Нанотехнологи ОмГТУ о Нобелевской премии, настоящем и будущем современной физики

"Оставшейся частью своего состояния я хочу распорядиться следующим образом: исполнителям моего завещания следует 

вложить капитал в безопасные ценные бумаги. Они составят фонд, проценты с которого будут распределяться в качестве премии тем, 

кто в течение предшествующего года сделал научные открытия, которые принесут самую большую пользу человечеству..."

Альфред Нобель

Александр Блесман   Денис Полонянкин

Ежегодно 10 декабря в Швеции и Норвегии проходит церемония вручения Нобелевской премии, которая присуждается за фундаментальные научные исследования, революционные изобретения и выдающийся вклад в культуру и развитие общества, Премия пользуется международным признанием, как самое почетное гражданское отличие.   Сегодня мы беседуем с директором Научно-образовательного ресурсного центра «Нанотехнологии» ОмГТУ Александром Блесманом и инженером центра Денисом Полонянкиным о современных достижениях в области физики, перспективных исследованиях и Нобелевских лауреатах.

Александр Иосифович, Денис Андреевич, что такое Нобелевская премия, за что она присуждается?

В соответствии с правилами Нобелевского фонда премии присуждаются по пяти направлениям:  физике, химии, физиологии (медицине), литературе и установлению мира. Кроме того, с 1969 года присуждается также премия по экономическим наукам памяти А.Нобеля (не связана с Нобелевским фондом, но правила те же). Нобелевская премия по физике присуждается за выдающиеся достижения в науке с 1901 года. Лауреаты удостаиваются Нобелевской премии спустя некоторое время, необходимое для подтверждения научным сообществом важности совершенного открытия. Например, Эйнштейн получил Нобелевскую премию 1921 года по физике за теоретическое объяснение законов фотоэффекта, разработанное им в еще в 1905 году.

Можете привести пример присуждения премии за современные достижения?

Важнейшим событием в науке стало открытие гравитационных волн в 2015 году, и уже в 2017 годы трем ученным из США была вручена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени известны четыре вида взаимодействия: сильное или слабое внутриядерное взаимодействие, электромагнитное и гравитационное. За исключением последнего, все вышеперечисленные виды частиц и волн были экспериментально зарегистрированы, а гравитационные волны, существование которых теоретически было предсказано Эйнштейном в общей теории относительности, наиболее сложно детектируемы. Основой теории гравитационных волн является корпускулярно–волновой дуализм: при определенных условиях волны обладают характеристиками частиц, а частицы проявляют волновые свойства. Например, при взаимодействии электронов (элементарная отрицательно заряженная частица) с кристаллической решеткой твердых тел возникает явление дифракции, характерное для волн. Таким образом, гравитационное взаимодействие можно рассматривать как с точки зрения потока частиц (гравитонов), так и с точки зрения распространения гравитационных волн.

Подтверждение существования гравитационных волн было проведено в ходе эксперимента по регистрации сигнала, образованного в процессе слияния двух черных дыр (сверхмассивных космических объектов), учеными лазерно–интерферометрической гравитационно–волновой обсерватории LIGO (Laser Interferometer Gravitational–Wave Observatory). Обсерватория для регистрации гравитационных волн включает прецизионную систему зеркал, лазер и детектор лазерного излучения. Гравитационная волна оказала влияние на результирующий лазерный сигнал, измеренный LIGO. В настоящее время LIGO используется для экспериментального обнаружения разного рода волн и сигналов космического происхождения.

Насколько полезным может быть такое открытие?

Как правило, подобные исследования носят не прикладной, а фундаментальный характер. К примеру, Большой адронный коллайдер был создан только  для  того, чтобы провести эксперимент по моделированию большого взрыва – теории создания вселенной. Была получена огромная плотность энергии, позволившая обнаружить Бозон Хиггса – один из возможных кирпичиков в основании всего мироздания.

Нобелевская премия 2018 присуждена за разработку технологий оптического пинцета. Что это за устройство?

В XX веке были разработаны основы зондовой микроскопии, обеспечивающей возможность исследования поверхности веществ на атомарном уровне. В то же время посредством лазерного воздействия можно манипулировать структурой различных систем, в том числе биологических. Такая возможность появилась благодаря созданию мощных террагерцовых импульсных лазеров. Благодаря малому времени импульса формируется высокая плотность энергии, позволяющая разрушить межатомную связь.

Хорошо, мы получили возможность разорвать атомную связь, что дальше?

В ходе развития нанотехнологий появился термин «наносборка». Это процесс, обеспечивающий широкое поле для экспериментов, прежде всего в генной инженерии. Если раньше можно было только удалять хромосомы в генах, то на сегодняшний день появились технологии формирования новых структур на наноуровне. Применение оптического пинцета позволяет создавать структуры, которые не могут быть сформированы в обычных условиях – так называемые метастабильные структуры. Наглядным примером подобной технологии является ионная имплантация. В случае, когда один металл не растворяется в другом, существует возможность его внедрения посредством ионной бомбардировки и создания метастабильной фазы. Но ионная имплантация – это более грубая технология, чем лазерный скальпель.

Насколько предсказуемо вручение Нобелевских премий?

Необходимым, но недостаточным основанием для присуждения Нобелевской премии является публикация ученым результатов исследований в ведущих журналах, таких как Nature, Science. При этом предпочтение отдается западным ученым, ведь это их система. Наши соотечественники были также в числе обладателей премии. Например, нобелевскими лауреатами стали российские физики А. К. Гейм и К. С. Новосёлов за исследование свойств графена – двумерной аллотропной модификации углерода, обладающей уникальными физико-механическими характеристиками. Возможно, вам знакомо имя Артема Оганова, российского исследователя, который сейчас работает в Сколково. Он разработал метод компьютерного дизайна новых материалов и предсказания кристаллических структур, запрещенных с точки зрения классической химии. Артем Оганов является лауреатом большого количества международных премий, автором работ, опубликованных в журналах Nature, Science, Nature Materials, Nature Chemistry и Nature Communications, и одним из вероятных претендентов от России на присуждение Нобелевской премии в будущем.

Что ждет физику в будущем?

Нужно понимать, что экспериментальная физика ограничена оборудованием, которое позволяет экспериментально обнаружить какой–либо эффект. Не секрет, что энергетический порог современной физики элементарных частиц составляет порядка 400 гигаэлектронвольт. И мы не знаем, что скрывается за ним. Возможно, что именно за этим порогом критическая масса теоретических знаний и экспериментального опыта перейдет в открытие качественно новых эффектов и явлений.

Спасибо за краткий экскурс в мир современной науки!

Справка о последних вручениях Нобелевской премии по физике

В 2016 году британец Дункан Хэлдейн и американцы шотландского происхождения Дэвид Тулесс и Майкл Костерлитц были удостоены награды «за теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз вещества»  https://www.rbc.ru/society/04/10/2016/57f36eb79a794762d95f13c3 .

Нобелевской премии по физике за 2017 год были удостоены американцы Барри Бэриш, райнер Вайсс и Кип Торн «за решающий вклад в детектор LIGO и наблюдение гравитационных волн» https://lenta.ru/news/2017/10/03/nobelprizeinphysics/ .

В 2018 году премию присудили «за прорывные открытия в области лазерной физики». В формулировке отмечено, что половина приза уходит Артуру Эшкину (США) за «оптические пинцеты и их использование в биологических системах» и другая половина — Жерару Муру (Франция) и Донне Стрикленд (Канада) «за их метод генерирования высокоинтенсивных ультракоротких оптических импульсов» https://www.bbc.com/russian/news-45709470 .