«Физически это возможно»: на что способна наука сегодня
ГОСТИ
Татьяна Подладчикова, старший преподаватель Космического центра Сколтеха
Ильдар Габитов, профессор Центра фотоники Сколтеха
Ольга Орлова: «Физически это возможно» - так называется книга, которую выпустил Сколковский институт науки и технологий. Можно ли поймать гравитон? Создадут ли ученые кварковую бомбу? Какие технологии позволят записать наши мысли на флэшку? Возможно ли запустить время в обратную сторону? Эти и другие захватывающие вопросы в книге обсуждают ведущие ученые из самых разных областей физики. Что же произошло с наукой, если грань между фантастикой и реальностью стирается так быстро? Обсуждаем по гамбургскому счету с двумя героями этой книги – старшим преподавателем космического центра Сколтеха Татьяной Подладчиковой и профессором центра фотоники Сколтеха Ильдаром Габитовым.
Здравствуйте, Ильдар. Здравствуйте, Татьяна. Спасибо, что пришли к нам в программу.
Татьяна Подладчикова: Спасибо.
Ильдар Габитов: Здравствуйте, Ольга.
Ольга Орлова: Вот ваш Сколковский институт выпустил такую замечательную книжку. И в ней собраны беседы с представителями самых разных областей физики. Да и вы, в общем-то, тоже… и вы, Татьяна, Ильдар, вы же работаете в разных областях физики. Но есть одно общее ощущение от прочтения этой книги – это то, что современную физику все труднее и труднее разделить на так называемую полезную и бесполезную, как мы привыкли говорить. «Наука, полезная в народном хозяйстве, и фундаментальная наука». Вот такое создается впечатление, что временное расстояние между тем, как ученые делают какое-то фундаментальное открытие, и его приложениями, какими-то полезными следствиями – что это время все время сокращается.
Вот есть известный исторический анекдот. Как правило, когда обсуждают про полезность фундаментальных открытий, всегда вспоминают Майкла Фарадея и его… Когда он демонстрировал динамо-машину премьер-министру Роберту Пилу. И когда его премьер-министр спросил: «Ну это замечательное устройство. А какая же от него будет польза?» И Фарадей тогда ответил: «Я не знаю. Но уверяю, что лет через 50 вы будете собирать с него налоги». И тогда действительно речь шла про 50 лет. И мы это знаем, что это были всегда большие отрезки времени.
А вот сегодня что происходит? Вообще сколько времени занимает этот путь от того, что мы увидели какое-то явление, а потом мы начинаем с ним как-то работать?
Ильдар Габитов: Это время сокращается. Конечно, после того как исчисление бесконечно малых было придумано Ньютоном и это начало применяться на практике, прошло довольно длительное время. Сейчас время сократилось. Это буквально месяцы. А пример такой.
Недавно было придумано, что если светом воздействовать на биологический объект на линии поглощения, этот биологический объект поглощает энергию, немножко нагревается и расширяется. Возникает акустическая волна. И если частота следования лазерных импульсов соответствует ультразвуку, этот объект начинает излучать ультразвук. То есть световым образом мы его возбуждаем, а регистрировать результат можем акустическими средствами, используя стандартное узи.
Этот метод мгновенно стал очень важным инструментом для изучения биологических объектов, для диагностики, для тераностики, о которой я расскажу.
Ольга Орлова: Сколько это заняло времени?
Ильдар Габитов: Буквально год-полтора. Следующий пример. В то время, когда произошел коллапс в телекоммуникационной индустрии, был придуман иной способ. Так называемая «когерентная система передачи». И за очень короткое время это сейчас основной метод для передачи очень больших объемов информации по оптическому волокну.
Ольга Орлова: То есть сегодня премьер-министру можно ответить, что «это произойдет прям на наших с вами глазах, господин премьер-министр»?
Ильдар Габитов: Да, конечно.
