Физически это возможно. Том II

Можно ли с помощью черных дыр перемещаться во времени? Как научиться управлять квантовым хаосом и построить мост между параллельными Вселенными? На эти фантастические вопросы уже ищут ответы физики-теоретики. О черных дырах, которые снова в поле интереса ученых из разных областей науки, «Огонек» поговорил с профессором Калифорнийского технологического института Алексеем Китаевым.

— Алексей Юрьевич, в последнее время появилось много работ, связанных с черными дырами. Прежде чем перейти к разговору о том, с чем это связано, начнем с начала: что наука знает об этих загадочных объектах?

— Мы знаем, что черная дыра — это очень массивный, но относительно небольшой объект. У нее настолько сильное гравитационное поле, что изнутри ничто не может вырваться, даже свет. Большинство черных дыр возникает из обычных звезд, которые в конце своей жизни сильно сжимаются, и в какой-то момент наступает коллапс — выглядит это как взрыв.

— То есть масса остается, а объем исчезает?

— Да, при этом происходит очень сложный процесс: внутренняя часть превращается в черную дыру или в нейтронную звезду, а оболочка звезды разлетается с большой скоростью. После этого взрыва остается черная дыра с массой в несколько раз больше массы Солнца. Черные дыры возникают и в центрах галактик. Например, в центре нашей галактики есть черная дыра, которая в три миллиона раз тяжелее Солнца.

— А у черных дыр есть имена? Как эта, например, называется?

— Стрелец A*. По меркам сверхмассивных черных дыр, Стрелец А* — спокойный объект. Но в мае прошлого года он вдруг «ожил»: на пару часов интенсивность излучения в инфракрасном диапазоне выросла в 75 раз — это, кстати, крупнейшее подобное событие за все время наблюдений. Затем активность вернулась на прежний уровень. А в другой галактике есть черная дыра, масса которой в несколько миллиардов раз больше массы Солнца. Именно ее в прошлом году удалось запечатлеть на фото.

— Это первое в истории фото сверхмассивной черной дыры в галактике М87 журнал Science назвал главным научным прорывом года.

— На самом деле это не обычное фото. Опубликованная фотография была синтезирована коллаборацией Event Horizon Telescope из изображений со многих радиотелескопов. На ней видно излучение от горячего газа вокруг черной дыры, а в середине изображения — как будто дырка. Это, по сути, тень черной дыры. Так как сама она поглощает свет, мы ее не видим. Более того, когда свет проходит мимо черной дыры, он искривляется. Поэтому размер этой «дырки» на фотографии больше, чем размер черной дыры на самом деле.

— Когда черные дыры попали в поле интереса ученых?

— Черные дыры — одни из самых загадочных объектов Вселенной. Они интересны тем, что являются источниками очень мощного гравитационного излучения. Например, когда две черные дыры сливаются в одну, возникает всплеск гравитационных волн, который, что замечательно, мы можем обнаружить на Земле.

Вообще, идея о том, что свет не сможет вырваться из очень большой звезды, давняя. Об этом более 200 лет назад упоминал Пьер Лаплас. Но по-настоящему она обрела жизнь после того, как в 1915-м Эйнштейн получил уравнения для гравитационного поля, а Карл Шварцшильд нашел для них решение. Надо сказать, что понять и осмыслить это решение было сложно, поэтому понадобилась работа других физиков, чтобы его правильно интерпретировать.

— Что из него следовало?

— В частности, что предметы, попавшие в черную дыру, не возвращаются обратно. Они пересекают горизонт событий (точнее, так называемый горизонт будущего, из-за которого можно вернуться, только двигаясь назад во времени). В принципе, предметы могут вылетать из другой области пространства-времени внутри черной дыры, из-за «горизонта прошлого». Однако непонятно, откуда они там возьмутся.

— Не так давно гравитационные волны, о которых тогда же писал Эйнштейн, были открыты физически.

— Это произошло почти спустя сто лет после того, как он открыл их теоретически. В первый раз гравитационные волны от слияния двух черных дыр были открыты в 2015-м. По сути, такие волны — это колебания пространства-времени. Но так как пространство само очень жесткое, эти колебания очень слабые.

— Большинство людей представляют себе пространство как пустоту, в которой что-то происходит, нечто типа пустого склада. А как представить жесткое пространство?

— Это довольно сложно. Нам, например, тяжело представить, что сумма углов треугольника может отличаться от 180 градусов. Для этого нужно, чтобы пространство деформировалось, искривлялось, шло рябью и так далее. Едущий по улице автомобиль или колышущиеся занавески гонят гравитационную волну и искривляют пространство. Только очень слабо. Ни один детектор не сможет это зафиксировать, потому что, повторюсь, на самом деле пространство очень жесткое.

Замести следы

— Так как пощупать черные дыры в центре галактик невозможно и даже наблюдать за ними можно с большой долей условности — лишь по изменениям среды вокруг них, то основной инструмент их изучения, если я правильно поняла,— теория. И сегодня эта область, судя по числу публикаций, стала важной частью мировой науки. Почему именно сейчас?

— Это связано с тем, что черные дыры порождают много необычных явлений, которые вполне можно изучить теоретически. В каком-то смысле создание подобных теорий — игра ума, но при этом такая игра существенно продвигает наше представление о глобальных законах мироздания, в частности, дает надежду решить одну из основных открытых проблем фундаментальной физики: как совместить квантовую механику и гравитацию (речь о создании так называемой теории всего, о чем ученые мечтают десятки лет.— «О»).

— Можете назвать лидеров современной теоретической физики, о которых всем стоит знать?

— Несомненный лидер сегодня — Эдвард Виттен. Он известен работами в теории струн, теории поля и ряде областей математики, в частности, теории узлов (признан физическим сообществом как один из самых талантливых живущих физиков, преемник Эйнштейна.— «О»). Другой безусловный лидер теоретической физики — Хуан Малдасена, профессор физики из Института передовых исследований в Принстоне. Он придумал соответствие между теориями в размерностях N и N+1, что связано с идеей квантовой голографии, о которой мы поговорим позже.

— В чем смысл вашей нынешней работы?

— Настоящие черные дыры существуют в космосе. Моя же работа теоретическая, и она в каком-то смысле про игрушечную черную дыру. То есть мы строим математическую модель и рассматриваем теоретические вопросы, игнорируя некоторые свойства настоящего мира.

Один из интересных вопросов, волнующих сегодня ученых в той области науки, которой я занимаюсь, звучит так: что будет с информацией, которая исчезла в черной дыре? Дело в том, что, согласно классической теории, если информация (говоря упрощенно, речь о любом, в том числе материальном, объекте.— «О») попадет в черную дыру, то она бесследно исчезнет. Однако это противоречит принципам квантовой механики. Физики пытаются разобраться с этим парадоксом около 40 лет.

— Так куда же девается информация?

— Давайте для начала представим, что будет с информацией, если мы просто сожжем флешку. Сможем ли мы ее после этого каким-то образом извлечь? Теоретически сможем, так как микроскопические законы физики обратимы и информация останется закодирована в остатках от флешки и в излучении, которое получилось при сгорании. То есть практически восстановить ее нельзя, а теоретически можно — проследив за каждым атомом и заставив его двигаться в обратную сторону. В будущем, возможно, мы сможем это сделать (не для флешки, а для объекта поменьше) с помощью квантового компьютера, который может моделировать любой физический процесс. Если все операции будут точными, мы сможем прокрутить весь процесс назад внутри компьютера и восстановить информацию.

А что будет, если флешку сбросить в черную дыру? Теоретически мы можем проследить за частицами, пока они не спрячутся за горизонт событий черной дыры. Напомню, это такая поверхность, из-за которой нельзя вернуться. Пересекая этот горизонт, мы движемся в будущее, а, чтобы вернуться, нам нужно будет двигаться в прошлое. После того как частица пересекла горизонт, она через какое-то время попадает в сингулярность — область, где известные нам законы физики не работают. В итоге информация оказывается запертой внутри черной дыры и недоступной для внешнего наблюдателя.

— Заперта, но не исчезла же!

— Это еще не все. Примерно 40 лет назад Стивен Хокинг сделал поразительное открытие, обозначив сразу два свойства черных дыр. Первое — он открыл энтропию (энтропия — разрушение, нарастание хаоса — «О») черных дыр, подтвердив догадку Якова Бекенштейна. Второе — доказал, что черные дыры не только поглощают, как считалось до сих пор, но и излучают. Теперь это тепловое излучение черных дыр называется хокинговским. Из-за него черные дыры теряют массу — «испаряются» и в конце концов погибают вместе со спрятанной внутри информацией. Информационный парадокс черных дыр впервые осознали еще в середине 1970-х. Помимо Хокинга им занимались такие известные ученые, как Кип Торн (ведущий мировой эксперт по общей теории относительности, один из главных разработчиков детектора гравитационных волн LIGO, также известен как научный консультант фильма «Интерстеллар».— «О») и Джон Прескилл (ведущий специалист в области квантовых вычислений, в 2004-м выиграл пари века у Хокинга: Пресскил утверждал, что излучение черной дыры несет информацию, просто мы не можем ее расшифровать, а Хокинг — что информация, попав в черную дыру, навсегда пропадает в параллельной Вселенной.— «О»).

Первое объяснение того, как информация может выйти из черной дыры, придумал в конце 1980-х голландский ученый, нобелевский лауреат Герард Хоофт. Он заметил, что предметы, падающие в черную дыру, создают гравитационное возмущение вблизи горизонта прошлого, которое влияет на последующее излучение.

— То есть на нем появляется отпечаток из информации? Незадолго до своей кончины Стивен Хокинг как раз говорил, что решил информационный парадокс черной дыры: информация не пропадает внутри, а остается снаружи. Это даже породило странные околорелигиозные разговоры о том, что после разрушения любого предмета его «суть» остается записанной во Вселенной в виде голограммы.

— Про это я не знаю. Говоря об информации, тут ключевую идею высказал Хоофт. К сожалению, он претендовал на полное решение загадки черных дыр, что не способствовало пониманию. На самом деле его работа — это только одна дверь, которую нужно открыть на пути к решению. В последние годы было сделано еще несколько шагов, включая мою работу. Она имеет отношение к идеям Хоофта и еще к таким вещам, как эффект бабочки в квантовом хаосе. А буквально прошлой осенью стало понятно, где именно классическая теория (предсказывающая потерю информации) ошибается и как ее подправить, добавив совсем немножко квантовой механики.

Бабочка и квант

— Эффект бабочки в квантовом хаосе — звучит прекрасно. А что это такое?

— Ну начать придется издалека. Что такое хаос? Хаос — это когда происходит что-то сложное и непредсказуемое. Одно из свойств хаоса в том, что небольшое изменение в текущих событиях порождает большие изменения в будущем. Ученые исследовали этот вопрос в 1950-е. В итоге сегодня у нас есть два описания так называемого эффекта бабочки. Один в научной литературе связан с аттрактором (так называют состояние динамической системы, к которому она стремится.— «О») Лоренца. Напомню, что Эдвард Лоренц, родоначальник популярной сегодня теории хаоса, стал, по сути, основателем современных прогнозов в метеорологии, исследовал конкретную хаотическую систему и написал статью «Предсказуемость: может ли взмах крыла бабочки в Бразилии вызвать торнадо в Техасе?». Так и появился термин «эффект бабочки», известный сегодня всему миру. Взмах крыла бабочки в данном контексте должен восприниматься как маленькое изменение начальных условий, способное как вызвать, так и, предположим, погасить торнадо. Второе описание эффекта бабочки мы все знаем по литературному произведению Брэдбери. Собственно, в чем состоит интерес ученых? Они задались вопросом, как описать хаос математически, как его измерить и просчитать.

К сожалению, прямое наблюдение хаоса очень затруднительно, потому что существует всего два способа отличить истинный хаос от кажущейся сложности и непонимания закономерностей. Первый -– создать вторую копию мира и посмотреть, что там будет без какого-либо воздействия. Действительно, если мы возьмем два идентичных мира, в одном из которых бабочка взмахнет крылом, а в другом нет, то события в истории этих двух миров будут расходиться. Ученые делают подобные работы при помощи математических моделей. Другой способ — прокрутить, как мы говорили, все процессы назад. В принципе, это возможно, поскольку законы физики, как обсуждалось раньше, на микроскопическом уровне обратимы. Но мы пойдем дальше и будем сегодня говорить не просто о хаосе, а о квантовом хаосе, который имеет непосредственное отношение к черным дырам.

