Фізика складних систем
До цієї галузі науки Нобелівський комітет відніс фактично ніяк не пов'язані між собою
«Ми перебуваємо на краю прірви, — заявив нещодавногенсек ООН Антоніу Гутерріш. — Середня температура вже піднялася на 1,2°C вище за ту, що була в доіндустріальну епоху. Це дуже близько до критичного показника 1,5°C. Цей рік буде вирішальним. Якщо ми зазнаємо невдачі [у контролі клімату та переході на зелені технології], то опинимося у величезній небезпеці».
Найближчим часом очікується зростання обсягівдослідницької роботи в галузі фізики складних систем та фізики клімату. Головні відкриття у цій галузі здійснили ще десятки років тому. Наприклад, у 60-х Сюкуро Манабе створив інструментарій моделювання кліматичної системи, десять років по тому Клаус Хассельман пов'язав погоду та клімат. Нагороду з ними міг би розділити радянський фізик Андрій Монін — один із засновників геофізичної гідродинаміки, яка створила підґрунтя для досліджень у всьому світі.
Зараз у Росії трохи вчених, якізаймаються моделюванням складних систем у частині клімату і при цьому набувають визнання на міжнародному рівні. Наприклад, робота Євгена Володіна з Інституту обчислювальної математики ім. Марчука РАН стала частиною великої моделі IPCC (Міжурядової групи експертів зі зміни клімату) кілька років тому. У науковому співтоваристві зустрічається думка, що зараз російські дослідження сильно відстають від західних робіт, а фахівців рівня нобелівських лауреатів у країні просто немає. Причини — недофінансування та занепад експертизи.
У Росії немає окремого глобального інституту,який займається фізикою складних систем. Але є регіональні ініціативи – наприклад, учбово-науковий центр «Фізика складних систем», відкритий у 2009 році у Казані. Магістерська програма реалізується за принципом обміну досвідом із Інститутом проблем механіки та сучасного матеріалознавства ISMANS (Франція).
Кліматичні моделі - це тільки одна зпрактичних сфер, що пожинає плоди відкриттів у галузі фізики складних систем. Так, третій нобеліат Джорджо Парізі отримав нагороду за відкриття математичних закономірностей, що виникають у складних (хаотичних) матеріалах, що дозволило вченим описати безліч різних явищ — не лише у фізиці, а й у математиці, біології, нейронауці, машинному навчанні. Крім того, його роботи були дуже корисними при створенні квантового комп'ютера.
Квантова фізика
Квантовий комп'ютер - одне з найпотужнішихприкладних здобутків. За найоптимістичнішими оцінками, у Росії вони з'являться через кілька років, а поки що є лише прототипи різних типів квантових процесорів. До них відноситься створена в лабораторії МФТІ перша унікальна схема п'ятикубіта для квантових обчислень.
У 2021 році також з'явилася 20-іонна платформа,альтернативний підхід до створення квантового комп'ютера, Національної квантової лабораторії. Для Росії обидві події — великий прорив, але все ж таки це значне відставання у світі, де вже є повноцінний квантовий комп'ютер на 27 кубіт і працює 5000-кубітна машина D-Wave для обмежених обчислень.
«За прогнозами Gartner, кванти стануть реальністюдля більшості вже в 2023 році, а не через 20 років, як вважали раніше, — зазначає Олена Зіслін, віце-президент JPMorgan Chase’s Technology Business Development. — Через два роки 20% компаній у світі вже матимуть проекти у галузі квантових обчислень. Для порівняння, сьогодні це лише 1%»..
Експерименти для створення квантових комп'ютерівРосії вимагають великих грошей. І це окремі напрями досліджень часто реалізуються декількома інститутами. У складі міжнародних груп російські вчені доклали руку до кількох важливих відкриттів. Наприклад, спільна з IBM дослідницька група Сколтеха винайшла квантові перемикачі — технологію, яка вкотре зменшує споживання енергії квантовим комп'ютером. Теоретично це дозволить не використовувати дорогі системи охолодження, які ускладнюють експлуатацію пристрою.
Приблизно такий самий практичний сенс у ще одноговідкриття - співробітників Російського квантового центру з колегами з МДУ та КФУ. Вони вперше в історії отримали квантові явища надпровідності та надплинності при кімнатній температурі. Це була мрія дослідників у всьому світі протягом останніх десятиліть.
Також є чимало відкриттів, здійснених ускладах міжнародних груп Наприклад, науковці Інституту фізики твердого тіла ім. Осип'яна та Сколтеха спільно з колегами з Прінстона (США) та Інституту Вальтера Шоттки (Німеччина) запропонували оригінальний спосіб детектування складних квантових станів – майоранівських мод. Вчені давно намагаються виявити ці частинки, але це надзвичайно складно: вони не мають заряду і спини. Потенційна користь відкриття — використання унікальних властивостей при створенні квантового комп'ютера нового покоління (швидкість обчислень вище, вплив перешкод середовища — менше).
