Fizica sistemelor complexe
Comitetul Nobel a inclus în acest domeniu al științei practic fără legătură
„Suntem pe marginea unui abis”, a spus recentSecretarul general al ONU António Guterres. - Temperatura medie a crescut deja cu 1,2 °C peste cea din epoca preindustrială. Aceasta este foarte aproape de citirea critică de 1,5 ° C. Anul acesta va fi decisiv. Dacă eșuăm [în controlul climatului și tranziția la tehnologii verzi], vom fi în mare pericol”.
În viitorul apropiat, ne putem aștepta la o creștere a volumelorlucrări de cercetare în domeniul fizicii sistemelor complexe și fizicii climei. Principalele descoperiri în această zonă au fost făcute cu zeci de ani în urmă. De exemplu, în anii 60, Shukuro Manabe a creat un set de instrumente pentru modelarea sistemului climatic, zece ani mai târziu, Klaus Hasselman a legat vremea și clima. Premiul le-ar putea fi împărtășit de către fizicianul sovietic Andrei Monin, unul dintre fondatorii hidrodinamicii geofizice, care a deschis calea cercetării în întreaga lume.
Acum în Rusia sunt puțini oameni de știință caresunt angajați în modelarea sistemelor complexe din punct de vedere climatic și în același timp câștigând recunoaștere la nivel internațional. De exemplu, lucrarea lui Evgeny Volodin de la Institutul de Matematică Computațională. Marchuk RAS a devenit parte a modelului mai amplu IPCC (Panelul Interguvernamental pentru Schimbări Climatice) cu câțiva ani în urmă. Există o opinie în comunitatea științifică că acum cercetările rusești sunt cu mult în urma studiilor occidentale și pur și simplu nu există specialiști la nivelul laureaților Nobel în țară. Motivele sunt subfinanțarea și scăderea expertizei.
Nu există o instituție globală separată în Rusia,care se ocupă de fizica sistemelor complexe. Dar există inițiative regionale - de exemplu, centrul educațional și științific „Fizica sistemelor complexe”, deschis în 2009 la Kazan. Programul de master este implementat conform principiului schimbului de experiență cu Institutul pentru Probleme de Mecanică și Știința Materialelor Moderne ISMANS (Franța).
Modelele climatice sunt doar unul dintresfere practice, care culege roadele descoperirilor în domeniul fizicii sistemelor complexe. Astfel, cel de-al treilea laureat al Premiului Nobel Giorgio Parisi a primit un premiu pentru descoperirea legilor matematice care apar în materiale complexe (haotice), care au permis oamenilor de știință să descrie multe fenomene diferite - nu numai în fizică, ci și în matematică, biologie, neuroștiință, și învățarea automată. În plus, munca lui a fost de mare ajutor în crearea unui computer cuantic.
Fizica cuantică
Un computer cuantic este unul dintre cele mai puternicerealizări aplicate. Potrivit celor mai optimiste estimări, acestea vor apărea în Rusia în câțiva ani, iar până acum există doar prototipuri de diferite tipuri de procesoare cuantice. Acestea includ prima schemă unică de cinci qubiți pentru calculul cuantic, creată la laboratorul MIPT.
O platformă de 20 de ioni a apărut și în 2021,o abordare alternativă pentru crearea unui computer cuantic, „National Quantum Laboratory”. Pentru Rusia, ambele evenimente reprezintă o mare descoperire, dar, cu toate acestea, acesta este o întârziere semnificativă în lume, unde există deja un computer cuantic cu drepturi depline cu 27 de qubiți și o mașină D-Wave de 5000 de qubiți pentru calcule limitate funcționează.
„Potrivit Gartner, cantitățile vor deveni o realitatepentru majoritatea deja în 2023, și nu în 20 de ani, așa cum se credea anterior”, notează Elena Zislin, vicepreședinte al departamentului de dezvoltare a afacerilor tehnologice JPMorgan Chase. — Peste doi ani, 20% dintre companiile din lume vor avea deja proiecte în domeniul calculului cuantic. Pentru comparație, astăzi este doar 1%.”.