— Что это такое?

— Идея квантового хаоса впервые появилась в работе Анатолия Ларкина и Юрия Овчинникова 50 лет назад. Вряд ли они тогда думали о таких нереализуемых вещах, как возможность прокрутить время назад. Они решали конкретную физическую задачу про сверхпроводимость. Но в формулах обнаружилось очень странное явление, и они попытались в нем разобраться.

По сути, она описывает процесс путешествия по времени назад.

— То есть теоретически это возможно?

— Да. Обычно, когда мы вычисляем что-то про реальный физический мир, то движемся по времени вперед и вычисляем вероятность некоторого события в будущем. А здесь нужно двигаться вперед, потом назад во времени, а потом опять вперед. Долгое время эта область не развивалась, но совсем недавно, буквально несколько лет назад, ей опять заинтересовались, и сегодня это важная часть современной науки.

— С чем связано возрождение интереса?

— Отчасти с черными дырами. В частности, физики-теоретики Стивен Шенкер и Дуглас Стэнфорд написали работу про эффект бабочки в черных дырах, с которых мы начали разговор. Черные дыры на квантовом уровне проявляют хаотичное поведение, подобное эффекту бабочки. Роль бабочки здесь выполняет любой предмет, который падает в черную дыру. Причем даже сброс одной частицы может серьезно повлиять на будущие события. Последствия маленького изменения в черной дыре возрастают настолько быстро, насколько это вообще физически возможно. Этот рост последствий делает черные дыры самой хаотичной системой, которая может существовать в природе.

— Вы создали математическую модель SYK (модель Сачдева — Йе — Китаева), которая как раз позволяет «прокручивать» время в черной дыре вперед и назад и смотреть, что будет, если на нее будут воздействовать разные объекты?

— Да, чтобы понять, как тот или иной объект повлиял на черную дыру, нужно провести мысленный эксперимент, где мы в какой-то момент прокручиваем время назад, а потом что-то меняем и прокручиваем опять вперед, как в рассказе Брэдбери. Этот процесс математически как раз описывается корреляторами, неупорядоченными по времени. Звучит довольно искусственно, даже для теоретика, но как иначе узнать что-то о горизонте событий, оставаясь снаружи? В какой-то момент я понял, что неупорядоченные по времени корреляторы нужно изучать: их можно определить для разных систем, но в черных дырах они особенные. Потом я нашел подходящую модель, в которой эти корреляторы отвечают максимально быстрому росту возмущений — в точности как в черных дырах. На основе моей модели Малдасена и Чи придумали новую модель. В ней, например, можно моделировать такое интересное явление, как телепортация.

— А кротовые норы, позволяющие перемещаться из одной Вселенной в другую, согласно современным представлениям, существуют?

— Теоретически да. Если возвращаться к классическим черным дырам, есть такое понятие, как кротовая нора, или Мост Эйнштейна — Розена. Это когда за черной дырой, за ее горизонтом событий есть другая черная дыра, которая может находиться в другой Вселенной, но при этом они каким-то образом связаны. То есть пространство и время между ними общее. Правда, из одной Вселенной попасть в другую все равно нельзя. Пространство и время устроены так, что наблюдатель из каждой Вселенной может попасть внутрь черной дыры. Время жизни внутри черной дыры ограничено, потому что любой объект рано или поздно ударяется в сингулярность. Если черная дыра очень большая, такая, что до сингулярности лететь сто лет, это не страшно.

Есть очень узкая область пространства-времени, которая реально соединяет один мир с другим.

— Над чем вы собираетесь работать в ближайшее время?

— В рамках модели SYK я надеялся получить ответы на вопросы, связанные с квантовой голографией. Согласно идее Хоофта и более конкретной теории Малдасены, внутреннее состояние черной дыры закодировано на ее поверхности. Хотелось бы описать эту кодировку в достаточно простой модели. Модель SYK для этого не подошла, потому что она слишком простая. Теперь я хочу создать новую модель.

Физика на завтра

— Вы — автор ряда идей, изменивших современную физику. Скажите честно: работа физика-теоретика похожа на озарение или это кропотливый труд с формулами?

— Безусловно, элемент озарения есть. Сначала ты пытаешься разобраться в интересном вопросе интуитивно. Но так как интуиция любого человека основана на опыте, на знаниях, то в итоге ее уже не хватает, и тогда уже нужно догадку проверять вычислениями, формулировать задачу математически, вычислять и смотреть, что получится. На этом этапе, когда нужно возиться с формулами и по многу раз перепроверять решения, это не так интересно. Но когда все сошлось, появляется уверенность и новая интуиция, и тогда можно двигаться дальше.

— Ваша модель SYK произвела настоящий фурор в научном мире — сегодня ее развивают самые знаменитые физики, те же Виттен и Малдасена. Более того, некоторые именно ее прочат на звание той самой «модели всего», которую так ищут физики.

— Я бы не сказал, что это «теория всего». Она отвечает на конкретные вопросы: когда я ее создавал, то хотел получить ответы на некоторые вопросы, касающиеся черной дыры. Более полная и подробная модель в этом отношении — теория струн, но одновременно она очень сложная, и делать в ее рамках какие-то вычисления очень тяжело. Вот я и задумал подобрать простую рабочую модель.

— Какие задачи вдохновляют сейчас физиков-теоретиков? Что их интересует помимо сгинувшей в черной дыре информации?

— Основная задача — понять квантовую гравитацию. Если удастся, есть надежда, что одновременно решатся и другие задачи. В частности, появится шанс понять, откуда взялась Вселенная, потому что существующие законы физики позволяют проследить развитие Вселенной назад во времени до определенного мига — до Большого взрыва, а дальше возникает неопределенность, и мы не можем узнать, что было в начале.

— Давайте мы тоже вернемся обратно во времени. Вы сами когда увлеклись наукой?

— Интерес к физике у меня с детства, спасибо родителям. Они работали в Воронежском университете в области электроники и радиотехники и, когда мне было лет семь, несколько раз брали меня в свою лабораторию, давали поиграть с осциллографом. На его экране возникали разные красивые фигуры, мне было очень интересно разобраться, что это означает… Затем учился в хорошей математической школе в Воронеже, потом в МФТИ. Сначала я пошел на прикладную математику, но понял, что мне эта тема не очень интересна. Сдав экзамен, поступил в теоргруппу. Наша база была в Черноголовке, в знаменитом Институте теоретической физики имени Ландау. Преподаватели были замечательные: мой руководитель Валерий Леонидович Покровский (сейчас работает в Техасе), Лев Петрович Горьков (крупнейший специалист по сверхпроводимости, умер в США в 2016-м.— «О»), Герасим Матвеевич Элиашберг, Дима (Давид Ефраимович) Хмельницкий и Исаак Маркович Халатников. Я всем им очень благодарен. В середине 1980-х Институт Ландау был одним из лучших мест в мире по теоретической физике. Возможно, самым лучшим. С каким бы вопросом ты ни сталкивался, всегда можно было найти человека, который разбирался в этой области.

— Александр Белавин в интервью «Огоньку» (см. № 30 за 2019 год) рассказывал про семинары в Институте Ландау, где летом под соснами могли что-либо обсуждать с утра до вечера, чем сильно удивляли, к примеру, коллег из США. А вы сами не скучаете по такому подходу в Америке?

— Ну это традиция, связанная со школой Ландау: она порождала людей с очень широким образованием в физике, поэтому они понимали друг друга, даже если речь шла о другой области. Потом все стало меняться. Во-первых, физика стала очень большой, и такого универсального подхода больше не будет. Во-вторых, в 1990-е сами люди разъехались. Сейчас в США, в Калтехе, где я работаю, таких семинаров нет. Есть общие коллоквиумы, где люди доступно рассказывают о своей теме большой аудитории физиков. Есть семинары для специалистов в определенной области, но и там обсуждение нечасто затягивается на несколько часов.

— Вы перебрались в США на общей волне, проработав лет десять лет в России. Сложно было менять привычки?

— В отличие от многих моих коллег, я вначале не искал постоянной работы за границей. Мне повезло, что появилась возможность поработать несколько месяцев в Израиле и во Франции. Это было хорошо и в материальном плане, и в плане знакомства с учеными. В итоге в Америку я попал в 1998-м, когда у меня уже были известные работы по квантовым вычислениям. Первый год работал в Калтехе, после этого два года в Майкрософт, тоже в области квантовых вычислений, затем вернулся в Калтех.

— В свое время вы выдвинули революционную концепцию «топологического» квантового компьютера. В Майкрософт именно под реализацию вашей идеи была создала лаборатория?

— В Майкрософт я начал заниматься квантовыми вычислениями вместе с Майклом Фридманом — известным топологом, лауреатом премии Филдса (аналог Нобелевской премии для математиков.— «О»). Несколько лет спустя он создал свою лабораторию (филиал Майкрософт) в Санта-Барбаре, которая называется Station Q. Я же после работы в Майкрософт поехал в Калтех по приглашению выдающегося физика Джона Прескилла, а потом получил постоянную позицию. Калтех — это тоже прекрасное место: здесь собрано много замечательных людей, работающих в самых разных областях. Так что я, конечно, очень доволен тем, как сложилась моя судьба.

— Вы придумали, как создать квантовый компьютер на новых принципах, и многие физики считают, что именно за этим подходом будущее. На каком этапе эта работа?

— Речь идет о создании квантового компьютера на основе так называемых майорановских фермионов. Эти частицы впервые описал в 1937 году итальянский физик Этторе Майорана. Уникальны они тем, что частица одновременно является своей античастицей. В свое время я предположил, что при определенных условиях на концах сверхпроводящего провода могут возникать так называемые майорановские моды. Это не частицы, поскольку они никуда не движутся, но математическое описание у них похожее. Их главное достоинство — устойчивость к различным возмущениям, поэтому майорановские моды можно использовать в качестве кубитов — квантовых битов, главных элементов квантовых компьютеров. В 2012-м группа под руководством Лео Коувенховена из Дельфтского технического университета (Нидерланды.— «О») впервые получила такие майорановские квазичастицы в эксперименте с нитью из антимонида индия. Сейчас над этим работают две лаборатории — в Дельфте и в Копенгагене. В значительной степени эти исследования финансирует Майкрософт.

— Изменилась ли ваша жизнь после того, как вы получили премию Юрия Мильнера Fundamental Physics Prizes размером в 3 млн долларов?

— Конечно, это укрепило финансовое положение, придало уверенности. Также это определенная известность, поступают новые предложения о работе — думаю, премия сыграла в этом свою роль.

— Верите ли вы в прогресс? Человечество способно двигаться от худшего к лучшему?

— Конечно, сейчас люди живут лучше, чем сто лет назад, так что прогресс очевиден. Но параллельно происходят вещи нехорошие и опасные, и я не берусь сказать, что пересилит в итоге. На мой взгляд, есть две существенные угрозы, к которым человечество должно подготовиться, чтобы их пережить. Первая связана с исчерпанием природных ресурсов, вторая, еще более существенная,— с искусственным интеллектом.

— Стивен Хокинг предостерегал, что повсеместное внедрение искусственного интеллекта приведет к массовой деградации. Вы это имеете в виду?

— Думаю, многие люди останутся без работы. Надеюсь, физики будут не первыми, но очередь дойдет и до нас. Искусственный интеллект действительно может эффективнее человека работать в огромном количестве направлений. Это серьезный вызов, который потребует перестройки всей структуры общества. Глобальная безработица приведет к тому, что нам придется придумывать какие-то занятия искусственно. В целом же опасная ситуация возникнет, когда человечество утратит контроль. Поначалу все важные решения будут принимать люди. Но потом компьютеры станут настолько умнее, что мы просто перестанем понимать, что происходит. Фактически люди окажутся на второстепенных ролях, что-то вроде домашних животных, пусть даже и любимых своими хозяевами.

Другая опасность для цивилизации — неважно, будет ли это цивилизация людей или цивилизация роботов,— связана с радикальным изменением устоев. Миллионы лет живые существа в том или ином виде борются за выживание, люди стремятся жить лучше, и этот механизм хорошо работает. А вот какие цели будет преследовать искусственный интеллект и будет ли новая система устойчивой — непонятно. В конечном счете будет то, что будет. Мы не можем спланировать или предсказать далекое будущее или даже сказать, что хорошо, а что нет. На ближайшую перспективу хотелось бы, чтобы человечество избежало глупых ошибок.

