Цивилизация
— Александр Михайлович, под вашим научным руководством работает недавно созданный при поддержке госкорпорации «Росатом» Национальный центр физики и математики (НЦФМ). Главная цель НЦФМ – прорывное развитие физики и математики, что в результате поможет создать опережающие технологии. Определены ли уже конкретные задачи, которые будут решать российские ученые в НЦФМ?
— Да, для научной программы НЦФМ нами выбраны десять направлений. Семь из них по физике, три – по прикладной математике и информационным технологиям.
— Давайте поговорим о физике. Каким образом эти направления определялись?
— У нас есть видение, в каких направлениях мы ждем прорывов и где может появиться так называемая «новая физика». Конечно, поле современной физики необъятно, поэтому другим критерием отбора было наличие у нас сильных научных школ, интересных заделов и уникальных установок.
Ученые всегда ожидают открытий, связанных с достижением новых экстремальных значений физических параметров – энергии ускоренных частиц, мощности лазерных импульсов, напряженности магнитных полей. Здесь у нас уже сейчас есть инструментарий, а будет появляться и новое оборудование с параметрами, которых нет ни у кого в мире, например, лазер эксаваттного (10 в 18-й степени Ватт) уровня мощности.
Научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ), академик РАН Александр Сергеев
Пресс-служба НЦФМ— Что вы хотите получить с помощью этого оборудования?
— Я поясню на примере лазерного излучения. Современные лазеры, в том числе те, которые есть у нас в стране, позволяют достигать высоких мощностей, интенсивностей, яркостей. Это связано с тем, что мы умеем концентрировать энергию лазерного излучения в пространстве и во времени. Мощность — это энергия, деленная на время и площадь, в которую вы сумели энергию сконцентрировать. Чем меньше длительность импульса и меньше область фокусировки в пространстве — тем больше вы получите интенсивность, яркость.
Когда мы говорим о высоких интенсивностях, мы говорим о сильных и сверхсильных электрических полях.
Цель исследований в направлении высоких плотностей энергии заключается в том, чтобы как можно ближе подойти к предельному полю, когда мы в условиях лабораторного эксперимента будем взрывать вакуум и получать из него вещество и антивещество.
— Получается, вы хотите из «ничего» — то есть, вакуума — создать «Вселенную» — то есть, вещество?
— Можно и так сказать. Но вообще мы хотим разрушить вакуум и узнать, из чего он состоит. Есть теоретические представления о том, что вакуум — это море виртуальных частиц: электронов, позитронов и так далее. Мы хотим это проверить. Если хотите, изучить структуру вакуума. У нас есть очень хорошая экспериментальная база в стране, чтобы развивать направление сверхмощных лазеров, двигаясь от петаваттного (10 в 15-й степени Ватт) к экзаваттному лазеру.
Кстати, чтобы почувствовать «экстремальность» наших планов, замечу, что импульсная мощность уже работающего в России лазера PEARL приблизительно в 100 раз больше мощности всех электростанций, работающих на нашей планете.
Отдельно хотелось бы сказать об экстремальных характеристиках в области сверхсильных магнитных полей. По магнитным полям наш Федеральный ядерный центр (РФЯЦ-ВНИИЭФ в Сарове, входит в «Росатом» и служит основной базой НЦФМ) больше двадцати лет держит мировой рекорд по величине полей – 28 Мегагаусс (магнитное поле Земли около 0,5 Гаусс). Поля достигнуты с помощью взрывных генераторов магнитных полей.
Этот рекорд до сих пор не превзойден никем в мире, он по-прежнему за нашей страной, и это направление мы хотели бы продвигать дальше.
— Что позволяет изучить или открыть сильное магнитное поле?
— Сильные магнитные поля интересны, например, тем, что с их помощью удобно изучать новые вещества и материалы — в том числе полупроводниковых гетероструктур и сверхпроводников. Таким образом можно найти материалы с уникальными характеристиками.
На территории НЦФМ будет создана лаборатория с целой линейкой таких супермагнитов, и наши ученые смогут привозить туда для измерений образцы своих новых материалов.
Это особенно необходимо сейчас, когда зарубежные лаборатории закрыли для наших ученых возможности подобных экспериментов.
— Какие еще направления вы намерены развивать?
— Изучение частиц — из них состоит микромир. В XIX веке считали, что элементарные частицы — это атомы. На этом знании построена таблица Менделеева, и мы достигли большого успеха, систематизируя таким образом химические элементы. Это и есть облик микромира, который мы с вами имеем на уровне атомов. Потом мы узнали, что в этих атомах есть электроны и ядра. Сейчас мы знаем, что ядра состоят из протонов и нейтронов, а протоны и нейтроны состоят из кварков.
— Вы хотите сказать, что кварки тоже можно расщепить?
— Кварки подвержены превращениям, в которых рождаются другие частицы. Природа бесконечна. Стремление глубже понять микромир — «а что там дальше?» — это «вечный двигатель умами физиков». Кварки и другие элементарные частицы входят в существующую сейчас Стандартную модель — в ней то, что мы понимаем об устройстве мира сегодня на уровне кварков, электронов, позитронов, нейтрино. Существующая Стандартная модель является низкоэнергетическим пределом чего-то более общего. Чтобы это более общее познать, надо увеличивать в экспериментах, скажем, энергию сталкивающихся частиц – нужны новые коллайдеры.
