Не думай об аттосекундах свысока: воронежский ученый – о практической значимости открытий физиков-теоретиков

К доктору физико-математических наук, заведующему кафедрой теоретической физики ВГУ Михаилу Фролову нас привела небольшая заметка в интернете – о том, что авторитетнейший журнал Physical Review A опубликовал результаты исследований российских ученых, связанных с новой, но быстро развивающейся областью лазерной физики – аттосекундной физикой. В своей работе ученые предложили новый способ определения физических параметров аттосекундных лазерных импульсов.

– А что такое аттосекунда? – спросили мы соавтора работы Михаила Фролова.

– Это десять в минус 18-й степени секунд, или одна миллиардная одной миллиардной доли секунды, – ответил Фролов. – Чтобы понять масштаб одной аттосекунды, необходимо представить себе секунду на «весах» всей истории Вселенной. Аттосекунда – это безумно малый масштаб времени, который применим к описанию сверхбыстрых процессов в атомных и молекулярных системах, связанных с движением электронов внутри этих систем (например, период обращения электрона вокруг ядра составляет несколько десятков аттосекунд). К настоящему времени существующие лазерные технологии позволяют получать импульсы длительностью в десятки аттосекунд в результате взаимодействия интенсивного лазерного излучения с атомами и молекулами.

Если поместить атом в сильное лазерное поле, то он отреагирует на такое воздействие очень нелинейно. Этот отклик приводит к большому числу интереснейших нелинейных явлений. При взаимодействии с лазерным полем атомная или молекулярная система забирает часть энергии лазерного излучения, которую затем испускает в виде сгустка электромагнитной энергии длительностью в несколько десятков аттосекунд.

Сверхкороткий импульс электромагнитного поля определяется рядом характеристик – длительностью, несущей частотой, огибающей, которая определяет временную «форму» аттосекундного импульса. От значений этих параметров зависит характер взаимодействия аттоимпульса с атомами и молекулами. Научной группой, состоящей из ученых Воронежа и Нижнего Новгорода, был предложен оригинальный метод, позволяющий определить характеристики настолько уникального сверхкороткого импульса.

– В чем практическая полезность проделанной работы?

– На этот вопрос мне, как и большинству физиков-теоретиков, постоянно приходится отвечать, заполняя заявки на соискание грантовой поддержки. Как и любое фундаментальное исследование, оно может дать толчок развития в самых неожиданных областях. Например, в силу уникально малой длительности аттоимпульса, последний может быть использован для контроля сверхбыстрых процессов на суб­атомном уровне, а это прямой путь к созданию новых материалов с уникальными свойствами. Стоит отметить, что все аналитические расчеты должны быть изначально «протестированы» в рамках компьютерного эксперимента, а это, естественно, стимулирует дальнейшее развитие новых методов и алгоритмов для выполнения вычислений на суперкомпьютерах, с колоссальным обменом данных между различными элементами вычислительной машины. Я бы сказал, что любое фундаментальное исследование приводит к существенному развитию техники, а следовательно, имеет, хоть и косвенно, существенную практическую значимость.

Стоит отметить, что лишь спустя годы расчеты физика-теоретика начинают находить экспериментальное доказательство и практическое применение. Но вот беда: мы редко добираемся до этапа экспериментальной проверки из-за недофинансирования фундаментальной науки. Подобные эксперименты проводят в Китае, США, Германии, Швеции, Италии, однако в РФ они носят эпизодический характер.

– Будем надеяться, рано или поздно экспериментальная составляющая физики сверхсильных лазерных полей будет реализовываться и у нас. А что дальше?

– Это уже вопрос из серии «Как будет развиваться наука?». Достоверно ответить на него нельзя. Мы решаем определенную задачу, а потом с позиции новых знаний определяем горизонты развития. В связи с этим вопросом вспоминается поучительная история с Максом Планком. Когда Макс Планк объявил о желании заняться физикой в одном из европейских университетов, ему сказали: зачем? Физика фактически закончена. Классические теории объяснили почти все наблюдаемые процессы.

Но именно Планк с его квантовой теорией, Эйнштейн с теорией относительности, Бор, Шредингер, Паули, Дирак и плеяда других блистательных физиков-теоретиков создали новую картину мира, стимулировали развитие физики и в итоге – ее практическое применение. Без их достижений не было бы у нас ни смартфонов, ни современного телевидения, средств связи, современных материалов. Мы бы не смогли определять из космоса с высокой точностью местоположение объекта на Земле. Впрочем, космических полетов тоже, вероятно, не было бы.

Занятия наукой мне потому и интересны, потому что не знаешь, к чему это приведет.

– Как вы сами стали теоретиком от физики?

– Если честно, я пошел в «терфизики» потому, что не преуспел в экспериментальной части физики на первых курсах университета. «Экспериментатор из вас, пожалуй, не получится, – сказал один из университетских преподавателей, – однако есть все задатки стать хорошим теоретиком». Я прислушался и скоро понял, что это очень интересно, даже красиво – изучать физику сквозь призму математики. Поступил в аспирантуру, долгое время работал ассистентом кафедры, защитил кандидатскую и докторскую диссертации, 2,5 года стажировался в США. Путь, в общем-то, классический.

– Физик-теоретик. Чего в нем больше – физика или математика?

– И того, и другого примерно в равной степени. И физики, и математики могут решать одну и ту же проблему. Но физик выполнит задачу быстрее. Физик-теоретик прекрасно владеет приближенными методами, а математик придерживается идеальной точности, он заложник своей прецизионности.

– Наблюдается ли интерес к «терфизике» у современных студентов?

– До определенного момента ВГУ выпускал достаточно много физиков-теоретиков – они были востребованы как преподаватели вузов и научные сотрудники. Сегодня теоретиков на курсе – 5, максимум 7 человек. Сходная тенденция наблюдается и в других провинциальных университетских центрах. Молодой человек приходит и интересуется теоретической физикой, в первую очередь имея в голове глобальные проблемы образования Вселенной, поиска элементарных частиц и т.п. Воронеж исторически занимается ядерным и лазерным направлениями. Это ограниченный, но в то же время бесконечный сегмент науки.

У крупных столичных образовательных центров другая проблема: способных к теоретической физике ребят переманивают IT-корпорации, предлагая зарплаты раза в полтора большие, чем может предложить соседний НИИ. Физику-теоретику с его универсальным набором знаний легко переучиться на любую из близких специальностей. Но если так пойдет дальше, готовить русских Планков и Эйнштейнов скоро будет некому.

Кафедра теоретической физики ВГУ – именная, названа в честь профессора Льва Рапопорта, основателя воронежской школы теоретической физики. В 1956–1993 годах был заведующим кафедрой теоретической физики, а с 1993 года в должности профессора продолжал на ней активную работу. Рапопорт занимался ядерной физикой, основал известную в научном мире школу «Фундаментальные проблемы взаимодействия оптического излучения с атомами и молекулами». Ему удалось подготовить и собрать вокруг себя талантливых ученых, сплотив их едиными принципами научных и межличностных взаимоотношений.

в Дзен.