Беседовала Елена Кудрявцева

Чтобы проникнуть в организм человека, отследить и обезвредить болезнь, понадобилась новая наука — на стыке нанофизики и биологии. Она вооружила нас биосенсорами, которые обещают вскоре изменить медицину, затем человека, а в перспективе — даже заставить чувствовать роботов. О горизонтах биофизики и чудесах, которые уже ей подвластны,— профессор Сколтеха и ассоциированный профессор Университета Северного Техаса Владимир Драчев.

Возможности новой науки поможет представить одна деталь — уже сегодня ученые научились отслеживать в организме человека, причем в режиме реального времени, повреждение одной-единственной цепочки ДНК, а ведь именно с этого начинаются многие заболевания, в том числе развитие рака. Реальноым все это стало благодаря биосенсорам, рынок которых, разогреваемый появлением новых инфекций и заболеваний, развивается быстрее других отраслей медицины. По прогнозу аналитиков исследовательской компании Grand View Research (США), за пять лет общий рынок биосенсоров вырастет с 21,2 млрд долларов в 2019 году до 31,5 млрд в 2024-м. «Огонек» постарался выяснить, что нам от этого ждать.

— Владимир Прокопьевич, вы много лет разрабатываете биосенсоры, которые, судя по шквалу научных публикаций, стали одними из самых популярных медицинских устройств. Давайте начнем с определения: что же это такое?

— Биосенсоры — это миниатюрные устройства, которые используют биофизические технологии для «распознавания» определенных молекул — индикаторов болезни. Понятный аналог биосенсора — наше обоняние, благодаря которому мы можем определять, что находится в атмосфере. На самом же деле мы знаем огромное количество разновидностей биосенсоров: самый древний — канарейка, которую шахтеры брали под землю, так как эти птицы чрезвычайно чувствительны к уровню метана.

— А можно сделать биосенсор для обнаружения, скажем, коронавируса?

— С моей стороны было бы нескромно давать комментарии на эту тему. Сам по себе сюжет уже стал политическим, это если не говорить о сугубо практической стороне вопроса. А я все-таки далек и от того, и от другого. Тем не менее уверен, что такие биосенсоры уже есть.

— Как бы то ни было, рынок биосенсоров — это миллиарды долларов уже сегодня. Откуда такой размах? Можно ли обозначить главную цель разработчиков? 

— Конечно. В идеале медики хотят получить сенсоры для обнаружения всех болезней. Впрочем, современные биосенсоры могут диагностировать болезнь в режиме реального времени — внутри организма. Более того, они столь чувствительны, что могут определить буквально одну молекулу вещества в образце. А в будущем они смогут не только «отлавливать» болезнь на старте, но и тут же устранять «поломку». Это и есть самая давняя мечта человека — быть здоровым и жить долго.

— Мечта понятна, но она все чаще обрастает скандалами: недавно прекратила работать компания Theranos, собравшая под свой стартап 9 млрд долларов. Они обещали по капле крови делать 240 анализов, в том числе на онкологические заболевания.

— Такие скандалы возникают из-за завышенных ожиданий. Ведь основательница компании обещала воплотить в жизнь сразу несколько прорывных изобретений — безболезненный забор крови, анализ сотен заболеваний за 15 минут, применение адресного лечения в режиме реального времени и так далее. В итоге оказалось, что подавляющее большинство анализов делали обычным способом или подтасовывали результаты. Сейчас этот стартап называют чуть ли не крупнейшей аферой в истории Кремниевой долины.  

— Вы занимаетесь разработкой систем адресной доставки лекарств и в США, и в России. Это же тоже давняя мечта человечества о «волшебной пуле»: препарате, который сам находит и убивает возбудителя болезни. Какую роль здесь играют биосенсоры?

— Оговорюсь сразу: схема применения биосенсоров сложная, но она одна из самых перспективных. Представьте, что для начала нам нужно создать маленькую капсулу из полимеров или наночастиц металлов размером в один микрон (клетка больше такой капсулы в сотню раз!). К капсуле прикрепляют биосенсор, внутрь загружают лекарство, которое нужно доставить в какую-то точку организма. Это можно сделать «самотеком» — тогда капсула будет «блуждать» вместе с потоком крови до тех пор, пока не встретится со своей мишенью. Либо с помощью особого лазерного пинцета: тогда капсулу помещают в фокус лазерного луча и двигают по поверхности или же внутри клетки. Последняя технология — совсем новая, экспериментальная.

Следующий этап. В процесс включается биосенсор, который размещен на капсуле. Он взаимодействует с молекулами на поверхности или внутри клетки и испускает соответствующий спектр излучения. Анализируя его состав, мы можем сказать, больная эта клетка или здоровая. Ну а когда мы убедились, что капсула достигла цели и перед нами, предположим, раковая клетка, мы отдаем команду разгрузить лекарство, а затем с помощью микроскопии высокого разрешения можем «посмотреть», как оно работает. Вся эта цепочка называется тераностика: вы можете не только диагностировать болезнь, но и вылечить ее. Сегодня целый ряд лекарственных средств, адресно доставляемых для лечения рака, находится на этапе клинических испытаний.

Оседлать электрон

— Вы сказали, что биосенсоров — великое множество. А в чем особенность сверхчувствительных устройств этого типа? 

— Речь идет о так называемых плазмонных сенсорах. В мире настоящий бум подобных исследований: если вы наберете в поисковике слово «plasmonics», то увидите, что на эту тему публикуется в среднем по статье в день, а то и больше. За прошлый год, например, было напечатано около 700 научных статей.

— Так в чем же принципиальное отличие?

— Дело в том, что тот сигнал от молекул, который нам нужно зарегистрировать, очень слаб. Чтобы его усилить, используют маленькие частички металлов. При взаимодействии со светом они порождают определенный отклик, который мы можем детектировать. Вообще, наука о взаимодействии света с электронами внутри металлических частиц называется плазмоникой. А плазмон — это коллективные колебания электронов внутри металла. При взаимодействии света с наночастицами металла возникают удивительные эффекты. Например, такие биосенсоры могут не только распознавать химический состав молекул, но и их сложную структуру, так называемые конформационные состояния молекул (речь о пространственном расположении атомов.— «О»).

— Плазмоника, кажется, одна из самых молодых наук?

— На самом деле у нее очень глубокие корни. Первыми ее адептами были алхимики, которые в числе прочего занимались изготовлением стеклянных витражей. Они добавляли металлическую пудру в стекло и получали совершенно неожиданные цвета, никак не соотносящиеся с изначальным цветом металла.

Первый, кто упорядочил существующие знания и сделал это наукой, был Майкл Фарадей. Он занялся изучением коллоидных растворов. Это такие жидкости, в которых находятся чрезвычайно мелкие частички вещества. Оказалось, что если, к примеру, золото желтого цвета, то его коллоидный раствор будет красным, как рубин. Фарадей догадался, что изменение цвета связано с размером частиц. Кстати, бутылочки с раствором, изготовленные Фарадеем, и сегодня можно увидеть в музее в Лондоне.

Следующий этап связан с работой австрийского физика Зигмонди: он научился рассматривать эти частицы в микроскоп. В 1925-м ему за это вручили Нобелевскую премию.

Примерно в то же время знаменитый физик Роберт Вуд смог «разглядеть», как волна электронов уходит вдоль поверхности решетки. Он заложил основу технологии поверхностного плазмонного резонанса (Surface Plasmon Resonance, SPR). Именно она лежит в основе сверхчувствительных оптических биосенсоров.

— Насколько я понимаю, в этой науке русский след тоже присутствует?

— Да, в 1928 году в МГУ академик Леонид Мандельштам (один из основателей отечественной научной школы радиофизики.— «О») и академик Григорий Ландсберг сделали потрясающее открытие. Его суть: если на органическую молекулу падает свет, то большая часть света рассеивается без изменения частоты света. По этой причине мы видим голубое небо, а если поднимается пыль, то атмосфера становится красноватой. Но часть света рассеивается со сдвигом частоты, и он разный у разных молекул. Наши ученые назвали такое рассеяние комбинационным. Оказалось, что у каждой молекулы есть свой спектр рассеянного излучения, такой же уникальный как отпечатки пальцев у человека.

Буквально в то же время в Калькутте индийский ученый Чандрасекхара Венката Раман и его студент Кришнану обнаружили схожий эффект, правда, объяснили его неправильно. Но свою работу они опубликовали на неделю раньше. Поэтому в англоязычной литературе этот эффект называется «Рамановское рассеяние», а в русской «комбинационное рассеяние света». Уже в 1930-м, через два года после открытия, Раману вручили Нобелевскую премию. Это уникальный случай, но значимость открытия была столь велика, что комитет на это пошел.

— Обычно ведь Нобелевскую премию дают, если открытие нашло практическое применение?

— Это случилось практически сразу: уже в 1932-м придумали, как применять этот метод для изучения и идентификации биологических молекул. Правда, столкнулись с массой трудностей: что делать, если у вас сложная молекула, типа белка? Как ее идентифицировать? До последнего времени сделать это точно было довольно трудно.

— В следующее десятилетие прорыва не произошло. Помешала Вторая мировая?

— Скорее не хватало технического оснащения. Это направление науки продолжило развиваться с появлением в 1960-е лазеров. В 1974 году произошел прорыв. Тогда открытие комбинационного рассеяния неожиданно связалось с работами Фарадея, Зигмонди и математика Густава Ми. Еще в вначале XX века он вывел математические формулы, описывающие рассеяние света малыми шарообразными частицами. Сегодня эти формулы — теоретическое основание новейших направлений науки — нанотехнологии и плазмоники.

Так вот, группа авторов обнаружила, что если мы измеряем спектр комбинационного рассеяния вблизи поверхности электрода (можно представить, как если бы на гладкую поверхность набросали металлические наночастицы), то сигнал увеличился в сто тысяч раз! То есть оказалось, что слабый сигнал от молекул можно усилить. Этот эффект, который назвали «гигантским комбинационным рассеянием», стал революционным открытием. Ученые начали активно изучать спектры молекул в различных растворах и в начале 1990-х смогли «разглядеть» одиночную молекулу в образце. Это тоже было прорывом.

— Можно предположить, где нужна такая точность? 

— Это хороший вопрос. На самом деле биологи, которые давно наблюдали за успехами плазмоники, говорили: хорошо, вы похвастались, что можете «узнать» одну молекулы, но нам не нужно одну, нам нужно примерно тысячу, сделайте нам конкретный инструмент!

— Когда же его сделали?

— Впервые до конкретного продукта эту технологию довели до ума в конце 1990-х в Швеции. Этим занялся Технологический институт в Линчепинге и Национальный научно-исследовательский институт обороны Швеции (ныне — Шведское агентство оборонных исследований). Вообще все подобные технологии — двойного назначения: военные, с одной стороны, разрушают здоровье людей, с другой, именно они первыми осознают, что нужны способы защиты личного состава, а потому воспринимают все новое, что преподносит наука. Словом, в результате ученые из этих учреждений разработали метод определения целого набора белков в крови, которым с тех пор пользуются буквально везде. А созданная ими компания завоевала половину мирового рынка плазмонных биосенсоров.

— В чем сложность создания таких устройств?

— Сложность в том, что мы говорим об очень точных приборах. Им ведь предстоит распознавать очень небольшие концентрации молекул, особенно если мы говорим о начальных стадиях болезни. Например, на поверхности клеток есть так называемые мембранные белки, отсутствие одного белка и присутствие другого говорит о том, будет ли определенная клетка делиться или нет, то есть раковая она или нет. Хотелось бы уметь определять это для каждой клетки.

— Какие биосенсоры наиболее востребованы?

— Конечно, в первую очередь те, что позволяют диагностику онкологии. Буквально в конце февраля ученые из Университета Центральной Флориды заявили о готовности продавать тест-полоски для определения рака простаты в домашних условиях. Они заменили наночастицы золота, используемые в таких тестах, на полые структуры, которые генерируют более сильный цветовой сигнал как раз благодаря локализованному поверхностному плазмонному резонансу. Это делает тест более чувствительным и позволяет обнаруживать низкую концентрацию онкомаркеров.

У нас, к слову, биосенсор для определения гормона кортизола разрабатывают ученые из Сколтеха и МГУ.

— Почему выбрали именно кортизол?

— Он самый разрушительный для организма. Кортизол вырабатывается в ответ на экстренные ситуации: стресс, переутомление, большие физические нагрузки, страх. А его избыток в крови разрушает мышцы, провоцирует ожирение, истощение организма, депрессии, снижение иммунитета, нарушение памяти и сна и так далее.