Experimente pentru a construi computere cuantice înRusia cere o mulțime de bani. Dar anumite domenii de cercetare sunt adesea efectuate de mai multe institute. Ca parte a unor grupuri internaționale, oamenii de știință ruși au contribuit la câteva descoperiri importante. De exemplu, un grup de cercetare Skoltech cu IBM a inventat comutatoarele cuantice - o tehnologie care reduce dramatic consumul de energie al unui computer cuantic. În teorie, acest lucru va permite evitarea utilizării sistemelor de răcire costisitoare, care complică foarte mult funcționarea dispozitivului.
Un altul are aproximativ aceeași semnificație practică.descoperiri - angajați ai Centrului cuantic rusesc cu colegi de la Universitatea de Stat din Moscova și Universitatea Federală Kazan. Pentru prima dată în istorie, au obținut fenomene cuantice de supraconductivitate și superfluiditate la temperatura camerei. Acesta a fost visul cercetătorilor din întreaga lume de zeci de ani.
Există, de asemenea, multe descoperiri făcute încompoziţiile grupurilor internaţionale. De exemplu, oamenii de știință de la Institutul de Fizică a Solid Statelor. Osipyan și Skoltech, împreună cu colegii de la Princeton (SUA) și Institutul Walter Schottky (Germania), au propus o metodă originală de detectare a stărilor cuantice complexe - modurile Majorana. Oamenii de știință au încercat să detecteze aceste particule de mult timp, dar este extrem de dificil: nu au nicio încărcare și nici un spin. Beneficiul potențial al descoperirii constă în utilizarea proprietăților unice la crearea unui computer cuantic de nouă generație (viteza de calcul este mai mare, efectul interferenței mediului este mai mic).
O școală științifică puternică se dezvoltă acolo unde existăcontinuitate. În octombrie 2021, la MIPT a apărut o unitate de cercetare, unde director științific va fi Andrei Geim, un fizician celebru și absolvent al MIPT, care a primit Premiul Nobel pentru descoperirea grafenului împreună cu Konstantin Novoselov. Laboratorul se va ocupa de mezofizică — sau de manifestarea fenomenelor mecanice cuantice la scară macroscopică. Descoperirile din acest domeniu pot avea o mare importanță practică pentru dezvoltarea microelectronicii.
Fizica materialelor
Implicarea în proiecte științifice ruseștiLaureații Nobel reprezintă un pas strategic important spre crearea unui centru de atracție pentru tinerii oameni de știință, unde ar fi concentrat potențialul intelectual al țării. Aceasta este ceea ce face MIPT acum. Unul dintre cei mai citați fizicieni ai timpului nostru, profesor la Universitatea din Manchester, nobelistul Konstantin Novoselov a condus departamentul Phystech, concentrat pe experimente cu materiale inteligente bidimensionale. Acesta este un domeniu foarte promițător, cu un efect potențial mare pentru microelectronică și tehnologie. Este de așteptat ca astfel de materiale să poată fi folosite ca bază pentru computerele neuromorfe.
De asemenea, implicat în nanomateriale în RusiaInstitutul Kurchatov. Fizicienii au sintetizat recent o clasă fundamental nouă de materie subțire - filmele magnetice submonostrat. Au o grosime de un atom, dar foarte descărcate. Aceștia sunt cei mai subțiri magneți artificiali creați vreodată într-un laborator. Această descoperire poate fi asociată cu un impuls în dezvoltarea spintronicii (un sistem care folosește spin-ul ca purtător de informații în calculul cuantic). În procesul de cercetare, fizicienii Institutului Kurchatov au colaborat cu Centrul European de Cercetare a Sincrotronului, unde există o instalație unică de accelerare care permite studierea proprietăților nanomaterialelor. Acest lucru ne aduce foarte aproape de a vorbi despre starea fizicii acceleratoarelor din Rusia.
