Fysica van complexe systemen
Het Nobelcomité heeft dit wetenschapsgebied vrijwel los van elkaar opgenomen
"We staan op de rand van een afgrond", zegt de...VN-secretaris-generaal António Guterres. “De gemiddelde temperatuur is al 1,2°C hoger dan in het pre-industriële tijdperk. Dit ligt zeer dicht bij de kritische 1,5°C. Dit jaar zal beslissend zijn. Als we falen [in klimaatbeheersing en overgang naar groene technologieën], lopen we groot gevaar."
We kunnen in de nabije toekomst een toename van de volumes verwachtenonderzoekswerk op het gebied van fysica van complexe systemen en klimaatfysica. De belangrijkste ontdekkingen in dit gebied werden tientallen jaren geleden gedaan. In de jaren zestig creëerde Shukuro Manabe bijvoorbeeld een toolkit voor het modelleren van het klimaatsysteem; tien jaar later koppelde Klaus Hasselmann weer en klimaat aan elkaar. De prijs zou met hen kunnen worden gedeeld door de Sovjet-fysicus Andrey Monin, een van de grondleggers van de geofysische hydrodynamica, die de weg vrijmaakte voor onderzoek over de hele wereld.
Nu zijn er in Rusland maar weinig wetenschappers die...houden zich bezig met het modelleren van complexe systemen in termen van klimaat en krijgen tegelijkertijd erkenning op internationaal niveau. Bijvoorbeeld het werk van Evgeny Volodin van het Institute of Computational Mathematics. Marchuk RAS werd een paar jaar geleden onderdeel van het grotere IPCC-model (Intergovernmental Panel on Climate Change). Er is een mening in de wetenschappelijke gemeenschap dat het Russische onderzoek nu ver achterloopt op het westerse werk, en er zijn gewoon geen specialisten op het niveau van Nobelprijswinnaars in het land. Redenen zijn onderfinanciering en afnemende expertise.
Er is geen aparte mondiale instelling in Rusland,omgaan met de fysica van complexe systemen. Maar er zijn regionale initiatieven - bijvoorbeeld het educatieve en wetenschappelijke centrum "Physics of Complex Systems", geopend in 2009 in Kazan. Het masterprogramma wordt uitgevoerd volgens het principe van uitwisseling van ervaringen met het Instituut voor problemen in de mechanica en moderne materiaalkunde ISMANS (Frankrijk).
Klimaatmodellen zijn er slechts één vanpraktijkgebieden, die de vruchten plukt van ontdekkingen op het gebied van de fysica van complexe systemen. Dus de derde Nobelprijswinnaar Giorgio Parisi ontving een prijs voor de ontdekking van wiskundige patronen die ontstaan in complexe (chaotische) materialen, waardoor wetenschappers veel verschillende fenomenen konden beschrijven - niet alleen in de natuurkunde, maar ook in de wiskunde, biologie, neurowetenschappen, machine aan het leren. Bovendien was zijn werk erg nuttig bij het maken van een kwantumcomputer.
De kwantumfysica
De kwantumcomputer is een van de krachtigstetoegepaste prestaties. Volgens de meest optimistische schattingen zullen ze over een paar jaar in Rusland verschijnen, maar voorlopig zijn er alleen prototypen van verschillende soorten kwantumprocessors. Deze omvatten het eerste unieke circuit van vijf qubits voor kwantumcomputing, gemaakt in het MIPT-laboratorium.
2021 zag ook de komst van het 20-ion-platform,een alternatieve benadering voor het bouwen van een kwantumcomputer, het "National Quantum Laboratory". Voor Rusland zijn beide evenementen een grote doorbraak, maar nog steeds een aanzienlijke vertraging in een wereld waar er al een volwaardige 27-qubit kwantumcomputer en een 5000-qubit D-Wave-machine voor beperkte computergebruik is.
“Volgens Gartner zullen kwantitatieve gegevens werkelijkheid wordenvoor het merendeel al in 2023, en niet over twintig jaar, zoals eerder werd gedacht”, merkt Elena Zislin op, vice-president van JPMorgan Chase’s Technology Business Development. — Over twee jaar zal 20% van de bedrijven in de wereld al projecten hebben op het gebied van quantum computing. Ter vergelijking: vandaag is dat nog maar 1%.”.