— В чем сложность измерения уровня гормона? Вроде бы это умеют делать довольно давно, используя кровь, слюну и даже волосы? 

— Ни один из этих вариантов не дает быстрых результатов. Кроме того, ученым интересно исследовать стресс в режиме реального времени. В основном это нужно медикам, которые исследуют новые лекарства: они проверяют, как организм переносит стресс в зависимости от того или иного препарата. Но если вы берете кровь у мыши, сама манипуляция для нее — уже стресс, и о точных результатах не может быть речи. Поэтому мы разрабатываем специальный биосенсор, который имплантируют в организм животного. Информация передается в режиме реального времени, а мы регистрируем сигнал портативным спектрометром.

Наука внедрять

— Можно определить группу ученых, которая является законодателем мод в этом направлении?

— Это настолько популярная область, что сложно выделить кого-то одного. В США практически при каждом большом университете есть если не клиника, то биомедицинский центр, где ведутся такие работы. Прорыв произошел после принятия Национальной нанотехнологической инициативы в 2000-х. Тогда по указу президента в пяти национальных лабораториях США с нуля построили огромные нанотехнологические центры с новейшим оборудованием. Они были сориентированы всего в двух направлениях: либо электроника, либо биомедицина. Кроме того, в США совершенно другой порядок финансовых возможностей, в том числе в университетах. Например, есть «успешные» выпускники, которые могут выделить для своей альма-матер 60 млн долларов, чтобы построить новейшее здание центра для работы биотехнологической лаборатории. Я это наблюдал, работая в одном университете. Еще в больших университетах есть ассоциации выпускников, которые привлекают средства, а потом отслеживают их правильное распределение. Коммерциализация наукоемкого продукта — особая и очень непростая наука, ей должны заниматься специалисты. Насколько я понимаю, в России в Сколтехе усилия направлены на создание такой атмосферы, которая поможет налаживать связи между учеными и теми, кто будет внедрять разработки. Это чрезвычайно важно, потому что средства, полученные от внедрения того или иного ноу-хау, в любом случае будут работать на развитие науки в целом.

— Кто продвигает науку в вашей области в России? В первую очередь, наверное, фармкомпании?

— Вовсе нет, в России это не очень популярно. Отечественные фармкомпании сегодня, насколько я знаю, функционируют по одной формуле — купили зарубежную линию, которая производит какой-то конкретный препарат. Им не очень интересно финансировать научные разработки, потому что даже встроиться в эту линию невозможно. Поэтому в основном биосенсоры разрабатывают ученые, занятые фундаментальной наукой. Сегодня есть очень сильные группы в МГУ, МФТИ, Новосибирском университете, Петербургском университете информационных технологий, механики и оптики (ИТМО), в СПбГУ. Есть прекрасная группа в Саратовском госуниверситете, которая разрабатывает сенсоры для адресной доставки препаратов в онкологии. Наши ученые умеют делать по-настоящему перспективные вещи, может быть, когда-то в это поверят российские компании и промышленность.

— Как получилось, что вы попали в столь перспективную отрасль? Вряд ли она была таковой 30–40 лет назад?

— Мне повезло, я окончил в 1980-м Новосибирский государственный университет. Моим учителем был профессор Сергей Раутиан — кстати, ученик того самого академика Ландсберга, которому принадлежит открытие комбинационного рассеяния. Так что я в каком-то смысле научный внук Ландсберга. Это большая удача — встретить в своей жизни такого крупного ученого. Я занимался спектроскопией, а это предполагало изучение биологических молекул. Кроме того, под руководством Владимира Сафонова я приобщался к задачам оптических свойств наночастиц металлов и разрабатывал лазеры.

— Как вы попали на работу в США? 

— В 1998 году создалось впечатление, что ученые в России больше не нужны. Меня на полгода пригласили поработать в Университет штата Нью-Мексико, затем — в Университет им. Джона Пурдью (штат Индиана). Это по-своему знаковое место: его основали в конце XIX века в паровозную эпоху. Тогда паровозы были самой передовой технологией, как сейчас — компьютеры. Он стал первым университетом, у которого появился свой аэропорт, сегодня среди его выпускников — 25 астронавтов, включая Нила Амстронга. Там я попал в коммерческий проект, в котором мы разрабатывали методы измерения очень малых концентраций вещества как раз с помощью гигантского комбинационного рассеивания. Мы изучали, чем отличаются инсулины, которые нужны для лечения диабетов разных типов. Оказалось, что в обоих случаях инсулины должны содержать в своем составе 51 аминокислоту, а отличаются друг от друга лишь порядком двух из них. Но этого оказалось достаточно, чтобы молекулы имели разные спектры рассеяния.

Потом с учеными из другого департамента мы сделали работу по поиску онкомаркеров с помощью золотых наночастиц. Сейчас здесь, в Сколтехе, мы начали работу на очень перспективную тему, связанную с магнитными металлами. Оказалось, они не очень-то исследованы с точки зрения плазмоники. В отличие от золота, серебра у них резонанс проявляется не в видимой области, а в ультрафиолетовой, что совпадает с резонансом биологических молекул. Таким образом, это может быть очень интересно для разработки систем тераностики, о которой мы говорили в начале.

Чувства для робота

— Довольно часто в интервью современных ученых звучит мнение, что общий уровень образования студентов падает. Вы это ощущаете? Как-то повлияло на желание молодежи идти в науку то, что финансирование науки стало сокращаться даже в США?

— В США финансирование науки не падает, но уже очень давно не растет. Там создана хорошо работающая прозрачная система, в которой понятно, как подать заявку, как стать магистрантом или аспирантом, что делать в случае визовых вопросов. Это многих привлекает. Фактически, чтобы начать работать, ученому достаточно выучить английский язык. Сейчас среди моих студентов есть много ребят из Китая, Индии, Ирана, Пакистана. Доля российских студентов, по моему ощущению, становится меньше, но статистики у меня нет.

— Говорят, китайские студенты отличаются какой-то особенной работоспособностью.

— Знаете, российские студенты не уступают китайцам ни по способностям, ни по трудолюбию. В России есть очень много способных молодых людей с сильной мотивацией. Сейчас молодым ученым стало проще съездить на месяц-другой в Европу, и это очень хорошо. Они видят, что наука, которая делается в Москве, ничуть не уступает мировой.

Интересная особенность есть у американских студентов: они, как правило, меньше заинтересованы собственно в науке и сразу после обучения хотят работать в компаниях. У них в моде, к примеру, такая забава: взять очень популярную нынче компьютерную программу и посчитать, какая у тебя будет пенсия, если ты долго будешь учиться на профессора, если проработаешь в университете столько-то лет, а потом уйдешь в коммерцию и так далее. Они очень хорошо в этом разбираются.

— Как вы относитесь к прогнозам некоторых специалистов, что разработка биосенсоров на основе меди и графена сможет наделить чувствами кибернетические организмы? 

— Я знаю, что разработкой таких биосенсоров занимается очень хорошая группа ученых в Физтехе. Но на самом деле мы пока еще очень плохо представляем себе, как создавать полноценные кибернетические организмы. А вот собрать отдельно «электронный нос» или «электронный глаз» уже можем. В целом же потребность в таких разработках сегодня очень большая — в этом я согласен с учеными из МФТИ.

Думаю, что реально мы будем жить дольше лет на 20, но вряд ли больше.

— Почему?

— Мне кажется, что тут уже вступят в силу какие-то другие, небиологические законы, потому что человеку дольше ста лет жить скучновато. В целом же в ближайшее время интерес к биомедицине, по моим ощущениям, будет заслонять интерес к компьютерным технологиям. Но уверен: насытившись цифровыми технологиями, мы вернемся к роскоши человеческого общения. Здесь у меня взгляд довольно оптимистический. Так что чем больше люди будут заниматься биомедициной и биофизикой, развивая свою любознательность, тем лучше. Это позволит совершить следующий научный переворот без революций.

Беседовала Елена Кудрявцева

Лауреат десятка самых престижных премий Александр Замолодчиков объяснил «Огоньку», с чем связан кризис в мировой науке, с какой стати физики начали изучать человеческое сознание и почему Илон Маск никогда не станет современным Николой Теслой.

— Александр Борисович, недавно физик-теоретик Паоло Джордано написал работу о коронавирусе, и та мигом стала бестселлером. Можно ли объяснить феномен тем, что физики-теоретики остаются мировой научной элитой, к чьему мнению прислушиваются всегда?

— В современном обществе происходят серьезные метаморфозы, и науку это затрагивает. Мне, в частности, кажется, что с каждым новым поколением ученых занятие наукой превращается все больше в игру и в этом принципиальное отличие от старой школы. Например, вся советская школа Ландау выросла на основе идеи о том, что занятие наукой — это очень серьезная вещь, поэтому нельзя ошибаться, делать что-то некачественно. Мой учитель, Карен Тер-Мартиросян, внушил мне в отношении науки уважение, которое сродни благоговению. А сегодня это теряется. Среди молодых ученых так стараться не принято, все хотят больше свободы. Понятно, что это касается не только науки, таковы настроения современного общества в целом. Нам говорят: нужно жить согласно желаниям своей души и так далее. Может быть, это и правильно, но ответственность тоже нужна. Я, как и всякий человек, который живет давно, думаю, что в наше время было лучше. Хотя «лучше» — это этическая категория, которую к науке применить трудно.

— Предположу, что у вас в семье был культ науки, не случайно вы и ваш брат-близнец Алексей достигли результатов, которые во многом определили лицо современной теоретической физики. Можете рассказать, как воспитывают ученых?

— Знаете, а нас никак особенно не воспитывали. Мы долгое время вообще не интересовались, чем занимался отец, и большую часть времени проводили в играх. Он после войны окончил Московский энергетический институт, работал в Курчатовском институте, затем — главным инженером Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований в Дубне. Затем, ближе к 7–8-му классу, выяснилось, что мы неплохо решаем задачи и даже выиграли какую-то Всесоюзную олимпиаду по физике. Но в целом, думаю, дело было в какой-то общей атмосфере вокруг.

У нас дома бывал Бруно Максимович Понтекорво (один из создателей теории нейтрино, начинал свою деятельность в знаменитой группе Энрико Ферми, затем работал в Париже у Фредерика Жолио-Кюри, участвовал в британском атомном проекте, а в 1950-м эмигрировал в СССР.— «О»). Все это, конечно, накладывало отпечаток. Отец считал, что теоретическая физика высоких энергий — это универсальное образование, из которого потом можно перейти в любую другую область. Вообще физика высокой энергии в Советском Союзе была модной темой — она хорошо финансировалась, была престижной, тут происходило много интересного, и сюда шли молодые люди, которые хотели достичь успеха.

— А куда сегодня в науке нужно идти молодым людям, которые хотят достичь успеха?

— Это вопрос сложный, потому что сегодня наука очень специализируется и ориентироваться во всех направлениях нереально. К тому же, как мне кажется, в физике сейчас некий кризис.

Фундаментальная наука, а именно физика высоких энергий, попала в такую стадию, когда оказалась очень далека от эксперимента. Проверять идеи экспериментом технически невозможно.

Поэтому сегодня так много внимания уделяют космологии и астрофизике: наблюдение за космическими объектами — один из немногих экспериментов в этой области, который еще возможен. Впрочем, и он, на мой взгляд, бедноват, и по-настоящему экспериментально проверять идеи таким способом в полной мере вряд ли получится.

— И каким же способом их проверять?

— Можно теоретически. Но это вторая часть этого кризиса. Обычная теория работает таким образом: вы имеете набор фактов и пытаетесь создать аппарат, который учитывает их и позволяет вывести другие свойства. И если эти свойства хорошо укладываются в вашу теорию, то она в конечном итоге может быть правильной. Но для этого нужно придуманную структуру, например, сложную систему уравнений, решить. Теория становится большой математической задачей. Так вот, проблема современной науки в том, что легкие задачи уже решены, а задачи определенной математической сложности продвигаются очень плохо. И в целом для этого, наверное, нужна какая-то новая математика.

Собственно, в этом в основном заключается моя деятельность: поскольку мы не знаем, как решать по-настоящему сложные уравнения, нужно изобрести некую упрощенную реальность, в которой эти уравнения будут выглядеть проще, и мы сможем найти их решения. Это дает нам возможность понять, что вообще можно сделать со сложными уравнениями. И, надеюсь, идеи о том, какие математические структуры в принципе должны существовать для описания уже настоящей физики.

— Вы, насколько я знаю, пытаетесь упростить одно из самых сложных понятий — квантовую теорию поля.