Сильна наукова школа складається тим, де єспадкоємність. У жовтні 2021 року в МФТІ з'явився дослідницький підрозділ, де науковим керівником буде Андрій Гейм – знаменитий фізик та випускник МФТІ, який отримав Нобелівську премію за відкриття графена разом із Костянтином Новосьоловим. Лабораторія займатиметься мезофізикою або проявом квантомеханічних явищ на макроскопічних масштабах. Відкриття у цій сфері можуть мати велике прикладне значення у розвиток мікроелектроніки.
Фізика матеріалів
Залучення до російських наукових проектівнобелівських лауреатів — важливий стратегічний крок на шляху до того, щоб створити центр тяжіння для молодих учених, де концентрувався б інтелектуальний потенціал країни. Цим зараз і займається МФТІ. Один із найцитованіших фізиків сучасності, професор Манчестерського університету, нобеліат Костянтин Новосьолов очолив підрозділ Фізтеху, орієнтований на експерименти з двовимірними розумними матеріалами. Це дуже перспективний напрямок із великим потенційним ефектом для мікроелектроніки та техніки. Очікується, що такі матеріали можна використовувати як основу нейроморфних комп'ютерів.
Наноматеріалами в Росії також займаєтьсяКурчатівський інститут. Нещодавно фізики синтезували принципово новий клас тонкої речовини - субмоносарові магнітні плівки. Вони мають товщину один атом, але при цьому сильно розряджені. Це найтонші штучні магніти з тих, що будь-коли виходило створити в лабораторії. З цим відкриттям може бути пов'язаний поштовх у розвитку спинтроніки (система, яка використовує спин як носій інформації в квантових обчисленнях). У процесі дослідницької роботи фізики Курчатовського інституту співпрацювали з Європейським центром синхротронних досліджень, де є унікальна прискорювальна установка, що дає змогу вивчити властивості нановощі. Це впритул підводить до розмови про стан прискорювальної фізики у Росії.
Ядерна та прискорювальна фізика
На початку 2021 року в Росії запустили двімегаустановки: найпотужніший у світі високопоточний дослідний нейтронний реактор ПІК та термоядерний реактор Т-15МД (також відомий як «Токамак»). З його допомогою російські вчені хочуть зробити відкриття, що дозволить створити технології двокомпонентної ядерної енергетики. У Курчатівському інституті їх ще називають «природоподібними», тобто замкнутими на собі та природно вбудованими у ресурсообіг навколишнього середовища.
Також вчені Курчатівського інституту працюють надстворення мало малопотужних атомних станцій на основі термоелектриків, які практично не потрібно обслуговувати. Прототип установки, який можна назвати компактним атомним батареєм, функціонує вже кілька десятків років. Можливо саме російські фізики прокладають дорогу до створення технологій, які зможуть забезпечити життя людини на інших планетах.
Незважаючи на наявність у країні кількох установоксвітового класу, нові прискорювачі та реактори створюються рідше, ніж виходить з ладу радянська спадщина. Це серйозна проблема — адже більшість відкриттів у фізиці часток та ядерній фізиці відбувається під час експериментів на таких установках.
«За останні 30 років з'явилася тенденціяскорочення частки робіт, які виконуються в дослідницьких центрах РФ. Це з відсутністю країні сучасної експериментальної бази. На тлі загального, я сказав би, депресивного стану фундаментальної науки в країні створення великих наукових прискорювальних установок загальмувалося. Це призвело до того, що намітилося суттєве відставання у розвитку вітчизняних прискорювальних технологій у цілій низці найважливіших напрямів, таких як ядерна медицина, матеріалознавство, напівпровідникова промисловість, які тепер залежать від іноземних постачальників», — заявив академік Борис Шарков на нещодавньому засіданні РАН.
Позитивна сторона ситуації в тому, що рівеньекспериментальної бази можна підняти, причому у найближчі роки. У 2022 році добудують та запустять колайдер NICA у Дубні. У Сарові створюють Національний центр фізики та математики, де з'явиться ще один колайдер – Super c-tau Factory. Можливо, саме за його допомогою російські вчені досліджують процеси та явища, що виходять за межі «стандартної моделі». Але їх можуть випередити: у світі щодня проводяться експерименти на прискорювальних установках, і вчені дуже близькі до відкриттів, які започаткують «нову фізику».
А поки що російським фізикам-теоретикам доводитьсябуквально умовляти ЦЕРН проводити експерименти. Для цього потрібно переконати їх у потенційній прикладній користі відкриття. Нині цього досягає Дмитро Карловець, який математично довів збереження незвичного стану «закрученості» та властивостей хвилі у частинок на високих швидкостях. Раніше дослідники вивчали ці квантові властивості лише на помірних енергіях. Чи є тут практична користь, велике питання, але далеко не всі проривні експерименти в історії фізики ставили її за мету. Головним завжди було пізнання.
Читати далі
«Хаббл» зробив фото однієї і тієї ж активної галактики з різницею в 20 років
Астрономи розповіли, де і як у Всесвіті утворюються золото та платина
Послухайте звуки Марса, які записала місія Perseverance