Experimenten om kwantumcomputers te maken inRusland heeft veel geld nodig. Afzonderlijke onderzoeksgebieden worden echter vaak door meerdere instituten uitgevoerd. Als onderdeel van internationale groepen hadden Russische wetenschappers de hand in verschillende belangrijke ontdekkingen. Zo heeft een Skoltech-onderzoeksgroep met IBM quantumswitches uitgevonden, een technologie die het stroomverbruik van een quantumcomputer drastisch vermindert. Theoretisch zal dit het mogelijk maken om geen dure koelsystemen te gebruiken, wat de werking van het apparaat enorm bemoeilijkt.
Ongeveer dezelfde praktische betekenis voor een anderontdekkingen - medewerkers van het Russische Quantum Center met collega's van de Staatsuniversiteit van Moskou en de Federale Universiteit van Kazan. Voor het eerst in de geschiedenis verkregen ze de kwantumverschijnselen van supergeleiding en superfluïditeit bij kamertemperatuur. Het is al decennia de droom van onderzoekers over de hele wereld.
Er zijn ook veel ontdekkingen gedaan inleden van internationale groepen. Bijvoorbeeld, wetenschappers van het Institute of Solid State Physics vernoemd naar Osipyan en Skoltech hebben samen met collega's van Princeton (VS) en het Walter Schottky Institute (Duitsland) een originele methode voorgesteld voor het detecteren van complexe kwantumtoestanden - Majorana-modi. Wetenschappers proberen deze deeltjes al heel lang te detecteren, maar het is buitengewoon moeilijk: ze hebben geen lading en geen spin. Het potentiële voordeel van de ontdekking ligt in het gebruik van unieke eigenschappen bij het maken van een nieuwe generatie kwantumcomputer (de snelheid van berekeningen is hoger, de invloed van omgevingsgeluid is minder).
Waar er is, ontstaat een sterke wetenschappelijke schoolcontinuïteit. In oktober 2021 verscheen er een onderzoekseenheid bij MIPT, waar de wetenschappelijk directeur Andrei Geim zal zijn, een beroemde natuurkundige en MIPT-afgestudeerde die samen met Konstantin Novoselov de Nobelprijs ontving voor de ontdekking van grafeen. Het laboratorium zal zich bezighouden met mesofysica – of de manifestatie van kwantummechanische verschijnselen op macroscopische schaal. Ontdekkingen op dit gebied kunnen van groot praktisch belang zijn voor de ontwikkeling van micro-elektronica.
Fysica van materialen
Betrokkenheid bij Russische wetenschappelijke projectenNobelprijswinnaars zijn een belangrijke strategische stap in de richting van het creëren van een aantrekkingspunt voor jonge wetenschappers, waar het intellectuele potentieel van het land zou worden geconcentreerd. Dit is wat MIPT nu doet. Een van de meest geciteerde natuurkundigen van onze tijd, professor aan de Universiteit van Manchester, Nobelprijswinnaar Konstantin Novoselov, leidde de afdeling van het Fysicotechnisch Instituut dat zich richtte op experimenten met tweedimensionale slimme materialen. Dit is een veelbelovende richting met een groot potentieel effect voor micro-elektronica en technologie. De verwachting is dat dergelijke materialen kunnen worden gebruikt als basis voor neuromorfe computers.
Ook bezig met nanomaterialen in RuslandKurchatov Instituut. Onlangs hebben natuurkundigen een fundamenteel nieuwe klasse van dunne materie gesynthetiseerd: magnetische submonolaagfilms. Ze hebben een dikte van één atoom, maar worden sterk ontladen. Dit zijn de dunste kunstmatige magneten die ooit in het laboratorium zijn gemaakt. Deze ontdekking kan de aanzet zijn voor de ontwikkeling van spintronica (een systeem dat de spin gebruikt als informatiedrager in quantum computing). Tijdens het onderzoekswerk werkten de natuurkundigen van het Kurchatov Institute samen met het European Centre for Synchrotron Research, dat een unieke versnellerfaciliteit heeft die het mogelijk maakt om de eigenschappen van nanosubstantie te bestuderen. Dit brengt ons direct bij de bespreking van de toestand van de versnellerfysica in Rusland.
