Sarežģītu sistēmu fizika
Nobela komiteja iekļāva šo zinātnes jomu praktiski nesaistītu
"Mēs esam uz bezdibeņa malas," nesen teicaANO ģenerālsekretārs Antonio Gutērress. - Vidējā temperatūra jau ir paaugstinājusies par 1,2 °C virs pirmsindustriālā laikmeta. Tas ir ļoti tuvu kritiskajam rādījumam 1,5 ° C. Šis gads būs izšķirošs. Ja mums neizdosies [klimata kontrole un pāreja uz zaļajām tehnoloģijām], mums draud lielas briesmas.
Tuvākajā laikā varam sagaidīt apjomu pieaugumupētnieciskais darbs komplekso sistēmu fizikas un klimata fizikas jomā. Galvenie atklājumi šajā jomā tika veikti pirms gadu desmitiem. Piemēram, 60. gados Shukuro Manabe izveidoja instrumentu kopumu klimata sistēmas modelēšanai, desmit gadus vēlāk Klauss Haselmans sasaistīja laikapstākļus un klimatu. Ar viņiem balvu varētu dalīt padomju fiziķis Andrejs Moņins, viens no ģeofizikālās hidrodinamikas pamatlicējiem, kas pavēra ceļu pētījumiem visā pasaulē.
Tagad Krievijā ir maz zinātnieku, kurinodarbojas ar klimata ziņā sarežģītu sistēmu modelēšanu un vienlaikus gūstot atzinību starptautiskā līmenī. Piemēram, Jevgeņija Volodina darbs no Skaitļošanas matemātikas institūta. Marchuk RAS pirms vairākiem gadiem kļuva par daļu no lielākā IPCC (Starpvaldību klimata pārmaiņu padomes) modeļa. Zinātnieku aprindās valda uzskats, ka tagad Krievijas pētījumi krietni atpaliek no Rietumu studijām, un valstī vienkārši nav speciālistu Nobela prēmijas laureātu līmenī. Iemesli ir nepietiekams finansējums un zināšanu samazināšanās.
Krievijā nav atsevišķas globālas institūcijas,kurš nodarbojas ar sarežģītu sistēmu fiziku. Bet ir reģionālas iniciatīvas - piemēram, izglītības un zinātnes centrs "Sarežģītu sistēmu fizika", kas tika atvērts 2009. gadā Kazaņā. Maģistra programma tiek īstenota pēc pieredzes apmaiņas principa ar Mehānikas un modernās materiālzinātnes problēmu institūtu ISMANS (Francija).
Klimata modeļi ir tikai viens no tiempraktiskās sfēras, kas plūc atklājumu augļus sarežģītu sistēmu fizikas jomā. Tā trešais Nobela prēmijas laureāts Džordžo Parisi saņēma balvu par matemātisko likumu atklāšanu, kas rodas sarežģītos (haotiskajos) materiālos, kas ļāva zinātniekiem aprakstīt daudz un dažādas parādības – ne tikai fizikā, bet arī matemātikā, bioloģijā, neirozinātnēs. un mašīnmācība. Turklāt viņa darbs bija ļoti noderīgs kvantu datora izveidē.
Kvantu fizika
Kvantu dators ir viens no jaudīgākajiempielietotie sasniegumi. Pēc visoptimistiskākajām aplēsēm, Krievijā tie parādīsies pēc dažiem gadiem, un pagaidām ir tikai dažāda veida kvantu procesoru prototipi. Tie ietver pirmo unikālo piecu kubitu shēmu kvantu skaitļošanai, kas izveidota MIPT laboratorijā.
2021. gadā parādījās arī 20 jonu platforma,alternatīva pieeja kvantu datora izveidei "Nacionālā kvantu laboratorija". Krievijai abi notikumi ir liels izrāviens, taču, neskatoties uz to, šī ir ievērojama nobīde pasaulē, kur jau darbojas pilnvērtīgs kvantu dators ar 27 kubitiem un 5000 kubitu D-Wave mašīna ierobežotiem aprēķiniem.
“Saskaņā ar Gartner prognozēm, kvanti kļūs par realitātilielākajai daļai jau 2023. gadā, nevis pēc 20 gadiem, kā tika uzskatīts iepriekš,” atzīmē Jeļena Zislina, JPMorgan Chase’s tehnoloģiju biznesa attīstības viceprezidente. — Pēc diviem gadiem pasaulē jau 20% uzņēmumu būs projekti kvantu skaitļošanas jomā. Salīdzinājumam, šodien tas ir tikai 1%..