Ольга Орлова: Татьяна, а как вы думаете, за счет чего это происходит? Почему так сократился…
Татьяна Подладчикова: Вы знаете, я, действительно, согласна. С одной стороны, время оценки полезности формулы изобретения действительно сократилась. Мы живем в другое время. Время ускорилось, коммуникации, общение, технологии совершенно другие. Огромное количество идей. Средства обработки информации. Идеи моментально обрабатываются. Конечно, мы можем ошибиться. Но время ускорилось. Давайте на секундочку представим, как будто Фарадей работает в Сколтехе. Он говорит: «Уважаемый премьер-министр, я предлагаю простой способ изобретения электрического тока». Премьер-министр отвечает: «Замечательно. Я уже подписал приказ о создании 7 отечественных стартапов с капиталом в 3 млн, двух индийских, двух китайских с капиталом в 0.5 млн. Уже акции были выпущены на биржу вчера. Индекс Доу-Джонса вырос на 3%. Капитал в биткойнах увеличился в 3 раза».
Но, с другой стороны, без фундаментальных исследований… Я хочу привести несколько примеров… Невозможны никакие технологические прорывы и шаг вперед. Вот получил бы Хиггс Нобелевскую премию по физике за открытие бозона Хиггса, если бы не 40 лет фундаментальных исследований?
И другой очень интересный и важный пример – это ITER. Это международный проект по созданию экспериментального термоядерного реактора. Вот на Солнце водород превращается в гелий. И это нам дает колоссальное количество энергии. Создатели ITER по сути хотят повторить то, что происходит на Солнце, но в земных условиях. И переговоры об этом проекте были в 1980-х годах, а проект будет завершен в 2025 году – опять через 40 лет после переговоров Горбачева и Рейгана.
И результаты этого проекта будут успешны, человечество получит очень дешевую, очень чистую энергию, и все страны-участницы (Россия участвует в этом проекте) получат возможности создавать уже экспериментальные станции.
Мы сотрудничаем с Европейским космическим агентством. И мы тоже знаем, что они, например, заинтересованы в прогнозах солнечной активности на 200 лет вперед для моделирования космического мусора и для планирования долгосрочных космических миссий. Но на сегодня наука не может делать такие прогнозы. Нужны глубокие фундаментальные исследования, дорогостоящие космические миссии, чтобы понять, что же происходит на Солнце.
Ольга Орлова: А вы сами себя к каким ученым причисляете? Вы себя считаете фундаментальным ученым или прикладником?
Ильдар Габитов: Ландау считал. Вот, все то, что в его томах написано – это уже прикладная наука. А то, что неизвестно – это фундаментальная. По-видимому, все-таки смесь – прикладной и фундаментальной.
Ольга Орлова: Тань, а вы? Вы занимаетесь космической погодой. Вы считаете, что вы изучаете природные явления. Ну, космические явления. Или вы все-таки ученый-прикладник?
Татьяна Подладчикова: И то, и то, потому что космическая погода – это новая прикладная наука, которая требует постоянного мониторинга деятельности Солнца. И она направлена на создание конкретных операционных служб для конечных пользователей, для того чтобы защищать наше общество и технологии от опасности космической погоды. Но чтоб эти службы были надежны, нам необходимы глубокие фундаментальные исследования, чтобы понимать, что же происходит на Солнце, какие взаимоотношения между Солнцем и Землей. И таким образом мы занимаемся и фундаментальными, и прикладными исследованиями.
Ольга Орлова: А что относится к явлениям космической погоды?
Татьяна Подладчикова: Солнце каждую секунду превращает 600 млн тонн водорода в гелий. И, согласно известному уравнению Эйнштейна, эта материя превращается в 4 млн тонн энергии. Эта энергия является источником света, очень благоприятной жизни на Земле. Но в то же время Солнце, к сожалению – это источник мощных выбросов из солнечной атмосферы, которая называется «солнечная корона», вспышек ударных волн, геомагнитных бурь и множества других взрывных событий, которые приводят к мощным возмущениям в магнитосфере Земли и в околоземном космическом пространстве.
Ольга Орлова: А кто у нас занимается космической погодой в России, кроме вашего центра в Сколтехе?
Татьяна Подладчикова: Один из основных институтов, который занимается космическими исследованиями – это Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН). И мне посчастливилось встретить и работать с коллегами из ИКИ на протяжении многих лет. Сейчас в Сибири Институт солнечной и земной физики Сибирского отделения РАН строится гелиофизический комплекс. Это очень важно и очень здорово. А, например, в Институте земного магнетизма и распространения радиоволн РАН находится нейтронный монитор, который ловит космические галактические лучи, которые прилетают к нам из других галактик или из нашей галактики. Это мощные энергичные частицы, которые врезаются в электронику спутников. Спутники могут падать в океан.