Kernfysica en versnellerfysica
Begin 2021 zijn tweemega-installaties: 's werelds krachtigste high-flux neutronen onderzoeksreactor PIK en de T-15MD fusiereactor (ook bekend als "Tokamak"). Met zijn hulp willen Russische wetenschappers ontdekkingen doen die het mogelijk maken om technologieën voor tweecomponentenkernenergie te creëren. Bij het Kurchatov Institute worden ze ook "natuurachtig" genoemd, dat wil zeggen, op zichzelf gesloten en op natuurlijke wijze ingebouwd in de hulpbronnencirculatie van de omgeving.
Ook werken wetenschappers van het Kurchatov Instituut aande oprichting van kerncentrales met een laag vermogen op basis van thermo-elektriciteit, die praktisch niet onderhouden hoeven te worden. Het prototype van de installatie, die een compacte atoombatterij genoemd mag worden, draait al tientallen jaren. Misschien zijn het Russische natuurkundigen die de weg effenen voor het creëren van technologieën die het menselijk leven op andere planeten kunnen verzekeren.
Ondanks de aanwezigheid in het land van meerdere installatiesnieuwe versnellers en reactoren van wereldklasse worden minder vaak gemaakt dan de Sovjet-erfenis faalt. Dit is een serieus probleem, omdat de meeste ontdekkingen in de deeltjes- en kernfysica plaatsvinden tijdens experimenten op dergelijke faciliteiten.
“In de afgelopen 30 jaar is er een trend geweest naarvermindering van het aandeel van het werk dat wordt uitgevoerd in onderzoekscentra van de Russische Federatie. Dit komt door het ontbreken van een moderne experimentele basis in het land. Tegen de achtergrond van de algemene, zou ik zeggen, depressieve toestand van de fundamentele wetenschap in het land, is de oprichting van grote wetenschappelijke acceleratorfaciliteiten vertraagd. Dit heeft geleid tot een aanzienlijke vertraging in de ontwikkeling van binnenlandse versnellertechnologieën op een aantal belangrijke gebieden, zoals nucleaire geneeskunde, materiaalwetenschap en de halfgeleiderindustrie, die nu afhankelijk zijn van buitenlandse leveranciers”, zei academicus Boris Sharkov tijdens een recente vergadering van de Russische Academie van Wetenschappen.
De positieve kant van de situatie is dat het niveauexperimentele basis kan worden verhoogd, en in de komende jaren. In 2022 zal de NICA-collider in Dubna worden voltooid en gelanceerd. In Sarov wordt het National Center for Physics and Mathematics opgericht, waar een andere botser, de Super c-tau Factory, zal verschijnen. Misschien is het met zijn hulp dat Russische wetenschappers processen en fenomenen onderzoeken die verder gaan dan het "standaardmodel". Maar ze kunnen hen voor zijn: dagelijks worden experimenten uitgevoerd bij versnellers in de wereld, en wetenschappers zijn heel dicht bij ontdekkingen die de basis zullen leggen voor 'nieuwe fysica'.
Ondertussen moeten Russische theoretische fysici...letterlijk om CERN te overtuigen om experimenten uit te voeren. Om dit te doen, moet je hen overtuigen van de mogelijke toepassing van de ontdekking. Dit wordt nu bereikt door Dmitry Karlovets, die wiskundig het behoud van de ongebruikelijke staat van "draaien" en de eigenschappen van de golf in deeltjes met hoge snelheden bewees. Eerder hebben onderzoekers deze kwantumeigenschappen alleen bij matige energieën bestudeerd. Of hier enig praktisch nut is, is een grote vraag, maar niet alle baanbrekende experimenten in de geschiedenis van de natuurkunde stellen dit als hun doel. Kennis is altijd de sleutel geweest.
Lees verder
Hubble nam een foto van hetzelfde actieve sterrenstelsel met een tussenpoos van 20 jaar
Astronomen vertelden waar en hoe goud en platina in het heelal worden gevormd
Hoor de geluiden van Mars opgenomen door de Perseverance-missie