Eksperimenti, lai izveidotu kvantu datorusKrievija prasa lielu naudu. Taču noteiktas pētniecības jomas bieži veic vairāki institūti. Starptautisku grupu sastāvā Krievijas zinātnieki ir piedalījušies vairākos svarīgos atklājumos. Piemēram, Skoltech pētniecības grupa ar IBM izgudroja kvantu slēdžus — tehnoloģiju, kas ievērojami samazina kvantu datora enerģijas patēriņu. Teorētiski tas ļaus izvairīties no dārgu dzesēšanas sistēmu izmantošanas, kas ievērojami sarežģī ierīces darbību.
Vēl vienam ir aptuveni tāda pati praktiskā nozīme.atklājumi - Krievijas Kvantu centra darbinieki ar kolēģiem no Maskavas Valsts universitātes un Kazaņas Federālās universitātes. Pirmo reizi vēsturē viņi istabas temperatūrā ieguva supravadītspējas un superfluiditātes kvantu parādības. Tas ir bijis pētnieku sapnis visā pasaulē gadu desmitiem.
Ir arī daudzi atklājumi, kas izdarītistarptautisko grupu skaņdarbi. Piemēram, Cietvielu fizikas institūta zinātnieki. Osipjans un Skoltech kopā ar kolēģiem no Prinstonas (ASV) un Valtera Šotkija institūta (Vācija) ierosināja oriģinālu metodi sarežģītu kvantu stāvokļu noteikšanai – Majoranas režīmus. Zinātnieki jau ilgu laiku ir mēģinājuši atklāt šīs daļiņas, taču tas ir ārkārtīgi grūti: tām nav lādiņa un nav griešanās. Atklājuma potenciālais ieguvums slēpjas unikālu īpašību izmantošanā, veidojot jaunas paaudzes kvantu datoru (lielāks skaitļošanas ātrums, mazāka vides traucējumu ietekme).
Spēcīga zinātniskā skola veidojas tur, kur irnepārtrauktība. 2021. gada oktobrī MIPT parādījās pētniecības vienība, kuras zinātniskais vadītājs būs Andrejs Geims, slavenais fiziķis un MIPT absolvents, kurš kopā ar Konstantīnu Novoselovu saņēma Nobela prēmiju par grafēna atklāšanu. Laboratorija koncentrēsies uz mezofiziku vai kvantu mehānisko parādību izpausmēm makroskopiskos mērogos. Atklājumiem šajā jomā var būt liela praktiska nozīme mikroelektronikas attīstībā.
Materiālu fizika
Iesaistīšanās Krievijas zinātniskajos projektosNobela prēmijas laureāti ir nozīmīgs stratēģisks solis ceļā uz jauno zinātnieku piesaistes centra izveidi, kurā koncentrētos valsts intelektuālais potenciāls. To šobrīd dara MIPT. Viens no mūsu laika visvairāk citētajiem fiziķiem, Mančestras universitātes profesors, nobelists Konstantīns Novoselovs vadīja Fizikas katedru, koncentrējoties uz eksperimentiem ar divdimensiju viedmateriāliem. Šī ir ļoti daudzsološa joma ar lielu potenciālu mikroelektronikas un tehnoloģiju jomā. Paredzams, ka šādus materiālus varēs izmantot par pamatu neiromorfiem datoriem.
Nodarbojas arī ar nanomateriāliem KrievijāKurčatova institūts. Nesen fiziķi ir sintezējuši principiāli jaunu plānās vielas klasi - submonoslāņa magnētiskās plēves. Tie ir viena atoma biezi, bet ļoti izlādējušies. Šie ir plānākie mākslīgie magnēti, kas jebkad radīti laboratorijā. Šis atklājums var būt saistīts ar impulsu spintronikas attīstībai (sistēmai, kas izmanto spinu kā informācijas nesēju kvantu skaitļošanā). Pētnieciskā darba procesā Kurčatova institūta fiziķi sadarbojās ar Eiropas Sinhrotronu pētniecības centru, kur ir unikāls paātrinātājs, kas ļauj pētīt nanomateriāla īpašības. Tas mūs ļoti tuvina runām par akseleratora fizikas stāvokli Krievijā.