— По сути, эта теория объясняет поведение частиц в микромире. Представьте, что в каждой точке пространства есть какой-то маленький механизм и все эти механизмы как-то согласованно работают. Если теперь туда добавить квантовую механику, то возникает квантовая теория поля.

Но я изучаю некую природу упрощенного свойства. Когда у нас вместо пространства есть одна линия и все предметы движутся друг за другом, как вагоны трамвая. При этом в таких моделях очень многие свойства квантовой теории поля сохраняются, и мы можем многое сказать о ее свойствах, понять, что она способна сделать, а какие выводы будут совершенно немыслимыми.

— Я слышала, что вашими формулами в этой области интересовался один из самых знаменитых физиков мира — Ричард Фейнман.

— Я об этом знаю только по рассказам. Говорят, что, когда после его смерти сняли доску в его кабинете с последними записями, там были формулы, к которым я в свое время тоже приложил руку, это касалось одномерных систем и каких-то точных решений.

— В этой области у вас есть известные работы с братом?

— У нас с Алешей были две важные работы, одна из них — по точному решению модели двухмерной гравитации. На самом деле есть много идей, которые я черпал из общения с ним (Алексей Замолодчиков скончался в 2007 году.— «О»). Например, сейчас я занимаюсь некоей задачей и вспоминаю, что лет тридцать назад он говорил, что знает, как ее решить. Тогда я его забыл спросить как, а сейчас у меня решить не получается.

Прогресс на паузе

— Иногда говорят так: пусть с фундаментальной наукой у нас сегодня проблемы, зато развиваются технологии, прикладная наука. Можно ли утверждать, что это сродни тому, что было в XIX веке, когда весь накопленный потенциал научной мысли вылился в небывалый технический прогресс?

— В том-то и дело, что нет. Мы до сих пор не можем решить технические задачи, которые стоят перед физиками уже не первый десяток лет. Например, есть знаменитая задача о том, как устроен вихревой след в потоке жидкости или воздуха. Объясню проще. Вы садитесь в самолет, и вам говорят: мы попали в зону турбулентности. Так вот, на самом деле никто не понимает, как реально устроена физика этого процесса.

— Есть такая байка: когда нобелевского лауреата по физике за 1932 год Вернера Гейзенберга спросили, какие бы два вопроса он задал Богу, тот сказал: «Почему относительность? И почему турбулентность? Думаю, на первый вопрос у него точно будет ответ». Подразумевается, что на второй вопрос ответа нет.

— Со времен Гейзенберга ничего не поменялось. Все уравнения известны, но решить их никто не может. Мы не можем математически описать то, что происходит с самолетом и другими предметами во время турбулентности, не можем вполне понять, что такое турбулентный след, описать его математически. А это имеет очень большое прикладное значение. И если мы когда-либо узнаем, как это работает, будет огромный технологический скачок. Турбулентность связана со случайными колебаниями в таких переменных, как скорость и давление, и очень распространена в природе — в различных потоках воздушных, водных, геофизических и так далее. Турбулентность, например, рождается в потоках над лопастями турбин, закрылками...

— Когда вы говорите о тупике, в каких областях он наиболее очевиден?

— Мы совсем не понимаем, что делается в микромире. Мы более или менее понимаем поведение элементарных частиц на расстояниях примерно десять в минус 15-й степени (речь идет о слабом взаимодействии элементарных частиц.— «О»). Но что делается на более малых расстояниях? Когда ученые говорят: «Мы знаем, что происходит на планковских расстояниях (примерно 1,6 на десять в минус 35-й степени метра, считается, что именно на этом масштабе существуют "вибрирующие" струны, из которых состоят элементарные частицы.— "О")», я воспринимаю это как абсурд. Считается, что в какой-то момент срабатывает квантовая гравитация, но никто реально не знает, что это такое. Кода мы произносим слово «струна» — это на самом деле ничего не означает.

— Говорят, что на таких размерах можно говорить о квантовой пене. Это что такое?

— Считается, что пространство-время в малом масштабе будет не гладким, а состоящим из множества небольших областей, в которых оно как бы сильно скомкано, понятия близкого и далекого перепутаны. Но это только образ, чтобы описать что-то совсем уже непонятное. Мне кажется, что такой подход не серьезен и нам нужно искать что-то другое. Создатель должен каким-то другим образом дать нам понять, что он думал, когда создавал законы природы.

— Не это ли и вызывает сегодня инициативы физиков-«экстремистов», которые предлагают вообще отказаться от многих общепринятых идей, например от идеи темной материи и темной энергии, заменив их другими субстанциями?

—Темная материя и энергия — это сегодня, собственно, почти единственная серьезная экспериментальная часть, которая поддается астрономическим наблюдениям. Она как раз говорит о том, что те уравнения, которые мы знаем, в целом верны, но нуждаются в некотором дополнении.

Ведь что такое темная материя? Мы живем в мире, с которым можно взаимодействовать самыми разными способами.

Например, мы можем управлять электромагнитным взаимодействием между частицами или даже какими-то ядерными силами внутри них. Но есть такие составляющие материи, которые с нами не разговаривают никакими воздействиями, кроме гравитации.

Мы сегодня с помощью современной техники можем определить происходящие в космосе гравитационные явления и понять, что где-то там плавают куски материи, которые ни с чем не взаимодействуют.

— Можем ли мы надеяться «разглядеть» основу этого «языка» гравитации — частицу гравитон в гравитационном излучении? Как «разглядели» фотон в электромагнитной волне.

— Давайте начнем с гравитационного излучения. Считается, что ученые наблюдать его научились. Но что это означает на деле? Ученые «видели» его, наблюдая за свойствами пульсаров. Пульсары — вращающиеся нейтронные звезды, которые по массе примерно соответствуют Солнцу, а их размер — всего 10 километров.

Обычно физики-теоретики пишут какие-то уравнения, пытаются их решить и смотрят, к чему из наблюдаемых событий это решение подходит лучше всего. Свойства пульсаров очень хорошо объясняются наличием гравитационного излучения. По сути, их гравитационная составляющая была соотнесена с существующими расчетами. С гравитоном так не получится: эффекты гравитации столь слабые, что мы не сможем создать столь чувствительный прибор, который поможет нам «ощутить» его присутствие.

— Многие ваши коллеги говорят, что гравитон для современных физиков — это объект веры, в него можно верить или нет.

— Может, конечно, и так. Но я бы вспомнил Эйнштейна. Говорят, в ответ на вопрос, верит ли он в Бога, он ответил в том смысле, что дело не в том, чтобы верить, а в том, чтобы знать.

Головной вопрос

— А как бы вы ответили на вопрос, заданный Эйнштейну?

— Я бы хотел верить, но это занятие трудное. Верить — это как по канату ходить — надо все время за собой следить. Если вы даже обрели какое-то равновесие, но при этом остановились, вы непременно полетите вниз. Поэтому нужно постоянно работать, чтобы себя в этом смысле восстанавливать.

Как ученого-естественника меня в первую очередь занимают конкретные факты. Если посмотреть на человеческую историю, то мы видим, что религиозное чувство возникает во всех обществах в ста процентах случаев, и это поразительно. Мне кажется, что религиозность — это определенное свойство человеческого сознания.

— Мы мало что можем сказать о сознании.

— Да, я вообще считаю, что сознание — самая интересная естественно-научная проблема. Ничего более интересного, чем человек, вокруг нас нет. Но мы даже примерно не можем понять, как его изучать, и поэтому вынуждены заниматься остальной ерундой, довольствоваться изучением явлений вокруг нас. Пока мы смотрим на физические или биологические аспекты окружающего нас мира, нет никаких препятствий для того, чтобы все это объяснить различными законами природы. А вот когда доходим до сознания, то оказываемся в тупике. Проблема человеческого сознания — единственная, совершенно не решенная наукой задача.

Возможно, что когда мы поймем, как устроено сознание, то увидим, что оно обязательно требует религиозного чувства. Как у сердца есть правый желудочек и левый просто потому, что оно так устроено, так же, возможно, окажется, что у нашего сознания есть две составляющие: одна — наше рациональное мышление, а другая — религиозная.

— Ну тогда бывают и патологии...

— Конечно, куда же без них. Это все очень интересно, и эту тему стоит изучать. Когда я говорил, что в физике высоких энергий сегодня нет эксперимента, то это имеет вполне зримые последствия: многие люди начинают уходить в смежные области, например, в физику твердого состояния. Кроме того, я знаю некоторое количество физиков, которые раньше занимались физикой высоких энергий, а потом поняли, что все это не то, что им как раз гораздо интереснее заниматься сознанием. Сегодня такой переход не редкость.

— Можно привести пример?

— Есть такой аргентинский физик Мигель Вирасоро, который в свое время был знаменит в разработке теории струн. Он работал и преподавал в Израиле, Италии, США и Франции, в CERN в Женеве. Специализируется на физике элементарных частиц и теории поля (алгебра Вирасоро лежит в основе теории струн.— «О»), позднее заинтересовался статистической механикой и проблемами сложности. Кроме него есть целый ряд других специалистов, преимущественно из итальянской школы.

— Интересно, почему они?

— Здесь все достаточно очевидно, потому что у них есть замечательный физик Джорджо Паризи. Он знаменит тем, что понял строение спиновых стекол. Спиновые стекла — это магнитные материалы с необычными магнитными свойствами. Свойство материи там таково, что вещество может быть в бесконечно разнообразном состоянии. И процесс, где такое вещество «выбирает», в каком состоянии ему быть, как оказалось, сходен с тем, как происходит механизм запоминания. Блестящая идея Паризи состояла в том, что механизм памяти и поиска в памяти всякой информации сродни тому, что возникает в момент «выбора» своего состояния частицами спиновых стекол. Сейчас ведется много исследований в этом направлении.

— Не так давно МГУ и Сколтех провели конференцию, где о мозге говорили физики-теоретики и математики. По мнению ученых, ситуация в нейронауке напоминает ситуацию с физикой элементарных частиц в 60-е годы прошлого века. Объем экспериментальных данных растет огромными темпами, и так же растет спектр задач перед теоретиками.

— Таких задач может быть очень много — от динамики многослойных функциональных сетей мозга до количественного описания сознания.

— Далай-лама XIV специально изучает квантовую физику, чтобы говорить с учеными на одном языке. Он говорит, что основные понятия в буддизме совпадают с современными физическими теориями.

— Такой подход интересен, но я бы хотел понять: какой величиной в физике описывается нирвана?

Заблудиться в поле

— Какая область физики на фоне общей стагнации остается самой «живой»?

— Сложно сказать, но я вообще думаю, что кризис — это хорошо, потому что, когда все протрясется, может быть, появятся какие-то новые вещи. Полагаю, что кризис в науке — это отражение кризиса в обществе. Здесь, я думаю, мало кто будет возражать.

— Кроме потребителей. По части потребления всяческих благ и услуг у нас, кажется, все замечательно.

— Мне кажется, что даже потребитель начинает чувствовать, что дело поворачивается как-то не так.

Если смотреть на всемирную историю с высоты птичьего полета, то сейчас человечество участвует в некоей гонке. С одной стороны, идет процесс исчерпания ресурсов, а с другой — научное развитие. И пока не понятно, чья возьмет.

Я думаю, что вряд ли потепление климата будет такой уж серьезной проблемой для всего человечества. Потому что настоящие социальные проблемы наступят гораздо раньше и перед этим все эти климатические вопросы окажутся несущественными. Вопрос в том, что скоро нам не будет хватать энергии и, я думаю, любой физик сейчас должен чувствовать себя немножко пристыженным: мы уже много десятилетий обещаем управляемую термоядерную реакцию, а сделать это до сих пор не можем.

— Тем не менее мне казалось, что сегодня крайне популярна именно ваша область науки, связанная с квантовой теорией поля. Когда открываешь сайт любого университета, там всегда есть такое направление, и оно популярно у молодежи. Почему так?

— Скажем, это некий универсальный аппарат, который применятся в общем виде в огромном количестве областей науки. В каком-то смысле вся современная физика так или иначе связана с квантовой теорией. Это универсальный язык, которым описывается большой класс явлений, поэтому физики так любят это направление и оно привлекательно.

— Много ли людей, с которыми вы можете говорить на одном научном языке?