Сейчас, например, Россия участвует в очень важном проекте, который называется «ЭкзоМарс», вместе с Европейским космическим агентством. Вот первый запуск был несколько лет назад. Российская ракета вывела спутник к Марсу. К сожалению, европейский спутник не смог приземлиться на Марс. И сейчас на 2022 год запланирован второй раунд. И это очень важно, потому что будет бурильная установка, которая попробует забуриться на 2 м под марсианский грунт и попробовать там найти какую-то жизнь, потому что там защита от радиации.
Но, с другой стороны, вот недавно к Солнцу был запущен спутник Solar Orbiter, который подлетит близко к Солнцу и попробует помочь нам ответить на фундаментальные вопросы физики Солнца. Он был разработан Европейским космическим агентством, запущен NASA. И у России был похожий проект – «Интергелиозонд». Еще разработка на идейном уровне началась в Советском Союзе. Но, к сожалению, проект был заморожен, и не запустили. Это, конечно, очень печально. Но, с другой стороны, нужно добавить, что Solar Orbiter был выведен на орбиту ракетой, у которой двигатель первой ступени был разработан в России. То есть российский двигатель. Это очень важно.
Ольга Орлова: Ильдар, вы же занимаетесь новыми материалами. А сколько у вас проходит сейчас времени от какого-то нового физического явления, которое вы можете для новых материалов уже использовать, для того чтобы они уже применялись?
Ильдар Габитов: Очень быстрое внедрение обусловлено, во-первых, пониманием, о котором говорилось Таней. И, кроме того, развитием технологии. Сравнительно недавно появились технологии, позволяющие изготавливать очень маленькие структурированные объекты. И если раньше подход, скажем, к оптическим материалам был такой, что очень однородный материал (например, стекло) требовался. Carl Zeiss, такая городская легенда есть, даже стекла бросали на пол. Оно раскалывалось от поверхностного напряжения. И дальше из этого делали линзу очень сложной поверхности. То есть поверхность очень сложная, а материал простой.
Вот сейчас появилась возможность делать все наоборот. То есть очень сложно структурировать материал, и простая форма.
Ольга Орлова: Это просто технологические новые возможности?
Ильдар Габитов: Да, технологические новые возможности. Но нельзя отделить технологические возможности от фундаментальных исследований. Когда мы начинаем изучать взаимодействие электромагнитной волны с очень маленькими объектами, и когда их много, когда они упорядочены, там масса сюрпризов существует, которые…
Ольга Орлова: Потому что мы все равно видим мозгами, а не приборами.
Ильдар Габитов: Конечно, конечно. Все мы знаем закон философии, что количество переходит в качество. И вот когда от дискретной электроники электроника перешла к электронике высокой степени интегрирования, возникли новые функциональные возможности. Причем, мы даже вообразить себе не могли, к чему это приведет, скажем, лет 15 тому назад. Но такой подход испытывает некие проблемы сейчас.
Во-первых, в каждом элементарном логическом акте участвует примерно, ну, 2 электрона, скажем. Если мы наивно проинтерполируем, скажем, на 5 лет вперед, мы приходим к бессмысленному утверждению, что где-то там четверть электрона необходимо будет для логической операции, что является полной нелепостью. Это одна проблема.
Вторая проблема. Каждый транзистор (а их очень-очень много) выделяет тепло. И хотя этого выделяемого тепла мало, но транзисторов много. Поэтому нет материалов, которые способны отводить это тепло. Во-вторых, так называемое стекание заряда на объектах очень маленького размера.
Ну и третья колоссальная проблема, которая возникает в связи с этим – эти транзисторы надо соединить между собой проволочками, а проволочки имеют паразитное сопротивление, паразитную емкость, приводят к паразитной индуктивности, что ограничивает тактовую частоту процессоров. И таких проблем очень-очень много. И поэтому, скажем, прогресс в процессорах (в тактовой частоте) мы не наблюдаем за прошедшие десятилетия. Увеличивается количество ядер, архитектура усложняется. И поэтому возникает необходимость использовать какие-то другие технологии. И таким объектом является фотоника. По крайней мере на нее очень большие надежды возлагаются, в связи с тем что она произвела революцию в передаче информации. И сейчас хотелось бы такие средства использовать для обработки информации.