Kodolenerģijas un paātrinātāju fizika
2021. gada sākumā Krievija uzsāka divusmegainstalācijas: pasaulē jaudīgākais augstas plūsmas neitronu pētniecības neitronu reaktors PIK un termokodolreaktors T-15MD (pazīstams arī kā Tokamak). Ar tās palīdzību Krievijas zinātnieki vēlas veikt atklājumus, kas dos iespēju radīt tehnoloģijas divkomponentu kodolenerģijai. Kurčatova institūtā tos sauc arī par "dabai līdzīgiem", tas ir, noslēgtiem sevī un dabiski iekļautiem vides resursu apritē.
Pie tā strādā arī Kurčatova institūta zinātniekiuz termoelektriskiem materiāliem balstītu mazjaudas atomelektrostaciju izveide, kurām praktiski nav nepieciešama apkope. Objekta prototips, ko var saukt par kompaktu atomakumulatoru, darbojas jau vairākus gadu desmitus. Varbūt tieši krievu fiziķi paver ceļu tādu tehnoloģiju radīšanai, kas var nodrošināt cilvēka dzīvību uz citām planētām.
Neskatoties uz vairāku instalāciju klātbūtni valstīpasaules līmeņa jaunus paātrinātājus un reaktorus būvē retāk, nekā padomju mantojums neizdodas. Tā ir nopietna problēma – galu galā lielākā daļa atklājumu daļiņu fizikā un kodolfizikā rodas eksperimentu laikā ar šādām iekārtām.
“Pēdējo 30 gadu laikā ir bijusi tendence uzKrievijas Federācijas pētniecības centros veiktā darba īpatsvara samazināšana. Tas ir saistīts ar modernas eksperimentālās bāzes trūkumu valstī. Uz vispārējā, es teiktu, depresīvā fundamentālās zinātnes stāvokļa fona valstī ir palēninājusies lielu zinātnisko akseleratoru instalāciju veidošana. Tas ir novedis pie tā, ka ir bijusi ievērojama nobīde vietējo akseleratoru tehnoloģiju attīstībā vairākās svarīgās jomās, piemēram, kodolmedicīnā, materiālu zinātnē, pusvadītāju rūpniecībā, kas tagad ir atkarīgas no ārvalstu piegādātājiem,” sacīja akadēmiķis Boriss. Šarkovs nesenajā Krievijas Zinātņu akadēmijas sanāksmē.
Situācijas pozitīvā puse ir tāda, ka līmeniseksperimentālo bāzi var paaugstināt, un nākamajos gados. 2022. gadā tiks pabeigts un palaists NICA koliders Dubnā. Sarovā tiek veidots Nacionālais fizikas un matemātikas centrs, kur parādīsies vēl viens sadursmes iekārta - Super c-tau rūpnīca. Iespējams, tieši ar tās palīdzību Krievijas zinātnieki pēta procesus un parādības, kas pārsniedz "standarta modeli". Bet viņi var tikt tiem priekšā: pasaulē katru dienu tiek veikti eksperimenti akseleratora iekārtās, un zinātnieki ir ļoti tuvu atklājumiem, kas liks pamatus "jaunajai fizikai".
Tikmēr krievu teorētiskajiem fiziķiem tas ir jādaraburtiski pārliecinot CERN veikt eksperimentus. Lai to izdarītu, jums ir jāpārliecina viņi par atklājuma iespējamo lietderību. Tagad to panācis Dmitrijs Karlovecs, kurš matemātiski pierādīja neparastā "vērpšanas" stāvokļa un viļņu īpašību saglabāšanos daļiņās lielā ātrumā. Iepriekš pētnieki pētīja šīs kvantu īpašības tikai ar mērenu enerģiju. Tas, vai šeit ir kāds praktisks labums, ir liels jautājums, taču ne visi fizikas vēstures izrāvienu eksperimenti to izvirzīja par savu mērķi. Izziņa vienmēr ir bijusi galvenais.
Lasīt vairāk
Habls nofotografēja to pašu aktīvo galaktiku ar 20 gadu starpību
Astronomi stāstīja, kur un kā Visumā veidojas zelts un platīns
Klausieties Marsa skaņas, ko ierakstījusi neatlaidības misija