— Конечно, хотелось бы, чтобы таких людей было намного больше. Но в целом единомышленников можно встретить по всему миру. В России это прежде всего в Институте теоретической физики им. Л.Д. Ландау, Институте физических проблем им. П.Л. Капицы, в Сколково. В США это традиционно Институт высших исследований (Принстон.— «О»), потом Массачусетский технологический институт (MIT.— «О»), Калтех (Калифорнийский технологический.— «О»). Из «классиков» по складу мыслей мне близок Чжэньнин (Фрэнк) Янг (нобелевский лауреат, который создал теорию неабелевых калибровочных полей Янга — Миллса.— «О»), которого я хорошо знаю. Разумеется, интересное могу узнать от современных корифеев — Виттена и других. Конечно, Саша Поляков, его я считаю одним из самых выдающихся специалистов. С ним довелось работать вместе, разговариваем очень часто. Я старался во всем брать с него пример, особенно в такой редкой привычке — привычке думать, думать и думать. Это, кстати, тот навык, который я настойчиво советую развивать молодым людям. Очень приятно общаться с Никитой Некрасовым, он рядом, в Центре Саймонса в Стоуни-Брук. Часто обсуждаю что-то с Гришей Фальковичем (Институт Вейцмана, Израиль), он большой специалист по турбулентности, я пытаюсь его понять.

Другая очень существенная часть интеллектуальной работы состоит в том, чтобы стараться проследить происхождение идей. Понимать, почему она у вас появилась, откуда пришла, потому что в том месте, откуда она пришла, могут быть залежи других идей. Студенты часто спрашивают, зачем это нужно. И я не могу рационально объяснить, просто потому, что это очевидно: наша деятельность состоит в том, что мы просто ищем. Это как человек заглядывает под все стулья: мало ли что там интересного есть?

— А дети у вас не физики?

— Нет, не физики, и я не знаю, радоваться или рыдать. Наверное, так все-таки лучше, потому что физик — это как спортсмен, ему нужно либо быть выше среднего, либо лучше не быть вообще. Мне кажется, быть в третьем эшелоне скучновато. В теоретической физике нет конкуренции в смысле успеха, но признание очень важно.

— Какая из ваших многочисленных премий лично для вас самая дорогая и почему?

— Во всяком случае, наибольшее удовлетворение я испытал, когда получил премию Ленинского комсомола. Это был 1980 год, мне было совсем мало лет, и кто-то из больших ученых сказал, что этот молодой человек сделал то, что я бы не смог. Это было первое очень важное признание.

— А как вы ее потратили?

— Это я очень хорошо помню: мы купили стиральную машину «Вятка-автомат». Это машина советского производства с чешским двигателем, поэтому она работала вечно. По тем временам это было невероятное роскошество: она стоила почти 1000 рублей — четыре, а то и четыре с половиной месяца зарплаты всей советской семьи.

— Недавно глава SраceX Илон Маск выложил в своем Twitter, как пишут в сетях, «самую сложную шутку, посвященную квантовой теории поля, которую может понять на Земле от силы сотня человек, влияющих на то, какой будет наша цивилизация через несколько десятков лет»

— Да, я видел, и, знаете, я не большой почитатель Илона Маска. Мне кажется, что вокруг него больше хайпа и эпатажа, чем реально таланта. Точнее, так — он, видимо, очень талантливый менеджер и пропагандист, но, когда говорят, что это второй Тесла или Эдисон, у меня большие сомнения, потому что я, честно говоря, не знаю ни одной его собственной идеи.

— Так все-таки — смешная шутка про квантовую теорию поля или нет? В двух словах, не вдаваясь в подробности…

— Если в двух словах, то — нет. Совсем нет.

Беседовала Елена Кудрявцева

Очередную волну квантовой гонки не остановила даже пандемия: напротив, сегодня ученые задумываются о том, как квантовый компьютер может помочь побороть коронавирус. Как изменится наша жизнь в квантовую эру, что мешает в нее прорваться и какие специалисты востребованы в этой сверхперспективной области знаний — об этом «Огонек» поговорил с ведущим ученым в области квантовых технологий, научным сотрудником компании Google профессором Львом Иоффе.

— Лев Борисович, недавно президент США заявил, что увеличит в этом году расходы на квантовую информатику до 237 млн долларов, то есть на 20 процентов. Почему это важно сейчас, посреди пандемии?

— Это прежде всего вопрос престижа как для государства, так и для компаний. В США считается, что если хайтек-компания не вкладывается в квантовые вычисления, то она поставила на себе крест и не может рассматриваться как серьезный игрок на рынке. Вот крупные компании и стремятся хоть в каком-то виде демонстрировать свой интерес в этой области.

К тому же всех волнует тема криптографии: квантовый компьютер может уничтожить всю современную банковскую систему. С его помощью можно раскодировать шифры, которыми мы пользуемся, когда платим своей кредитной картой. Под ударом мгновенно окажется вся цифровая экономика. Квантовый компьютер сделает абсолютно бессмысленной защиту современной связи, потому что она основана на криптографии, разработанной 50 лет назад. Поэтому много разных сил в обществе, которые очень обеспокоены этой перспективой. Не знаю, как в России, а за рубежом часто можно услышать такую позицию: лучше уж доказать, что квантовый компьютер невозможен, и прекратить разработки в этом направлении. Так было бы намного спокойнее. Другое дело, что если уж он возможен, то каждому хотелось бы оказаться первым — и государствам, и научным группам внутри стран.

Еще к вопросу о популярности квантовых технологий: для запуска полноценной лаборатории по производству квантовых кубитов (аналог бита — единицы информации в классическом компьютере.— «О») нужно разрабатывать мощную инфраструктуру, в том числе использовать особые кабели, которые выпускает одна-единственная компания в Японии. Так вот, купить их сегодня уже не просто — квантовый компьютер настолько модная тема, что спрос сильно превышает предложение.

— Насколько серьезно в квантовой гонке участвует Китай? Ведь именно китайцы первые в мире запустили спутник с квантовой связью. Почему, кстати, никто не повторил этот успех?

— Помните анекдот про неуловимого Джо? Он был неуловим, потому что был никому не нужен. Квантовую связь в том виде, как ее осуществили китайцы, никто повторять не будет, потому что это очень неэффективно. При существующих технологиях информацию по квантовой связи можно передать только на то расстояние, которое может пробежать один фотон без поглощения. Сегодня в самых лучших кабелях это порядка 100 км. Поэтому каждые 70 км китайцам пришлось ставить защищенный от взлома узел, где информация расшифровывается и передается дальше. Спутник передает все через атмосферу, что дело не улучшает.

— Тем не менее китайцев все считают конкурентами. Я читала статьи, в которых ученые из IT-компаний рассказывают, как отключают телефоны в офисе, опасаясь утечки идей в Китай…

— Страх, что китайцы украдут какие-то научные достижения, есть в каждой крупной лаборатории. И это понятно: Китай пытается повторить у себя все, что делается в квантовых вычислениях по миру. Джон Мартинес, будучи главой лаборатории «Квантовый искусственный интеллект» Google (покинул свой пост месяц назад.— «О»), очень переживал, что китайцы что-нибудь уведут из-под носа, потому что они действительно все время где-то рядом. При этом речь не о правительстве КНР, это делают отдельные люди. Насколько я понимаю, в общей культуре Поднебесной такое поведение поощряется: если ты что-то украл для своих, то потом на этом есть шанс сделать очень хорошую карьеру у себя в стране.

— Вы тоже выключаете телефон, когда где-то с коллегами обсуждаете новые идеи?

Превосходство, и не только

— В октябре прошлого года Google заявил о достижении «квантового превосходства». Что это означает и что изменилось к сегодняшнему дню?

— Считается, что квантовый компьютер смог сделать то, что невозможно сделать на классическом компьютере. Но надо понимать, что слово «невозможно» — это упрощение. Во-первых, достаточно большой классический компьютер решит любую задачу. IBM, обидевшись на Google, даже выпустил статью о том, что, используя другой алгоритм вычислений и громадную, но не эффективную память, эту задачу можно решить на имеющемся компьютере не за годы (как утверждал Google), а за неделю. Возникает правда вопрос: а почему не продемонстрировали? Ответ в том, что на самом деле для такого вычисления пришлось бы построить целую электростанцию, чтобы она запитала память компьютера.

Во-вторых, что более важно, никто не доказал, что известный на сегодня алгоритм оптимальный. Более того, наверняка это не так. Недавно группа математиков из АлиБабы опубликовала статью, где утверждалось, что они улучшили классический алгоритм и могут вычислить то же, что и Google, на этот раз за несколько часов. Так что если математики очень напрягутся, то, наверно, вычислят за те же минуты то, что и гугловский компьютер. Однако к этому времени Google тоже продвинется вперед, и вычисление опять займет годы. Мне кажется, заниматься этими «тараканьими бегами» большого смысла нет. Надо пытаться решить какую-нибудь задачу, интересную хотя бы небольшому числу людей на Земле.

— Так что же он вычислил? Какое-то сложное уравнение?

— Нет, это не уравнение. По сути, это довольно простое действие, наподобие генерации случайных чисел, правда, с помощью сложного алгоритма. Подобные действия не решают никакой осмысленной задачи, тем не менее это принципиальный шаг в демонстрации того, что квантовый компьютер — дело не такого далекого будущего.

— И как он сегодня выглядит? Отличается от привычных микросхем?

— Микросхема там на данный момент одна. На ней расположено полсотни кубитов на расстоянии нескольких сот микрон друг от друга, при этом размер минимальных деталей каждого кубита несколько десятков нанометров — сотня атомов. То есть в каком-то смысле это похоже на микросхему, которую 40 лет назад производили для обычных вычислений, но минимальный размер деталей здесь сильно меньше.

— Что нужно, чтобы создать работающий прототип?

— Современная литография, позволяющая печатать детали, чистая комната, где можно работать с нанообъектами и которая не пропускает никакие шумы, низкотемпературное оборудование (набор криостатов) и высокочастотная техника, например генераторы, которые формируют импульсы для управления кубитами.

— Чем кубит по сути отличается от обычного носителя информации в классическом компьютере?

— Кубит — это то же самое, что бит в классическом компьютере. Но если там информация записана либо как ноль, либо как единица, то здесь обе величины будут в суперпозиции (одновременно может быть и то, и другое.— «О»). Первый кубит был сделан в компании NEC в Японии примерно 20 лет назад. Кстати, частично его сделали наши ученые: Олег Астафьев из Физтеха и Юрий Пашкин из Физического института РАН, которые работали в Японии. С тех пор вся индустрия соревнуется в том, кто сколько может сделать кубитов.

— И сколько собрано?

— Ответить на вопрос не так просто. Идет борьба за порядок от 50 до 100. Официально Google показал систему с 53 кубитами. IBM следом тоже обнародовал систему с тем же количеством. Вопрос, однако, в качестве. А вот про качество вам никто ничего не расскажет. Кроме того, IBM — это закрытая, почти засекреченная компания, поэтому они мало что публикуют. А так помимо крупных компаний есть относительно небольшие научные группы, но они не пытаются собрать много кубитов, а стараются сделать один хороший.

— Сколько нужно нарастить кубитов, чтобы было возможно сделать что-то стоящее?

— Вопрос тут не в количестве кубитов. Уже не первый десяток лет ученые пытаются решить важную задачу, без которой создание квантового компьютера бессмысленно. Речь идет о коррекции ошибок. Никакое вычисление невозможно, если у вас нет возможности поправить ошибки, которые существуют всегда. В классическом компьютере это делается очень просто: вы все время проверяете четность некоторого количества битов, и, если она не совпадает с нужной величиной, значит, есть ошибка, которую надо исправлять. На таких проверках основано все классическое вычисление, и поэтому обычный компьютер практически безошибочен. Но не потому, что каждый элемент без ошибок, а потому что ошибки все время проверяются и исправляются. Когда можно будет сделать коррекцию ошибок кубита, можно говорить об эффективности компьютера.

— Что значит ошибка кубита?

— Она вычисляется очень просто: сколько можно сделать операций, пока не произойдет ошибка. Сейчас этот параметр где-то в районе 10 тысяч. Это очень мало для нормальной работы, но, с другой стороны, когда был сделан первый кубит, параметр ошибки на нем был порядка 10. Более того, до недавнего времени ученые считали, что ее в принципе сделать невозможно. Это было основным научным прорывом 1990-х. Его сделал знаменитый математик, специалист в области теории информации Питер Шор, который сейчас работает в Лаборатории компьютерных наук и искусственного интеллекта Массачусетского технологического института (CSAIL) и Центра теоретической физики. Его работы уже ставят под сомнение современную криптографию, в частности, криптосистему RSA, которую используют для цифровой подписи в интернете.