Но есть проблема. Фотон нельзя поместить в объем, меньше чем длина волны. Телекоммуникационная длина волны – это 1550 нм. А технологии современные – это примерно уже 2 нм сейчас. То есть для того чтобы создать устройство высокой степени интеграции на основе фотонов, у нас ничего не получится. Разница 2 и 1500 колоссальна. Это первое.
Второе. Электрон имеет заряд. Поэтому им можно управлять. Электрическим или магнитным полем. А фотон заряда не имеет. Поэтому надежда на новые материалы. В этом направлении ведется интенсивная работа. То есть попытки использовать фотоны для обработки информации – это одна из первоочередных задач современности.
Вообще хочу заметить, что если прошлые столетия (будем откровенно говорить) – это было столетие физики. Благодаря успехам физики возникло много новых технологий. Но следующее будет, по-видимому, искусственный интеллект и биомедицина. И эти световые технологии – это мостик, который соединяет как бы этот переход.
Ольга Орлова: А как световые технологии могут работать в биомедицине?
Ильдар Габитов: Конечно, могут работать в биомедицине. Во-первых, сразу хочу отметить, что процессоры высокой степени интеграции печатаются при помощи света. И существует огромное количество приложения световых технологий в биомедицине. Одним из примеров является акустооптика в медико-биологических целях.
Вот на левой картинке условно изображен схематично кровеносный сосуд, в котором течет поток с кровяными тельцами. И предположим, что имеется онкологическое заболевание крови. Раковые клетки черным цветом обозначены. Красные – это здоровые клетки. Ну белые – тоже здоровые. Другого типа, предположим.
Так вот, разница между здоровыми клетками и раковыми клетками состоит в том, что они поглощают свет на разных частотах. Поэтому, если лазер (вот зелененький луч) светит на частоте поглощения раковой клетки, раковая клетка, поглощая свет, нагревается. И последовательность импульсов соответствует ультразвуку. То есть каждый раз при нагревании создается фронт волны, она расширяется, излучает звук. И таким образом в результате импульсного воздействия возникает ультразвуковое излучение.
Ольга Орлова: Вы можете каждую раковую клетку определить?
Ильдар Габитов: Да.
Ольга Орлова: Вы можете детектировать каждую раковую клетку?
Ильдар Габитов: Да, да. Причем, при заборе крови, когда это сейчас делается, забирается довольно маленькое количество крови. И поэтому вероятность того, что попадется эта клетка…
Ольга Орлова: Она небольшая.
Ильдар Габитов: А здесь, если мы подождем достаточное время, фактически вся кровь протекает… И с большой вероятностью можно определить наличие. Но поскольку этот процесс очень быстрый, импульсы фемтосекундной длительности, можно двигаться дальше. На правом видео изображена следующая ситуация. Что как только обнаружена эта раковая клетка, можно увеличить мощность лазера. И тогда она нагреется до такого состояния, что произойдет дезинтеграция, она разрушится.
Ольга Орлова: То есть можно сразу разрушать? Вы мгновенно находите эту раковую клетку и разрушаете.
Ильдар Габитов: В этом случае можно объединить диагностику с терапией. То, что называется тераностика сейчас. Этим занимается у нас лаборатория биофотоники в Сколтехе. Пожалуй, первая пока и, может быть, единственная установка в Сколтехе есть оптоакустическая. Вот это направление исключительно бурно сейчас развивается. И другое применение – это, скажем, циркуляция крови и насыщение крови кислородом. То есть сколько в крови кислорода. Дело в том, что гемоглобин с кислородами и без кислорода поглощает на разных линиях.
Скажем, когда на палец надевается устройство и меряется напряжение кислорода, это меряется напряжение кислорода артериальное. То есть фактически в какой степени легкое способно насыщать кислородом кровь. Но важно, как потребляется органами кровь, как она доставляется до нужного объекта.
