Monimutkaisten järjestelmien fysiikka
Nobel-komitea sisällytti tähän tieteenalaan käytännössä liittymättömästi
"Olemme kuilun reunalla", sanoi hiljattainYK:n pääsihteeri António Guterres. - Keskilämpötila on noussut jo 1,2 astetta esiteollisen ajan yläpuolelle. Tämä on hyvin lähellä kriittistä lukemaa 1,5 °C. Tämä vuosi tulee olemaan ratkaiseva. Jos epäonnistumme [ilmastonhallinnassa ja siirtymisessä vihreisiin teknologioihin], olemme suuressa vaarassa."
Lähitulevaisuudessa voimme odottaa volyymien kasvuatutkimustyötä monimutkaisten järjestelmien fysiikan ja ilmaston fysiikan alalla. Tärkeimmät löydöt tällä alueella tehtiin vuosikymmeniä sitten. Esimerkiksi Shukuro Manabe loi 60-luvulla työkalupakin ilmastojärjestelmän mallintamiseen, kymmenen vuotta myöhemmin Klaus Hasselman yhdisti sään ja ilmaston. Palkinnon voisi jakaa heidän kanssaan Neuvostoliiton fyysikko Andrei Monin, yksi geofysikaalisen hydrodynamiikan perustajista, joka tasoitti tietä tutkimukselle ympäri maailmaa.
Nyt Venäjällä on vähän tutkijoita, jotkaharjoittavat ilmaston kannalta monimutkaisten järjestelmien mallintamista ja samalla kansainvälistä tunnustusta. Esimerkiksi Evgeny Volodinin työ Laskennallisen matematiikan instituutista. Marchuk RAS tuli osa suurempaa IPCC-mallia (Intergovernmental Panel on Climate Change) useita vuosia sitten. Tiedeyhteisössä on mielipide, että nyt venäläinen tutkimus on kaukana länsimaisista teoksista, ja maassa ei yksinkertaisesti ole asiantuntijoita Nobel-palkittujen tasolla. Syynä on alirahoitus ja osaamisen heikkeneminen.
Venäjällä ei ole erillistä globaalia instituutiota,joka käsittelee monimutkaisten järjestelmien fysiikkaa. Mutta on alueellisia aloitteita - esimerkiksi "Monimutkaisten järjestelmien fysiikka" koulutus- ja tiedekeskus, joka avattiin vuonna 2009 Kazanissa. Maisteriohjelma toteutetaan kokemustenvaihdon periaatteen mukaisesti Mekaniikan ja modernin materiaalitieteen instituutin ISMANSin (Ranska) kanssa.
Ilmastomallit ovat vain yksi niistäKäytännön aloilla, mikä niittää löytöjen hedelmiä monimutkaisten järjestelmien fysiikan alalla. Joten kolmas Nobel-palkinnon voittaja Giorgio Parisi sai palkinnon matemaattisten mallien löytämisestä, jotka syntyvät monimutkaisissa (kaoottisissa) materiaaleissa, mikä antoi tutkijoille mahdollisuuden kuvata monia erilaisia ilmiöitä - ei vain fysiikassa, vaan myös matematiikassa, biologiassa, neurotieteessä, ja koneoppimista. Lisäksi hänen työstään oli paljon apua kvanttitietokoneen luomisessa.
Kvanttifysiikka
Kvanttitietokone on yksi tehokkaimmistasovelletut saavutukset. Optimistimpien arvioiden mukaan ne ilmestyvät Venäjälle muutaman vuoden kuluttua, ja toistaiseksi on olemassa vain prototyyppejä erityyppisistä kvanttiprosessoreista. Näihin kuuluu ensimmäinen ainutlaatuinen viiden qubitin järjestelmä kvanttilaskentaan, joka on luotu MIPT-laboratoriossa.
20-ionin alusta ilmestyi myös vuonna 2021,vaihtoehtoinen lähestymistapa kvanttitietokoneen rakentamiseen, National Quantum Laboratory. Venäjälle molemmat tapahtumat ovat suuri läpimurto, mutta siitä huolimatta tämä on merkittävä viive maailmassa, jossa on jo täysimittainen kvanttitietokone, jossa on 27 qubit ja 5000 qubit D-Wave -kone rajoitettuun laskentaan.
"Gartnerin mukaan kvanteista tulee todellisuuttasuurimmalle osalle jo vuonna 2023, eikä 20 vuoden kuluttua, kuten aiemmin luultiin”, toteaa Elena Zislin, JPMorgan Chasen teknologialiiketoiminnan kehitysjohtaja. — Kahden vuoden kuluttua 20 prosentilla maailman yrityksistä on jo projekteja kvanttilaskennan alalla. Vertailun vuoksi, tänään se on vain 1 %.”.
