что-то о них узнали?

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Есть ли у России шанс включиться в развитие гравитационно-волновой астрономии? Как убедить чиновников, что это нужно?

— 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.

— В своей нобелевской лекции Кип Торн, один из авторов открытия гравитационных волн, посвятил благодарственную речь академику Брагинскому. Жаль, что саму премию наши ученые не получили: ведь в основе многих современных открытий лежат теории российских ученых…

— 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


— Вы один из авторов главной космологической теории современности — инфляционной теории, которая говорит о расширении Вселенной. Как вы пришли к этой идее и насколько сегодня она согласуется с новыми экспериментальными данными?

— 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.

— Почему говорят, что ваша работа стала началом новой космологии?

— 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.

— Можно сказать, что было до Большого взрыва в физическом смысле?

— 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.

— Почему же тогда произошло то, что называют Большим взрывом? Симметрия и упорядоченность разве не предполагают устойчивости?

— 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

Алексей Старобинский в своей квартире в Доме на набережной

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— И как можно экспериментально проверить столь глобальную теорию?

— 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.

— Есть у нас приборы, способные уловить такие явления?

— 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.

— Другой «черепок» — реликтовое излучение, древний свет, отразивший неоднородности, родившиеся на инфляционной стадии. Насколько информативен этот «артефакт» сегодня?

— 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.

— Как же выглядит эта карта?

— 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.

— А как вы объясняете феномен молчащей Вселенной? Почему мы так и не нашли, с кем можно поговорить?

— 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


— Расскажите, пожалуйста, о вашем общении со Стивеном Хокингом, он упоминает вас в своей книге.

— 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.

— Как вы с ним общались?

— 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 цивилизации задумывались об устройстве мира. Кто, на ваш взгляд, подошел ближе всего к истине, если таковой считать современные представления?

— 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.

— Вы уже много лет являетесь постоянным участником семинара «Физика и богословие» в Свято-Филаретовском православно-христианском институте. И даже являетесь его попечителем. Что для вас важно в этом опыте?

— 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"

Алексей Старобинский в парке "Музеон"

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы можете назвать себя атеистом?

— 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.

— А в прогресс вы верите?

— 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

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

Фото: Коммерсантъ / Евгений Гурко

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

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

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.

— И как называется эта наука?

— 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.

—А сам посыл о тесной взаимосвязи между космосом и различными, в том числе и социальными, процессами на Земле сегодня принят учеными?

— 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».

— А что такое прогноз магнитной активности?

— 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.

— А зачем такое прогнозировать в принципе, Лев Матвеевич? Ведь солнечные выбросы — это не дождь, от которого можно защититься, прихватив зонт из дома.

— 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.

— А почему на Земле в первую очередь страдают северные районы? Читала, что недавно буря вывела из строя светофоры и те сами начали переключаться с красного на зеленый…

— 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.

—И что можно сделать?

— 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

—Главный предмет вашего научного интереса — космическая плазма. Как далеко продвинулась наука в ее изучении?

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы тогда занимались наукой?

— 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.

— Один из самых известных экспериментов в этой области — «Интербол». Что он дал науке?

— 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»

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— А что такое пересоединение?

— 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.

— Можно ли измерить эти процессы и дать прогноз?

— 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.

— Можно ли увеличить время предсказания?

— 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.

— Одно из направлений вашей работы связано с суббурями. Что это за явление?

— 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


— Как вы относитесь к мнению, что сегодня пилотируемая космонавтика не нужна в принципе? Вы ведь и сами подчеркиваете: космос — слишком агрессивная для человека среда.

— 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.

— Для России сегодня в приоритете Луна. Что, кроме слабой гравитации, препятствует ее освоению?

— 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.

— Когда об этой проблеме заговорили впервые?

— 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.

— Как повела себя пыль во время посадки «Аполлонов»?

— 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.

— А почему липкая? На Земле же пыль рассыпчатая.

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Вы говорите, что пыль плохо изучена. Но неужели ее не было в 300 килограммах грунта, которые доставили с Луны американцы? Или дело в том, что они не особо делятся образцами?

— 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.

— Каким образом?

— 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.

— С этими открытиями и связан нынешний ажиотаж вокруг Луны? Ведь про нее забыли почти на полвека…

— 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.

—Считается, что и китайцы неохотно взаимодействуют с конкурентами.

