Fyzika složitých systémů
Nobelova komise zahrnovala tuto oblast vědy prakticky nesouvisející
"Jsme na okraji propasti," řekl nedávnoGenerální tajemník OSN António Guterres. - Průměrná teplota již stoupla o 1,2 °C nad teplotu předindustriální éry. To je velmi blízko kritické hodnotě 1,5 °C. Tento rok bude rozhodující. Pokud selžeme [v řízení klimatu a přechodu na zelené technologie], budeme ve velkém nebezpečí."
V blízké budoucnosti lze očekávat nárůst objemůvýzkumná práce v oblasti fyziky komplexních systémů a fyziky klimatu. Hlavní objevy v této oblasti byly učiněny před desítkami let. Například v 60. letech Shukuro Manabe vytvořil sadu nástrojů pro modelování klimatického systému, o deset let později Klaus Hasselman propojil počasí a klima. O cenu se s nimi mohl podělit sovětský fyzik Andrej Monin, jeden ze zakladatelů geofyzikální hydrodynamiky, která otevřela cestu výzkumu po celém světě.
Nyní je v Rusku málo vědců, kteříse zabývají modelováním složitých systémů z hlediska klimatu a zároveň získávají mezinárodní uznání. Například práce Evgeny Volodina z Ústavu výpočetní matematiky. Marchuk RAS se před několika lety stal součástí většího modelu IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Ve vědecké komunitě existuje názor, že nyní ruský výzkum výrazně zaostává za západními studiemi a v zemi prostě nejsou žádní specialisté na úrovni laureátů Nobelovy ceny. Důvody jsou podfinancování a úpadek odbornosti.
V Rusku neexistuje žádná samostatná globální instituce,který se zabývá fyzikou složitých systémů. Existují ale regionální iniciativy – například vzdělávací a vědecké centrum „Fyzika komplexních systémů“, otevřené v roce 2009 v Kazani. Magisterský program je realizován podle principu výměny zkušeností s Institutem pro problémy mechaniky a moderní materiálové vědy ISMANS (Francie).
Klimatické modely jsou jen jedním z nichpraktických sfér, která sklízí plody objevů v oblasti fyziky složitých systémů. Třetí nositel Nobelovy ceny Giorgio Parisi tedy obdržel cenu za objev matematických zákonů, které vznikají ve složitých (chaotických) materiálech, což vědcům umožnilo popsat mnoho různých jevů - nejen ve fyzice, ale také v matematice, biologii, neurovědě, a strojové učení. Jeho práce byla navíc velmi nápomocná při vytváření kvantového počítače.
Kvantová fyzika
Kvantový počítač je jedním z nejvýkonnějšíchaplikované úspěchy. Podle nejoptimističtějších odhadů se za pár let objeví v Rusku a zatím existují jen prototypy různých typů kvantových procesorů. Patří mezi ně první unikátní pěti-qubitové schéma pro kvantové výpočty, vytvořené v laboratoři MIPT.
V roce 2021 se také objevila 20-iontová platforma,alternativní přístup k vytvoření kvantového počítače, "National Quantum Laboratory". Pro Rusko jsou obě akce velkým průlomem, ale přesto jde o výrazné zpoždění ve světě, kde již existuje plnohodnotný kvantový počítač s 27 qubity a funguje 5000qubitový D-Wave stroj pro omezené výpočty.
„Podle Gartneru se kvanta stanou realitoupro většinu už v roce 2023, a ne za 20 let, jak se dříve myslelo,“ poznamenává Elena Zislin, viceprezidentka pro technologický rozvoj podnikání JPMorgan Chase. — Za dva roky bude mít 20 % společností na světě již projekty v oblasti kvantových počítačů. Pro srovnání, dnes je to jen 1 %..
Experimenty s vybudováním kvantových počítačůRusko požaduje hodně peněz. Některé oblasti výzkumu však často provádí několik ústavů. V rámci mezinárodních týmů se ruští vědci podíleli na několika důležitých objevech. Například výzkumná skupina Skoltech s IBM vynalezla kvantové spínače, technologii, která znásobuje spotřebu energie kvantového počítače. Teoreticky to umožní vyhnout se použití drahých chladicích systémů, které značně komplikují provoz zařízení.
Další má přibližně stejný praktický význam.objevy - pracovníci ruského kvantového centra s kolegy z Moskevské státní univerzity a Kazaňské federální univerzity. Poprvé v historii získali kvantové jevy supravodivosti a supratekutosti při pokojové teplotě. To byl sen výzkumníků po celém světě po celá desetiletí.
Existuje také mnoho objevůsložení mezinárodních skupin. Například vědci z Ústavu fyziky pevných látek. Osipyan a Skoltech spolu s kolegy z Princetonu (USA) a Walter Schottky Institute (Německo) navrhli originální metodu pro detekci komplexních kvantových stavů – módy Majorana. Vědci se pokoušeli detekovat tyto částice již dlouhou dobu, ale je to extrémně obtížné: nemají žádný náboj a rotaci. Potenciální přínos objevu spočívá ve využití unikátních vlastností při vytváření kvantového počítače nové generace (rychlost výpočtu je vyšší, vliv rušení prostředí menší).