— Нужен коллайдер размером с экватор земного шара?
— Кстати, физики об этом задумывались. Было рассчитано, что для создания ускорителя электронов и позитронов до энергии в 1015 электронвольт нужно создать кольцо размером с окружность земного шара. Однако это очень дорого. Гораздо дешевле построить коллайдеры-фабрики.
— Что это такое?
— Это коллайдеры, на которых можно получать как можно больше столкновений частиц в единицу времени, столкновений, которые запускают определенные цепочки превращений одних частиц в другие с возможностью их детального, статистически надежного наблюдения. Чтобы иметь не одно или несколько событий в год, как это было, например, когда открыли бозон Хиггса.
Должен быть создан коллайдер с высокой светимостью, который за счет больших токов и правильной фокусировки частиц позволяет чаще взаимодействовать электронам с позитронами. Дальше мы предполагаем, что будет собрана большая статистика, которая сможет нам дать выход за пределы Стандартной модели, показать путь в новую физику. В том числе, попытаться детектировать сигналы существования темной материи.
Мы хотим создать к 2030 году супер-фабрику-коллайдер со светимостью на два порядка выше достигнутой в существующих сегодня машинах.
Это одно из направлений в рамках нашей программы.
— В природе такие взаимодействия где происходят?
— Какие-то из них идут в звездных системах. Но чаще их относят к первым мгновениям существования Вселенной.
— А холодный термоядерный синтез вы будете изучать?
— Нет. Возможно, в рамках научного направления «Физика взрыва» мы будем диагностировать явление под названием «сонолюминесценция», с которым пытались связать холодный термояд. Много научных скандалов было на этом пути. Сонолюминесценция – это свечение, которые возникает при схлопывании пузырьков в холодной среде. Светимость при этом соответствует горячей плазме. До сих пор не понятно, что там происходит. Пузырьки и пузыри интересуют многих и в связи с изменением климата, ведущим к деградации вечной мерзлоты. Речь идет о газогидратах.
— Это скопления газа, которые, взрываясь, оставляют после себя гигантские воронки, как на Ямале?
— Да. В современных условиях, когда происходит деградация вечной мерзлоты, происходит высвобождение метана из этих газогидратов. Этот газ, выделяясь, образует пузыри, которые ведут себя порой очень опасно. Они могут коллапсировать. Это происходит по-разному под водой и под землей. В последние годы действительно все чаще обращают внимание на появление в областях деградации вечной мерзлоты кратеров — огромных воронок, которые по энерговыделению очень опасны. Если там рядом населенный пункт или разрабатываемое месторождение — взрыв может разрушить все. Наша задача — смоделировать условия появления такого пузыря и его дальнейшего поведения. Кроме того, объем метана в таких газогидратах огромен, поэтому они потенциально рассматриваются как будущий источник полезных ископаемых.
— В мире сейчас множество научных групп изучают нейтрино. Неужели вы пройдете мимо этого направления?
— Не пройдем. Это наше шестое направление, которое мы называем тритиевым. Это особенные нейтрино, которые получаются из-за естественного распада трития. Мы планируем создать новые детекторы низкоэнергетических нейтрино на основе жидкого гелия и будем пытаться определить массу и магнитный момент нейтрино. Это фундаментальная задача.
И седьмое направление – это лабораторная астрофизика и геофизика. Это возможность в лаборатории воссоздать процессы, которые идут в недрах звезд, планет, в межзвездном пространстве, в ионосфере, в верхних слоях атмосферы. Мы об этих процессах пока знаем очень мало.
— Какие именно процессы?
— Например, молнии. Их тайна до сих пор остается неразгаданной.
Это направление интересно, поскольку сейчас становится ясно, что с атмосферным электричеством и электрической активностью в оболочке нашей планеты связано очень многое. В том числе ответ на вопрос о возникновении жизни.
Живые системы сформировались в условиях земного давления, атмосферы, океана, суши, а также и в условиях земного электричества.
Существуют серьезные основания думать, что именно атмосферное электричество существенным образом повлияло на фундаментальные процессы жизни на Земле.
Много разговоров в последние десятилетия ведется о магических частотах около 10 Гц, которые влияют на работу живых систем, как низших, так и высших, в том числе имеющих нервную систему. Оказывается, если принять во внимание электрические свойства нашей ионосферы, между поверхностью Земли и этим слоем плазмы существует некий резонатор, который «выделяет» вполне определенные частоты — шумановские резонансы. Эти частоты оказывают влияние на протекание живых процессов. Сейчас это явление активно исследуют.
— Вы перечислили 7 направлений развития физики в рамках НЦФМ на ближайшие годы. Говорят, что при формировании этой программы у ученых «загорелись глаза», так как появилось впечатление, что стране действительно понадобилась наука, работающая на опережение. Работа по этим направлениям уже начата?
— Да. Завершился этап «быстрого старта» научной программы НЦФМ, когда в кооперации РФЯЦ-ВНИИЭФ и 54 других научных и образовательных организаций страны получены первые результаты мирового уровня. На 2023-2025 годы намечено создание новых лабораторий на площадке НЦФМ в открытой зоне Большого Сарова. К 2030 году запланировано создание трех установок мега-сайенс, научного института с 2 тысячами сотрудников и академгородка с 10 тысячами жителей.