— 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

Современная российская космонавтика в цифрах выглядит не очень оптимистично. Но это не значит, что у нас нет шансов на лидерство в конкретных направлениях уже в ближайшие годы.

30 лет

У России не было успешных запусков межпланетных станций в дальний космос

57 тысяч рублей

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

45 запусков ракет

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.

— Есть ли разница в конечной цели исследований Луны Россией, США, Китаем и Индией?

— 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.

— А как же проект «Спектр Рентген-Гамма» (СРГ) с его главной миссией — созданием карты Вселенной? Он должен быть запущен уже в июне этого года.

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Чем же она подходит, если мы там были последний раз полвека назад?

— 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.

— Какая часть новой российской лунной программы, на ваш взгляд, самая интересная?

— 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.

— Почему нам важно попасть под поверхность?

— 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.

— Но ведь советские «Луны» уже бурили Луну?

— 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.

— «Луна-27» доставит образцы на Землю?

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

— Как регулируется статус внеземного пространства? По договору о космосе 1967 года невозможно получить новую государственную территорию посредством водружения флага. Но там ни слова нет об эксплуатации естественных ресурсов Луны и иных небесных тел.

— 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.

— А что за инициатива международной группы по «электромагнитному заповеднику» на Луне?

— 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


— Вокруг Венеры, насколько я понимаю, все не так определенно? Зато интерес подстегивают сенсации, пишут о неких живых существах, обнаруженных на кадрах, присланных советскими посадочными аппаратами еще в 1970-е…

— 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.

— Насколько радикально эти условия отличаются?

— 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.

— Но для возникновения жизни нужна вода…

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

—Расскажите об Объединенной научной рабочей группе по изучению Венеры.

— 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).

— Американцы предлагали сконструировать гигантские дирижабли, которые будут парить на высоте 50 километров над Венерой….

— 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.

— А оптика выдержит такие условия?

— 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.

— Есть информация, что в США создают электронику для аппаратов, которые будут жить на поверхности Венеры месяцами.

— 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.

— Как вы думаете, есть все-таки надежда осуществить этот проект?

— 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


— Известно, что Сергей Королёв увлеченно работал над марсианским проектом, в 1962-м даже представил Проект межпланетного комплекса — с жилым отсеком, оранжереей, фермой, библиотекой… Что если бы СССР не вступил в лунную гонку, мы уже побывали бы на Марсе?

— 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

Физик Михаил Фейгельман уверен, что больше всего науке мешает пиар

Фото: Коммерсантъ / Евгений Гурко

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.

— В одном из выступлений вы, Михаил Викторович, озвучили парадокс: все технологии, изменившие мир за последние годы, основаны на достижениях 30–50-летней давности. Но эти самые достижения за полвека так и не вошли в базовый курс образования по физике. Речь идет о нашей стране или в целом о физическом образовании в мире?

— 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!

— А что же сегодня изучают физики?

— 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.

— А как тогда у будущих ученых заполняется разрыв между базовой физикой и современной?

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

— Это тоже общемировая тенденция?

— 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.

— Когда создавался факультет физики в ВШЭ, академик Алексей Старобинский говорил, что упор будет сделан именно на теоретическую физику. Неужто у нас не хватает физиков-теоретиков?

— 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.

— А другой теоретической физикой, если я правильно понимаю, и занят Институт теоретической физики им. Ландау, где вы работаете?

Физик от природы / Визитная карточка

От теории физики — к общественной практике

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.

— Что вы имеете в виду?

— 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.

— А как же наукоемкая промышленность, про которую принято говорить на всевозможных экономических форумах?

— 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.

— Что же тогда определяет развитие науки, если не оборонка, как раньше, и не рынок?

— 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


— Недавно вышла работа, из которой выяснилось: если в 1985-м больше трети ученых выбирали физику конденсированного состояния, которая занимается сложными объектами на наноуровне, то сегодня их доля снизилась, а растет, например, число публикаций по астрофизике. С чем это связано? Есть ли в теоретической физике модные течения?

— 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»

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

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.

— А что было модно, когда вы пришли в институт?

— 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.

— Какие области исследования в вашем секторе физики наиболее популярны сегодня? Можно ли выделить одну-две задачи, которые будут решены в ближайшее время?

— 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».

— Можно пояснить, что это такое?

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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— 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?


— А что-то более технологичное и прикладное мы ждем в этой области?