Silná vědecká škola se rozvíjí tam, kde jekontinuita. V říjnu 2021 se na MIPT objevila výzkumná jednotka, kde bude vědeckým ředitelem Andrei Geim, slavný fyzik a absolvent MIPT, který spolu s Konstantinem Novoselovem obdržel Nobelovu cenu za objev grafenu. Laboratoř se bude zabývat mezofyzikou neboli projevem kvantově mechanických jevů v makroskopických měřítcích. Objevy v této oblasti mohou mít velký praktický význam pro rozvoj mikroelektroniky.
Fyzika materiálů
Zapojení do ruských vědeckých projektůLaureáti Nobelovy ceny jsou důležitým strategickým krokem k vytvoření centra přitažlivosti pro mladé vědce, kde by se soustředil intelektuální potenciál země. To je to, co MIPT nyní dělá. Jeden z nejcitovanějších fyziků současnosti, profesor na univerzitě v Manchesteru, nositel Nobelovy ceny za cenu Konstantin Novoselov vedl katedru Phystech, zaměřenou na experimenty s dvourozměrnými inteligentními materiály. Jedná se o velmi perspektivní oblast s velkým potenciálním efektem pro mikroelektroniku a technologie. Očekává se, že takové materiály mohou být použity jako základ pro neuromorfní počítače.
Také se zabývá nanomateriály v RuskuKurchatovův institut. Nedávno fyzici syntetizovali zásadně novou třídu tenké hmoty - submonovrstvé magnetické filmy. Jsou tlusté jeden atom, ale jsou vysoce vybité. Jedná se o nejtenčí umělé magnety, jaké kdy byly v laboratoři vytvořeny. Tento objev může být spojen s impulsem ve vývoji spintroniky (systému, který využívá spin jako nositele informace v kvantových výpočtech). V procesu výzkumných prací spolupracovali fyzici Kurchatovova institutu s Evropským centrem pro výzkum synchrotronů, kde se nachází unikátní urychlovací zařízení, které umožňuje studovat vlastnosti nanomateriálu. To nás velmi přibližuje k rozhovoru o stavu fyziky urychlovačů v Rusku.
Jaderná a urychlovací fyzika
Na začátku roku 2021 Rusko spustilo dvamegainstalace: nejvýkonnější výzkumný neutronový reaktor s vysokým tokem na světě PIK a termonukleární reaktor T-15MD (také známý jako Tokamak). S její pomocí chtějí ruští vědci učinit objevy, které umožní vytvořit technologie pro dvousložkovou jadernou energetiku. V Kurchatovově institutu se jim také říká „přírodně podobné“, tedy uzavřené do sebe a přirozeně zabudované do koloběhu zdrojů prostředí.
Pracují také vědci z Kurchatovova institutuvytvoření nízkoenergetických jaderných elektráren na bázi termoelektrických materiálů, které prakticky nevyžadují údržbu. Prototyp zařízení, které lze nazvat kompaktní atomovou baterií, je v provozu několik desetiletí. Možná právě ruští fyzici razí cestu k vytvoření technologií, které mohou zajistit lidský život na jiných planetách.
Navzdory přítomnosti několika instalací v zeminové urychlovače a reaktory světové třídy se staví méně často, než sovětské dědictví selže. To je vážný problém – koneckonců k většině objevů v částicové fyzice a jaderné fyzice dochází při experimentech na takových zařízeních.
„Za posledních 30 let došlo k trendusnížení podílu práce vykonávané ve výzkumných centrech Ruské federace. Důvodem je nedostatek moderní experimentální základny v zemi. Na pozadí obecného, řekl bych, depresivního stavu fundamentální vědy v zemi, se tvorba velkých vědeckých urychlovacích instalací zpomalila. To vedlo k tomu, že došlo k výraznému zpoždění ve vývoji domácích urychlovacích technologií v řadě důležitých oblastí, jako je nukleární medicína, materiálová věda, polovodičový průmysl, které jsou nyní závislé na zahraničních dodavatelích, “- řekl akademik Boris Sharkov na nedávném zasedání Ruské akademie věd.
Pozitivní stránkou situace je, že úroveňexperimentální základna může být zvýšena a v příštích letech. V roce 2022 bude dokončen a spuštěn urychlovač NICA v Dubně. V Sarově vzniká Národní centrum fyziky a matematiky, kde se objeví další urychlovač, Super c-tau Factory. Možná právě s jeho pomocí ruští vědci studují procesy a jevy, které přesahují „standardní model“. Ale mohou je předběhnout: ve světě se každý den experimentuje v instalacích urychlovačů a vědci jsou velmi blízko objevům, které položí základy „nové fyziky“.
Mezitím musí ruští teoretičtí fyzicidoslova přesvědčování CERN k provádění experimentů. Chcete-li to provést, musíte je přesvědčit o potenciální užitečnosti objevu. Nyní toho dosáhl Dmitrij Karlovets, který matematicky dokázal zachování neobvyklého stavu „kroucení“ a vlastností vlny v částicích při vysokých rychlostech. Dříve výzkumníci studovali tyto kvantové vlastnosti pouze při středních energiích. Zda to má nějaký praktický přínos, je velká otázka, ale ne všechny průlomové experimenty v historii fyziky si to kladou za cíl. Poznání bylo vždy to hlavní.
Přečtěte si více
Hubble pořídil fotografii stejné aktivní galaxie s odstupem 20 let
Astronomové řekli, kde a jak se ve vesmíru tvoří zlato a platina
Poslechněte si zvuky Marsu zaznamenané misí Vytrvalost