— Но вы сказали, что наращивание числа кубитов — не единственный путь развития квантовых технологий.

— Безусловно. Коммерческие компании в основном ставят своей целью нарастить как можно больше кубитов, но есть и академическое направление. Сразу оговорюсь, что в академических условиях такие работы делать очень сложно. Здесь стараются, как я говорил, собрать несколько кубитов, но при этом сократить число ошибок. Такие машины в скором времени потенциально можно будет использовать для исследования каких-то процессов в физике твердого тела. Здесь самой сильной группой являются ученые Йельского университета в США. Там работают два лидера этого направления: профессор Мишель Деворе и один из изобретателей сверхпроводящих кубитов профессор Роберт Дж. Шелкопф. Несколько упрощая ситуацию, скажу, что весь прогресс в этой области связан с именами этих двух людей и с именем Джона Мартинеса из Google.

— А почему именно они?

— Потому что у них, видимо, есть голова на плечах.

— Это понятно, но одной головы зачастую мало. Чтобы появились такие головы, нужна научная школа, особая среда.

— Да, они все вышли из одной школы, связанной с именем Джона Кларка, профессора Калифорнийского университета в Беркли. Все они в каком-то смысле его ученики. Джон Кларк — замечательный человек, прекрасный ученый, который известен своими работами по сверхпроводимости. Сейчас он уже сильно пожилой, но, мне кажется, по-прежнему преподает. Именно ученики и оказались в состоянии что-то сделать в этой области.

— А как же японцы? Они же первыми доказали, что из кубитов можно собрать квантовый компьютер?

— Это было на рубеже веков: научная группа Джоу-Шэнь Цая из японской компании NEC первой смогла осуществить манипуляции со сверхпроводящим кубитом и доказала, что из него можно создать квантовый компьютер. К сожалению, в связи с экономическими сложностями NEC уже лет 15 назад начала сворачивать работу, люди разбежались — критическая масса, необходимая для прорыва, была утеряна. Цай, он был фактическим лидером, ушел в RIKEN (японский аналог РАН.— «О»), Юрий Пашкин уехал в Университет Ланкастера в Великобританию.

— А Олег Астафьев?

— У него были работы с этой группой позже. Сейчас он вернулся в Россию и работает в Сколтехе.

— Сколтеху повезло. Известно, что «охотники за головами» в сфере квантовых технологий отличаются особым рвением, перекупая перспективных сотрудников. Скажите, а какие специалисты сегодня наиболее востребованы? Как и где можно освоить эти профессии?

Успешный ученый в этой области должен быть невероятно широко образован, понимать квантовую физику и микроволновую технику, разбираться в фабрикации и низкотемпературной технике. Такие люди в количестве одного-двух человек в год выпускаются несколькими экспериментальными группами во всем мире. Бывают, конечно, самоучки, которые переквалифицируются из других областей физики, но это еще большая редкость.

— Что нужно, кроме головы, чтобы развивать это направление в стране? Огромные деньги?

— Нет, деньги — это не самая большая проблема. Проблема как раз в людях, в критическом объеме знаний, в команде, которая может осуществить прорыв. Нужно собрать людей с уникальной квалификацией, которые держат руку на пульсе мировой науки и понимают, в какую сторону она развивается.

— Как вы оцените российскую базу в этом отношении?

— В России сегодня работают три хорошие группы, которыми руководят сильные ученые, в том числе Алексей Устинов и Валерий Рязанов из МИСиС (см. «Огонек» № 38 за 2019 год), Олег Астафьев. Они, безусловно, этой квалификацией обладают. Вопрос в кооперации усилий и в политической воле.

— А можно ли воспитать достойных преемников из студентов? Или качество физического образования в России действительно снизилось?

— Число сильных студентов в России снизилось, видимо, потому, что сегодня у толкового молодого человека есть много разных вариантов, чем заняться. А при советской власти единственное, что можно было делать, не продавая душу дьяволу,— это заниматься наукой.

— А американские студенты изменились?

— Американских студентов в физике традиционно мало, но среди них всегда были сильные ребята. Американские студенты — это в значительной степени приезжие, которые приехали в колледж, аспирантуру, а кто-то еще позже. И поэтому, когда ты видишь перед собой китайца, ты не можешь сказать, родился он в США или приехал — непонятно, где проводить границу. Но сегодня очевидно, что занятия, скажем, нейробиологией стали куда более популярны по сравнению с физикой, чем было 30 лет назад. Многие уходят в исследование междисциплинарных явлений, например нейронных сетей.

Задача на миллион

— Вы говорили, что до сих пор квантовые компьютеры заняты бессмысленными вычислениями. Какие же реальные задачи можно решить? Обычно ответ на этот вопрос звучит очень абстрактно…

— Знаете, сейчас это очень популярная тема: очень много людей занимаются тем, что пытаются понять, есть ли какие-нибудь задачи, которые в ближайшее время можно решить с помощью квантового компьютера, и даже пишут на эту тему научные статьи. Говорят, что скорее всего такую машину можно будет применять для задач, связанных с моделированием каких-нибудь интересных физических или химических процессов.

— Например, связанных с вопросами климата или глобального потепления?

— Нет, в силу того, что эта тема, как мне кажется, больше политическая, на вопрос о том, что происходит с климатом, не ответит ни один компьютер. Если говорить серьезно, то это задача стохастическая (целиком зависит от непредсказуемых случайностей.— «О»), в которой предсказание сделать невозможно.

— Может быть, квантовый компьютер мог бы помочь в борьбе с нынешней пандемией?

— Мы все надеемся, что даже очень несовершенные квантовые компьютеры, которые будут доступны через несколько лет (реально не компьютеры, а симуляторы), могут помочь симулировать важные белки и тем самым создавать эффективные лекарства. Известно, что создать эффективное лекарство от вируса бесконечно сложно. Поэтому, даже когда мы начнем лучше разбираться, как работают белки, большой вопрос, сумеем ли мы это использовать.

— Так в какой же области от квантового компьютера ждать прорыва?

— В первую очередь он поможет решить проблемы оптимизации в различных процессах. Например, есть известная математическая задача про коммивояжера, о решении которой математики уже написали тома. Задача такая: коммивояжеру нужно объехать некоторое количество городов, между которыми известны расстояния. Нужно понять, как найти наилучший способ, чтобы минимизировать дорожные расходы. На классическом компьютере решение требует экспоненциального времени: для решения задачи нужно перебрать все варианты, что требует огромного количества времени. Квантовый компьютер по законам квантовой механики может проанализировать одновременно все множество вариантов. Разница в скорости решения будет колоссальной: если классический компьютер будет это считать миллиард лет, то здесь — несколько секунд.

Другое, применение, более существенное и более реальное, связано с расчетами химических соединений — это настоящая квантовая задача. В частности, многие надеются, что он может быть использован для создания лекарств. Нет сомнений, что для квантовых задач квантовый компьютер очень подходит.

— Почему поиск соединений — квантовая задача?

— Потому что обычный компьютер решает ее очень плохо. Например, мы должны расположить электроны в молекуле, при том что они не находятся в покое, а колеблются, находятся в разных положениях. Чтобы просчитать все возможные точки расположения электронов, нужно провести колоссальные расчеты. Классический компьютер, честно говоря, не может решить такую задачу даже про молекулу воды. Другое дело, что мы более или менее знаем, как она устроена, потому что люди занимались этой проблемой почти сто лет и уже придумали приближенные схемы. Но понять что-нибудь более сложное, вроде химических молекул для фармакологии, невозможно. Поэтому эта область, безусловно, очень сильно изменится с приходом квантового компьютера.

Изнанка науки

— Вы работали в России, Европе и США, можно ли выделить главные национальные особенности организации науки? Отличаются подходы?

— Ну, российского подхода сегодня просто не существует. Если можно это назвать особенностью, пусть будет так. Американский и европейский отличаются просто кардинально.

Во Франции очень хорошо заниматься чисто теоретической наукой, поэтому чем ближе ваша физика к математике, тем лучше там. При этом мои коллеги, молодые экспериментаторы, жалуются, что работать невозможно, потому что установка для эксперимента старше их. Но при этом твое существование в науке не зависит от того, получил ты грант или нет. Это будет не самое лучшее положение, но вполне сносное. Можно даже заниматься какой-то экзотикой, которая интересна только вам.

В Америке такое невозможно в принципе: тебя почти моментально выгонят. Но при этом в США молодой человек на позиции профессора одновременно с назначением получает достаточное количество денег, чтобы организовать новую лабораторию с нуля. Поэтому для того, чтобы сделать что-то действительно серьезное, в США система выстроена лучше.

— Ваш отец, Борис Лазаревич Иоффе, в своих воспоминаниях пишет, что когда он работал в атомном проекте, то физики по-настоящему ощущали, что от них зависит судьба мира. Что зависит от современных физиков? Вы как считаете: квантовые технологии сделают мир лучше?

— То, что они изменят мир,— безусловно. Но сделают ли его лучше — совершенно не ясно. Физику можно рассматривать по-разному. Можно говорить, что ее основная задача — понять, как все устроено на самых разных уровнях, в том числе самые мельчайшие блоки. А можно посмотреть с другой стороны. Нобелевский лауреат Фил Андерсон писал, что если раньше физики изучали, как устроены маленькие блоки, то сегодня перед ними стоит обратная задача. Оказалось, что если собрать эти маленькие блоки вместе, то из них собирается что-то абсолютно новое, непохожее на то, что было в малых масштабах. И эта задача намного интереснее, чем первая. Здесь, я думаю, нас ждет много открытий, о которых мы пока не имеем понятия.

— Наблюдая за устройством мира, в том числе на уровне квантовых размеров, многие ученые обретают религиозное сознание.

— Многие физики, которые думают о фундаментальных проблемах, не могут принять утверждения, что все произошло случайно. При этом я знаю всего нескольких очень хороших физиков, которые соблюдают религиозные обряды. Некоторые из них даже были моими соавторами, но они все — католики, а католические обряды соблюдать намного проще, чем, предположим, в православии. В Америке, кстати, соблюдающих религиозные обряды физиков я, в принципе, не встречал, за одним исключением — это нобелевский лауреат Тони Леггетт.

На мой вкус, основной аргумент против атеизма состоит в том, что вполне можно понять, почему обезьяна интуитивно научилась понимать механику. Дескать, чтобы выжить, ей было полезно понимать, как бросить камень и как замахнуться дубиной. Но вот зачем ей понадобилось понимать различные усложнения, которые в конце концов вылились в способность объяснить квантовую механику или разбираться в том, как устроен космос? Для этого нужно тратить очень много сил и энергии, а очевидной выгоды в этом нет. Непонятно, почему мозг обезьяны оказался достаточно продвинутым и зачем он вообще двигался к такой ненужной для обезьяны цели. Тот факт, что человечество смогло понять сложнейшие явления природы, можно объяснить каким-то замыслом.

Беседовала Елена Кудрявцева

Почему при коронавирусе образуются тромбы? Чем может помочь биофизика в борьбе с пандемией? Как измерить силу одной молекулы и создать из неживой материи живую? О передовой и самой необычной части физики «Огоньку» рассказал профессор МГУ, Физтеха и Университета Пенсильвании Фазоил Атауллаханов…

— Фазоил Иноятович, вы всю жизнь занимаетесь биофизикой, а сейчас проводите довольно большое исследование, связанное с изучением коронавируса. Как это связано?

— В первых же китайских публикациях, связанных с исследованиями коронавируса, отмечалось: у пациентов наблюдаются сильные нарушения свертывания крови. А мы занимаемся свертыванием крови уже не один десяток лет и понимаем, что речь идет об очень сложной физической системе, ряд особенностей которой понять с точки зрения обычной биохимии трудно. Вот мы и предположили, что при коронавирусе именно состояние системы свертывания крови и определяет то, в какой форме человек переболеет этой инфекцией — в легкой форме или же у него разовьются тяжелые осложнения.

— И как система свертывания связана с течением болезни?

— Наша гипотеза такова: вирус поселяется в клетках эндотелия (внутренняя стенка кровеносных и лимфатических сосудов.— «О»), они начинают гибнуть, и организм делает все, чтобы быстро заделать эти повреждения. В этом и заключается главная задача системы свертывания крови: создать тромб — временную затычку, которая закрывает поврежденную зону. Тромб — нормальное явление, он дает организму пару дней на то, чтобы заменить поврежденные клетки новыми, а затем он должен бесследно рассосаться. Но когда в организм одновременно попадает очень много вирусов, они поражают стенки сразу большого количества сосудов. Система свертывания приходит в дисбаланс и начинает реагировать на повреждения излишне активно, создавая слишком много тромбов. Я думаю, что главная причина гибели врачей именно в этом.