— 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.

— Так из чего же лучше всего делать квантовые кубиты?

— 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.

— Насколько активно в ней участвуют китайцы?

— 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.

— Российские команды тоже объявляли о строительстве кубитов, нам можно надеяться поучаствовать в этой гонке?

— 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.

— Поздно начали?

— 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.

— Так что, квантовый компьютер все-таки будет создан в обозримом будущем?

— 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, в принципе, у человечества есть задача для такого устройства?

— 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»

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Очень много публикаций связано со сверхтекучестью. Насколько это перспективно?

— 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.

— Сверхтекучесть оказалась родственна сверхпроводимости?

— 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...

— Ожидается, что в перспективе сверхпроводники смогут полностью изменить жизнь людей, так как они теоретически позволяют передавать электрический ток на любые расстояния без потерь…

— 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


— Несколько лет назад вы выступили инициатором создания Корпуса экспертов. Цель была — разобраться, кто есть кто в российской науке. В каком состоянии проект сегодня?

— 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.

— А кто на самом деле заказывал экспертизу?

— 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.

— Очевидно, в корпусе экспертов больше всего оказалось именно физиков, с чем это связано?

— 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.

— А как распределена российская наука географически?

— 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.

— Лет десять назад вы дали прогноз развития науки, написав, что останется лишь псевдонаука — то, что Ричард Фейнман назвал Cargo Сult Science: формальные признаки науки имеются, но интересных научных результатов нет. Насколько верными, на ваш взгляд, оказались эти предположения и что нас ждет еще через 10 лет?

— 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

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

Фото: Коммерсантъ / Евгений Гурко

Углубившийся в бытие / Визитная карточка

Физик-теоретик Александр Белавин всю жизнь постигает красоту мироздания — через науку и религию

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 одном из интервью вы сказали, что философия и физика элементарных частиц — взаимосвязанные вещи. Можете пояснить, Александр Абрамович, в чем же их связь?

— 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.

— Не самое очевидное чтение для студента МИФИ. И где же вы в советские годы доставали литературу по религиозной философии?

— 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.

— Почему же вы не пошли на исторический или на философский факультет?

— 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.

— Как вы познакомились?

— 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.

— Вы лично близко общались с отцом Александром?

— 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.

— Казалось бы, советская физика была полностью ориентирована на атеизм, и это, само собой, распространялось и на самих физиков. Однако известный академик Николай Боголюбов, к слову дважды Герой Социалистического Труда, утверждал, что в теоретической физике нерелигиозных людей фактически нет.

— 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


— В чем красота той части науки, которой вы занимаетесь?

— 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.

— В принципе это довольно древняя задача, правда, раньше ее пытались объяснить как раз в границах философских и религиозных систем.

— 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.

— Кеплер в XVI веке тоже пытался использовать многогранники, чтобы вывести гармоничное объяснение мира.

— 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


— Какие вопросы в физике элементарных частиц сегодня самые интересные?

— 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.

— А в чем их необычность?

— 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.

— Что это означает?

— 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».)

— В научно-популярной литературе утверждается, что сила, которая действует между кварками, составляет в человеческих единицах 14 тонн. Видимо, если бы они вылетали из ядра, получалась бы разрушительная кварковая бомба с энергией больше, чем при ядерном взрыве?

— 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.

— Почему таких поколений три? Больше для конструирования мира не требуется?

— 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.

— Вы также занимаетесь одной из самых популярных среди физиков концепций мира — теорией струн. Говорят, она разрешает массу вопросов, хотя ставит еще больше, чем разрешает.

— 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.

— Потому что в нее не укладывается гравитация?

— 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.

— Грубо говоря, до теории струн элементарные частицы считали точками, а теперь некой одномерной вибрирующей нитью-струной?

— 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.

— То есть в зависимости от того, как эта струна вибрирует или, утрируя, звучит, зависит тот тип частиц, который возникает?

— 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

Александр Белавин (слева) во время лекции

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Что там получается с гравитацией?

— 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.

— Многие физики, в том числе собеседник «Огонька» академик Валерий Рубаков (см. № 45, 2018 год), говорят, что гравитон никогда не удастся поймать, по одиночке их нельзя ни излучать, ни регистрировать. Вы согласны?

— Да, я думаю, что это так.

— Какие недостатки вы видите у теории струн?

— 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.