Kokeet kvanttitietokoneiden rakentamiseksiVenäjä vaatii paljon rahaa. Mutta tiettyjä tutkimusalueita tekevät usein useat laitokset. Venäläiset tiedemiehet ovat osana kansainvälisiä ryhmiä osallistuneet useisiin tärkeisiin löytöihin. Esimerkiksi Skoltech-tutkimusryhmä IBM:n kanssa keksi kvanttikytkimet, teknologian, joka moninkertaistaa kvanttitietokoneen energiankulutuksen. Teoriassa tämä mahdollistaa kalliiden jäähdytysjärjestelmien käytön välttämisen, mikä vaikeuttaa suuresti laitteen toimintaa.
Toisella on suunnilleen sama käytännön merkitys.löydöt - Venäjän kvanttikeskuksen työntekijät Moskovan valtionyliopiston ja Kazanin liittovaltion yliopiston kollegoiden kanssa. Ensimmäistä kertaa historiassa he saivat suprajohtavuuden ja superfluiditeetin kvanttiilmiöitä huoneenlämpötilassa. Tämä on ollut tutkijoiden unelma ympäri maailmaa vuosikymmeniä.
Siellä on myös tehty monia löytöjäkansainvälisten ryhmien kokoonpanot. Esimerkiksi tiedemiehet Solid State Physicsin instituutista. Osipyan ja Skoltech yhdessä Princetonin (USA) ja Walter Schottky Instituten (Saksa) kollegoiden kanssa ehdottivat alkuperäistä menetelmää monimutkaisten kvanttitilojen havaitsemiseksi - Majorana-moodit. Tiedemiehet ovat yrittäneet havaita näitä hiukkasia pitkään, mutta se on erittäin vaikeaa: niissä ei ole varausta eikä pyörimistä. Löydön mahdollinen hyöty on ainutlaatuisten ominaisuuksien hyödyntäminen uuden sukupolven kvanttitietokonetta luotaessa (laskentanopeus on suurempi, ympäristöhäiriöiden vaikutus pienempi).
Vahva tieteellinen koulu kehittyy siellä, missä onjatkuvuus. Lokakuussa 2021 MIPT:iin ilmestyi tutkimusyksikkö, jonka tieteellisenä johtajana toimii Andrei Geim, kuuluisa fyysikko ja MIPT-tutkinnon suorittanut, joka sai Nobel-palkinnon grafeenin löydöstä yhdessä Konstantin Novoselovin kanssa. Laboratorio käsittelee mesofysiikkaa - tai kvanttimekaanisten ilmiöiden ilmentymistä makroskooppisissa mittakaavassa. Tämän alan löydöillä voi olla suuri käytännön merkitys mikroelektroniikan kehitykselle.
Materiaalien fysiikka
Osallistuminen Venäjän tieteellisiin hankkeisiinNobel-palkitut on tärkeä strateginen askel kohti nuorten tutkijoiden vetovoimakeskuksen luomista, jossa maan henkinen potentiaali keskittyisi. Tätä MIPT tekee nyt. Yksi aikamme siteeratuimmista fyysikoista, Manchesterin yliopiston professori, nobelisti Konstantin Novoselov johti fysiikan laitosta, keskittyi kokeisiin kaksiulotteisilla älykkäillä materiaaleilla. Tämä on erittäin lupaava alue, jolla on suuri potentiaalinen vaikutus mikroelektroniikkaan ja teknologiaan. On odotettavissa, että tällaisia materiaaleja voidaan käyttää neuromorfisten tietokoneiden perustana.
Harrastaa myös nanomateriaaleja VenäjälläKurchatov-instituutti. Äskettäin fyysikot ovat syntetisoineet täysin uuden ohuen aineen luokan - yksikerroksiset magneettikalvot. Ne ovat yhden atomin paksuisia, mutta ne ovat erittäin purkautuneita. Nämä ovat ohuimpia keinotekoisia magneetteja, jotka on koskaan tehty laboratoriossa. Tämä löytö voi liittyä vauhtiin spintroniikan kehityksessä (järjestelmä, joka käyttää spiniä tiedon kantajana kvanttilaskennassa). Tutkimusprosessissa Kurchatov-instituutin fyysikot tekivät yhteistyötä Euroopan synkrotronitutkimuskeskuksen kanssa, jossa on ainutlaatuinen kiihdytinlaitteisto, jonka avulla voidaan tutkia nanomateriaalin ominaisuuksia. Tämä vie meidät hyvin lähelle puhumista kiihdytinfysiikan tilasta Venäjällä.