И если в результате коронавируса, например, капиллярная система нарушается, если она неспособна доставлять кровь правильно к органам (например, к нервам), они начинают страдать от этого. Поэтому важно знать, какое напряжение кислорода в венозном потоке. Ну и освещая венозную кровь лазерными импульсами разной частоты, можно определить соотношение клеток с кислородом и без кислорода.
То же самое можно применять для детектирования напряжения кислорода в мозгу у младенцев, например, чтобы церебральный паралич на ранней стадии перехватить. И очень много других важных приложений существует.
Но хочу отметить, что в настоящее время мы сейчас проектируем запуск нового проекта с Университетом Южной Калифорнии, который целью имеет создание эффективных методов определения циркуляции в головном мозге, и к тому же еще неинвазивные методы насыщения кислородом. Вот такая у нас работа планируется.
Ольга Орлова: А вот скажите. Если вы планируете запуск совместного проекта с Южной Калифорнией, как сейчас вообще устроено это взаимодействие с американскими учеными, с американской наукой. Сколтех ведь создавался в очень тесном взаимодействии с MIT. И вообще как бы сотрудничество с теми, кто работает в Америке, было всегда совершенно естественным.
Более того, вот возвращаясь к этой книге, здесь также есть очень много ученых, которые одновременно же работают в разных университетах, в том числе американских. Как сейчас это происходит?
Ильдар Габитов: Ученые понимают, что определенные задачи решать нужно сообща. Делегируя различные аспекты решения проблем разным группам. И в принципе такая работа продолжается. Конечно, она осложнена политическими бурями. Это отрицать глупо. Но, тем не менее, эта работа осуществляется.
Ольга Орлова: Тань, а как вы думаете, вообще у нас взаимодействие в космической области российских ученых с американскими, с европейскими – это как бы норма жизни, да?
Татьяна Подладчикова: Американское и российское сотрудничество было всегда. И дало очень много важных открытий миру. Я прямо сейчас участвую в ряде проектов, в которых участвует и русская сторона, и американская сторона. Но могу вам привести один пример. Сейчас планируется миссия по исследованию Венеры. Называется «Венера Д». «Д» - от слова «долгосрочный». На Венере очень горячая атмосфера. Там как парник такой очень мощный. И давление там газов очень сильное. Можно погрузиться в океан на глубину 1 км, и там будет такое давление. Поэтому аппараты, которые туда спускались, могут либо очень быстро расплавляться, либо сминаться.
И это очень интересный проект сейчас. Спутник российский, электроника американская. Чтобы аппарат прожил там на поверхности Венеры хотя бы 2 дня и смог выдержать высокую температуру. Но проект немножечко заморожен, из-за того что американский Конгресс запретил ставить американскую электронику на российские аппараты. Конечно, политики могут придумывать указания, но это большая драма для науки. То есть наука будет очень сильно отставать. И, соответственно, будет отставать развитие новых технологий.
И что я думаю по этому поводу? Я бы привела пример из термодинамики. В физике есть понятие «любая консервативная система называется консервативной». И, согласно термодинамике, в этой системе появляется хаос. Энтропия (это такая некая мера неопределенности, неупорядоченности) возрастает к максимуму. А в открытой системе все наоборот: энтропия стремится к нулю, и в этой системе благодаря взаимодействию элементов рождаются причудливые формы, которые радуют душу и глаз. И от этого могут рождаться совершенно удивительные идеи и проекты, которые захватывают дух. И вообще все со всем все время взаимодействует. Это закон природы. Даже на атомном уровне.
И я думаю, что, несмотря ни на какие указания, американское и русское сотрудничество будет продолжаться всегда, и плодотворное сотрудничество, и дружба между людьми. Я надеюсь на это.
Ольга Орлова: Как жалко, что политики по разные стороны океана не учат термодинамику. Спасибо большое. У нас в программе были сотрудники Сколтеха старший преподаватель Центра космической погоды Татьяна Подладчикова и профессор Центра фотоники Ильдар Габитов. А все выпуски нашей программы вы всегда можете посмотреть у нас на сайте или на ютьюб-канале Общественного телевидения России.
Источник: otr-online.ru