Fizica nucleară și a acceleratoarelor
La începutul anului 2021, Rusia a lansat douămegacentrale: cel mai puternic reactor de neutroni de cercetare cu flux mare PIK din lume și reactorul termonuclear T-15MD (cunoscut și sub numele de Tokamak). Cu ajutorul acestuia, oamenii de știință ruși doresc să facă descoperiri care să facă posibilă crearea de tehnologii pentru energia nucleară cu două componente. La Institutul Kurchatov, ele sunt denumite și „asemănătoare naturii”, adică închise pe ei înșiși și încorporate în mod natural în circulația resurselor din mediu.
De asemenea, oamenii de știință de la Institutul Kurchatov lucreazăcrearea de centrale nucleare de putere redusă pe bază de materiale termoelectrice, care practic nu au nevoie de service. Prototipul instalației, care poate fi numită o baterie atomică compactă, este în funcțiune de câteva decenii. Poate că fizicienii ruși sunt cei care deschid calea pentru crearea de tehnologii care pot asigura viața umană pe alte planete.
În ciuda prezenței mai multor instalații în țarăde clasă mondială, noi acceleratoare și reactoare sunt construite mai puțin frecvent decât eșuează moștenirea sovietică. Aceasta este o problemă serioasă - la urma urmei, majoritatea descoperirilor în fizica particulelor și în fizica nucleară au loc în timpul experimentelor pe astfel de instalații.
„În ultimii 30 de ani, a existat o tendință cătrereducerea ponderii muncii prestate în centrele de cercetare ale Federației Ruse. Acest lucru se datorează lipsei unei baze experimentale moderne în țară. Pe fondul stării generale, aș spune, depresive a științei fundamentale din țară, a încetinit crearea de mari instalații de accelerare științifică. Acest lucru a condus la faptul că a existat o întârziere semnificativă în dezvoltarea tehnologiilor de accelerație autohtone într-o serie de domenii importante, cum ar fi medicina nucleară, știința materialelor, industria semiconductoarelor, care acum sunt dependente de furnizori străini", a spus academicianul Boris Sharkov. a spus la o întâlnire recentă a Academiei Ruse de Științe.
Partea pozitivă a situației este că nivelulbaza experimentală poate fi ridicată, iar în următorii ani. În 2022, civizorul NICA va fi finalizat și lansat la Dubna. La Sarov este înființat Centrul Național de Fizică și Matematică, unde va apărea un alt colisionant, Fabrica Super c-tau. Poate că, cu ajutorul său, oamenii de știință ruși studiază procesele și fenomenele care depășesc „modelul standard”. Dar pot trece înaintea lor: în lume, experimentele se desfășoară în fiecare zi la instalațiile de accelerație, iar oamenii de știință sunt foarte aproape de descoperiri care vor pune bazele „nouei fizici”.
Între timp, fizicienii teoreticieni ruși trebuieconvingând literalmente CERN să efectueze experimente. Pentru a face acest lucru, trebuie să-i convingeți de potențiala utilitate a descoperirii. Acum, acest lucru este realizat de Dmitry Karlovets, care a dovedit matematic păstrarea stării neobișnuite de „răsucire” și proprietățile undei în particule la viteze mari. Anterior, cercetătorii au studiat aceste proprietăți cuantice doar la energii moderate. Dacă există vreun beneficiu practic aici este o mare întrebare, dar nu toate experimentele inovatoare din istoria fizicii și-au stabilit ca obiectiv. Cunoașterea a fost întotdeauna principalul lucru.
Citeste mai mult
Hubble a făcut o fotografie a aceleiași galaxii active la 20 de ani distanță
Astronomii au spus unde și cum se formează aurul și platina în univers
Auzi sunetele lui Marte înregistrate de misiunea Perseverență