— Давайте поподробнее про эти шесть новых измерений. Где они находятся и почему мы их не ощущаем?

— 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.

— А можно ли эти шесть измерений развернуть? Как это будет выглядеть?

— 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


— Теория струн за 40 лет своего существования ни разу не была доказана экспериментально. Для значительной части научного мира это основание поставить на ней крест. Какие эксперименты могли бы подтвердить правильность теории?

— 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.

— Ну так как раз эти эксперименты на Большом адронном коллайдере провалились: никакой суперсимметрии до сих пор не обнаружили.

— 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.

— Вы сами считаете, что физически это возможно — проверить теорию струн?

— 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

Руководитель проекта Фонда перспективных исследований по разработке квантового компьютера Валерий Рязанов

Фото: Евгений Гурко / Коммерсантъ

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

Главный специалист по квантам в РФ родом из деревни Высокая Гора под Казанью.

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.



— Валерий Владимирович, ВЦИОМ выяснил, что 70% россиян не могут назвать ни одного достижения нашей науки за последние годы. То есть подавляющая часть населения ничего не знает про ваши прорывы на квантовом поприще. Обидно вам за российскую науку?

— 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


— Недавно на выступлении в МФТИ один ученый из Италии сказал: «В теоретической физике известен факт: если вы сталкиваетесь с проблемой, то ее, скорее всего, уже решили русские лет сорок назад». Можно ли такое сказать про квантовые технологии? Ведь большинство Нобелевских премий, которые получали наши физики, так или иначе связаны с квантовым направлением. Вы застали старую школу? И осталось ли от нее что-то сегодня?

— 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.

Как сверхпроводимость связана с квантовыми технологиями?

— 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».

— Видимо, по той же причине до сих пор не созданы сверхпроводники, работающие при комнатной температуре. Это же давняя мечта человечества…

— 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.

В итоге с момента открытия сверхпроводимости прошло больше века, но реально сверхпроводники научились применять только в МРТ, где используют сверхпроводящие магниты?

— 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

Валерий Рязанов окончил физический факультет Казанского университета

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— А насколько оправдан страх, что закончится гелий-3, которым охлаждают квантовые кубиты? На Земле он ведь почти не встречается, а добывать из трития — проблематично. Пишут, что у России и США есть некоторые его запасы, но они подходят к концу.

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

— Airbus, как известно, планирует создать бесшумный полностью электрический гражданский самолет со сверхпроводящим мотором к 2050 году. Это реально?

— 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.

— Говорят об использовании сверхпроводимости для размагничивания боевых кораблей. Такое реально?

— 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

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Каким образом ваш интерес к сверхпроводимости вылился в работу над квантовым компьютером?

— 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.

После получения Нобелевской премии он вообще занялся парапсихологией.

— 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.

Можно в паре слов объяснить, что это такое?

— 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.

В произведениях фантастов с помощью квантовых интерферометров можно читать мысли и записывать воспоминания на флешку. Вспомнилось об этом, когда недавно «Росатом» представил прибор для выявления центров желаний в мозге как раз на основе подобных технологий.

— 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.

В 80-е вы делали первые в стране джозефсоновские переходы, что они собой представляли?

— 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»

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

Фото: Евгений Гурко, Коммерсантъ

— Почему, кстати?

— 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.

— А как вы оказались мэром Черноголовки? Тоже патриотизм?

— 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.

— Вернемся к физике. Выходит, в 2016-м вам предстояло сделать квантовый кубит с нуля. И что удалось на настоящий момент?

— 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.

— Сколько нужно кубитов для полноценного квантового компьютера?

— 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 этом году IBM впервые в мире открыла коммерческий доступ через облачный сервис к квантовому компьютеру IBM Q, который находится в штаб-квартире компании в Нью-Йорке. Что он собой представляет? 

— 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


Создание технологии с нуля впечатляет, правда, вы сказали, что создание квантового компьютера затягивается. Также известно, что развитие обычных компьютеров тоже заходит в тупик: делать все более мощную технику трудно. Где же выход?

— 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.

Почему именно в этом направлении?

— 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.

В чем ее смысл, преимущества и недостатки?

— 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.

И кто занимается такой электроникой в мире?

— 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.

А в России?

— 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.

Вы не сказали о недостатках этой электроники, почему же она остается альтернативной?

— 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


Продолжение следует

обсуждение

Профиль пользователя