Ydin- ja kiihdytinfysiikka
Vuoden 2021 alussa Venäjä käynnisti kaksimega-asennukset: maailman tehokkain korkean vuon tutkimusneutronireaktori PIK ja T-15MD-fuusioreaktori (tunnetaan myös nimellä Tokamak). Sen avulla venäläiset tutkijat haluavat tehdä löytöjä, joiden avulla on mahdollista luoda teknologioita kaksikomponenttiselle ydinvoimalle. Kurchatov-instituutissa niitä kutsutaan myös "luonnollisiksi", toisin sanoen sulkeutuneiksi ja luonnollisesti ympäristön resurssikiertoon.
Myös Kurchatov-instituutin tutkijat työskentelevätlämpösähköisiin materiaaleihin perustuvien pienitehoisten ydinvoimaloiden luominen, joita ei käytännössä tarvitse huoltaa. Laitoksen prototyyppi, jota voidaan kutsua kompaktiksi atomiakuksi, on ollut toiminnassa useita vuosikymmeniä. Ehkä venäläiset fyysikot tasoittavat tietä sellaisten teknologioiden luomiselle, jotka voivat varmistaa ihmiselämän muilla planeetoilla.
Huolimatta siitä, että maassa on useita asennuksiamaailmanluokan uusia kiihdyttimiä ja reaktoreita rakennetaan harvemmin kuin Neuvostoliiton perintö epäonnistuu. Tämä on vakava ongelma - loppujen lopuksi suurin osa hiukkasfysiikan ja ydinfysiikan löydöistä tapahtuu tällaisissa laitoksissa tehtyjen kokeiden aikana.
"Viimeisen 30 vuoden aikana on ollut suuntaus kohtiVenäjän federaation tutkimuskeskuksissa tehtävän työn osuuden vähentäminen. Tämä johtuu nykyaikaisen kokeellisen tukikohdan puutteesta maassa. Maan yleisen, sanoisin, masentavan perustieteen tilan taustalla suurten tieteellisten kiihdytinlaitteistojen luominen on hidastunut. Tämä on johtanut siihen, että kotimaisten kiihdytinteknologioiden kehityksessä on ollut merkittävää viivettä useilla tärkeillä aloilla, kuten ydinlääketiede, materiaalitiede, puolijohdeteollisuus, jotka ovat nyt riippuvaisia ulkomaisista toimittajista", akateemikko Boris Sharkov sanoi. Venäjän tiedeakatemian äskettäisessä kokouksessa.
Tilanteen positiivinen puoli on, että tasokoepohjaa voidaan kasvattaa ja tulevina vuosina. Vuonna 2022 NICA-törmäyskone valmistuu ja käynnistetään Dubnassa. Kansallinen fysiikan ja matematiikan keskus perustetaan Saroviin, jonne ilmestyy toinen törmäyskone, Super c-tau -tehdas. Ehkä sen avulla venäläiset tiedemiehet tutkivat prosesseja ja ilmiöitä, jotka ylittävät "standardimallin". Mutta he voivat päästä niiden edellä: maailmassa tehdään kokeita kiihdytinasennuksilla päivittäin, ja tutkijat ovat hyvin lähellä löytöjä, jotka luovat perustan "uudelle fysiikalle".
Sillä välin venäläisten teoreettisten fyysikkojen on pakkokirjaimellisesti suostutella CERNiä tekemään kokeita. Tätä varten sinun on vakuutettava heidät löydön mahdollisesta hyödyllisyydestä. Nyt tämän saavuttaa Dmitri Karlovets, joka matemaattisesti todisti epätavallisen "kiertymisen" tilan ja aallon ominaisuuksien säilymisen hiukkasissa suurilla nopeuksilla. Aiemmin tutkijat tutkivat näitä kvanttiominaisuuksia vain kohtuullisilla energioilla. Onko tästä käytännön hyötyä, on iso kysymys, mutta kaikki fysiikan historian läpimurtokokeet eivät aseta sitä tavoitteekseen. Tietoisuus on aina ollut pääasia.
Lue lisää
Hubble otti kuvan samasta aktiivisesta galaksista 20 vuoden välein
Tähtitieteilijät kertoivat, missä ja miten kulta ja platina muodostuvat maailmankaikkeudessa
Kuule Perseverance -tehtävän nauhoittamat Marsin äänet