Наиболее уязвимы перед вирусом оказываются легкие, где сосудов как раз очень много. Там возникают массовые тромбозы — мертвые зоны, куда не попадает кровь. Это воспаление активизирует иммунную систему, но ее клетки тоже не могут пробиться к пораженному участку. Возникает очень неприятная ситуация: образуются все новые и новые тромбы, а иммунная система выбрасывает все новые и новые порции клеток для борьбы с зараженными клетками. Разгорается воспаление. В итоге процент рабочей зоны легкого уменьшается и наступает момент, когда человек уже не может дышать.

— Есть ли шанс этого избежать?

— Мы подумали, что можно не дать болезни пойти по тяжелому сценарию, регулируя активность системы свертывания крови. Нужно не давать сильно активироваться системе свертывания крови, подавить ее на какое-то время, чтобы дать легким несколько дней передышки, пока иммунная система победит вирус. При этом совсем отключить ее нельзя — у человека начнутся внутренние кровотечения, ведь повреждения сосудов у нас в организме происходят постоянно, безотносительно вирусов.

На сегодня на базе 12 московских больниц мы уже провели детальное исследование того, что происходит с системой свертывания у человека при ковиде. В общей сложности обследовано более 1600 пациентов, мы обрабатываем массив информации. По предварительным данным, наша гипотеза подтверждается. Патологоанатомы тоже подтверждают, что у умерших пациентов сосуды легких «забиты» тромбами. Поэтому Россия одной из первых в мире уже на уровне Минздрава рекомендовала врачам использовать при лечении антикоагулянты (препараты, разжижающие кровь.— «О»). И после этого процент вылечивания стал заметно выше.

— То есть каждому пациенту нужно делать коагулограмму — исследование на свертывающую способность крови?

— Нет. Этот комплекс анализов малочувствителен, поскольку основан на старинных методах и не показывает те изменения, которые возникают при коронавирусной инфекции. Здесь нужны современные подходы, например метод «тромбодинамика», который мы предлагали использовать в медицине еще 10 лет назад. Он помогает с помощью прибора наблюдать физические процессы, происходящие при свертывании крови, то есть мы видим, с какой скоростью растет тромб, какая у него плотность и так далее. Этот метод оказался очень действенным именно для пациентов с ковидом.

На волне

— А насколько вообще инфекционные заболевания интересны биофизикам?

— На самом деле физикам интересны многие заболевания, потому что при них происходят загадочные и непонятные вещи.

— Что это такое?

— Начнем с того, что мы хорошо знаем, что такое обычная волна: если бросить в воду камень, мы увидим волну, которая со временем затухает. А можем ли мы назвать лесной пожар волной огня? Ведь это типичная волна, но при этом по своей природе она очень сильно отличается от волн, которые расходятся от брошенного в воду камня. Во-первых, она одна и второй волны вслед за ней появиться не может. Во-вторых, она движется без остановки до тех пор, пока есть чему гореть. То есть эта волна не затухает по мере отдаления от очага. Волны такого типа — совершенно новое физическое явление, понимание их природы пришло только в середине прошлого века — сильно позже, чем сформировалась вся классическая физика. Теперь эта область науки называется физика нелинейных волн, или физика активных сред.

— Это было какое-то случайное открытие?

— Нет, одновременно было сделано сразу несколько прорывных работ, которые определили развитие науки. Это были открытия в области физики, хотя речь шла о горении, то есть об области, которой традиционно занимались химики.

Первое крупное открытие принадлежит российскому ученому Борису Белоусову (многие знают его как человека, который придумал «зеленку».— «О»). В середине 1950-х Борис Павлович обнаружил колебательную химическую реакцию, в которой происходят явления, связанные с активными волнами. Это очень интересная и простая реакция, на основе которой к настоящему времени сделаны сотни тысяч исследований. Она стала краеугольным камнем для понимания принципов работы таких систем. Свою работу Белоусов послал в научный журнал в 1953-м, но ее не опубликовали, сказав, что это полная чушь, потому что такого не может быть. Понадобилось еще лет 10 углубленных исследований именно физиков, чтобы научное сообщество поняло, о чем идет речь.

Другая работа, сыгравшая колоссальную роль в этой области, связана с именем Алана Тьюринга. Он создал математические модели с необычными свойствами, которые теперь соотносят как раз с активными средами. Еще одну работу выполнили нобелевские лауреаты Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли, описав механизмы проведения нервного импульса. Оказалось, что электрический ток по нервной системе передается именно такими автоволнами. После этих основополагающих работ начало формироваться научное сообщество, занятое изучением данных явлений. Сегодня ученые описали целый ряд процессов, где действуют похожие закономерности,— в реакциях химического горения, в лазерах, в биологических системах. Их объединяет то, что такие волны бывают только там, где есть внутренний источник энергии. То есть волна поддерживает сама себя.

— Свертывание крови такая же активная среда?

— Да, и мы поняли это в конце 1990-х. В каждой части нашей крови, в каждом микрообъеме есть все вещества, нужные для того, чтобы кровь свернулась. Процесс образования тромба похож на пожар — он распространяется в пространстве самоподдерживающимся образом. Но ведь лес горит до тех пор, пока весь не сгорит. Получается, если кровь начала сворачиваться, она свернется во всем организме? Но этого не происходит. Стало понятно, что тут все устроено намного сложнее и мы имеем дело с уникальным физическим явлением, которое до сих пор не описано ни в физике, ни в химии, ни в биологии. Оказалось, в природе есть самоподдерживающиеся волны, которые могут сами себя останавливать!

Мы довольно долго разбирались с физической природой этого явления, и наши первые работы публиковались не в биологических, а в физических журналах. Мы ставили огромное количество опытов на своей собственной крови, на крови доноров, здоровой и с различными заболеваниями. Нам пришлось разобраться в биохимии процессов, чтобы понять, какие реакции отвечают за разные физические стадии этого процесса. Сегодня разработанная нами классификация признана во всем мире, и ею пользуются как медики, так и биологи. Это к вопросу о том, как физика соотносится с медициной или биологией.

С молекулой на «ты»

— Вы заканчивали университет в 1970-е. Что было модно тогда?

— Я учился на кафедре биофизики, которую создал и многие годы возглавлял очень глубокий ученый биофизик Лев Александрович Блюменфельд. МГУ я окончил в 1969 году. Тогда была очень популярна технологическая часть науки. В биологию активно внедряли новые физические методы анализа структуры белков: рентгено-структурный анализ, электронную микроскопию, ядерно-магнитный резонанс и так далее. Физики тогда были неграмотны в биологии, им казалось, что с помощью новых приборов они решат все проблемы. Быстро это не удалось, поэтому бум поутих.

Меня в то время волновала теоретическая сторона исследований. Казалось, что мало изучить структуру той же клетки, нужно понять, как она работает. Поэтому я с самого начала стал заниматься динамической биологией. В этом мне очень помог мой учитель Анатолий Маркович Жаботинский, работавший в Пущино. Именно он доказал физикам, что реакция Белоусова — новое явление, и сегодня во всем мире эта химическая реакция носит название Белоусова — Жаботинского. Будучи его аспирантом, я очень много почерпнул про активные среды. В целом очень важно, что в 1970-е годы в России была хорошая наука и было много хороших ученых. Сегодня с этим плохо.

— А если говорить про современную биофизику, что является передним краем науки? И подо что проще получить гранты?

— Очень популярна, во-первых, биоинформатика — анализ огромных массивов информации, которые мы получаем, изучая работу клетки. Во-вторых, анализ работы одиночных молекул — так называемая одномолекулярная биофизика. Если же говорить о грантах, то поощряется перенос знаний в практическую медицинскую плоскость. А вообще сегодня вся биология, особенно молекулярная, постепенно сдвигается в сторону физики.

— Почему?

— Так получается исторически. Сначала люди изучали болезни, просто глядя на пациента — это привело к развитию физиологии. На рубеже XIX и XX веков выстрелила биохимия: стало понятно, что химия — в основе всех процессов. Лет через 70 появилось ощущение, что мы почти все знаем: была открыта структура ДНК и мы получили возможность заниматься очень интересной областью, связанной с генной инженерией. Вся наука постепенно ушла туда и вертится вокруг исследования ДНК. Но и тут есть проблемы. Когда говорится, что молекула ДНК расшифрована, это означает, что мы можем перечислить всю последовательность букв (оснований), находящихся в ней. Но что означает этот гигантский массив информации, как его понять, мы по-прежнему не знаем.

То же самое и с физическим строением молекулы. Сегодня мы можем получить ее изображение благодаря современным методам кристаллографии и рентгеновским методам изучения структуры. Но что мы знаем о ее работе? Глядя на красивые картинки в журналах с изображением какого-нибудь белкового комплекса, мы видим трехмерную картинку с десятками тысяч разукрашенных атомов и думаем, что профессионалу она о чем-то говорит. Я вас разочарую: по большей части профессионал тоже видит просто красивую картинку. Как это работает, почему один атом здесь, а другой там, как они взаимодействуют — мы не знаем. И сейчас передний край науки связан как раз с новейшими методами исследований, которые позволяют это изучить.

— Это та самая одномолекулярная физика, которой вы занимаетесь в США?

— Да. Буквально в последнее десятилетие произошел настоящий научный прорыв: физики научились изучать биологические молекулы поштучно. Это стало возможно благодаря новейшим методам и приборам, в частности — лазерному пинцету (открытие, за которое дали Нобелевскую премию по физике в 2018 году.— «О»), он и позволяет удерживать единичные молекулы. С помощью пинцета мы можем в буквальном смысле растягивать молекулу между особыми шариками-детекторами, чьи ангстремные смещения (ангстрем — мера измерения, равная 0,1 нанометра.— «О») регистрируют, как молекула сжимается или разжимается в ответ на химические реакции, которые сама производит. Вообще, регистрация столь тонких процессов — самая сложная часть исследования. Для этого физики научились регистрировать флюоресценцию, то есть свечение одиночных молекул.

Если говорить о нашей работе, то мы берем какую-то одну-единственную очень важную биологическую молекулу, что-то меняем в ней с помощью методов генной инженерии, а затем замеряем ее параметры. Смотрим, как эта молекула шевелится, какие в ней идут процессы, как она синтезирует новые молекулы, как механически взаимодействует с другими молекулами. Более того, мы можем рассмотреть, как она передвигается по особым структурам внутри клетки, как молекула тянет какой-нибудь груз… Это тоже чистейшей воды физика, которая сегодня переживает настоящий бум.

— А в России это направление развивается?

— Увы, оно зародилось уже после перестройки, когда в России наука закончилась. Поэтому сегодня всерьез работать в этой области физики можно только на Западе.

— Оборудование дорогое?

— Сегодня в России самая главная беда не в отсутствии оборудования. Время от времени правительство страны решает, что нужно взять и ввести пять отечественных университетов в топ-100 университетов мира. Вкладываются приличные деньги в оборудование, но ничего категорически не получается. Почему? Потому что нет специалистов. Помимо самой современной приборной базы должно быть сообщество ученых, которые постоянно работают в этой области. А сегодня российский ученый получает так мало, что привлекательность этой сферы нулевая. Кто идет сегодня в физики или биофизики в России? Фанатики, которые время от времени рождаются в любой стране и в любое время. Но сегодня такому человеку в России особо выучиться негде, и он ищет пути, чтобы уехать в страны, где наука на более высоком уровне. Это обедняет и без того скудную почву... Понимаете, помимо закупки оборудования нужно создавать почву…

Сотворение и не только

— Если шагнуть от клетки на макроуровень, можно сказать, какая система в организме для биофизиков наиболее сложна для изучения? Вероятно, мозг?

— Биофизика мозга — сложная задача, но пока не самая интересная. На мой взгляд, интересные задачи те, которые мы можем решить в обозримом будущем. А исследования деятельности мозга для научного прорыва пока не созрели. Пока идет скрупулезный сбор информации, который может продолжаться десятилетия, прежде чем появится платформа для прорывных идей.

— Зато сегодня биофизиками публикуется много работ по самоорганизации живого. В чем здесь интерес?

— Самоорганизация живого — это та область науки, которая сейчас, в отличие от работы нервной системы, активно развивается. Потому что все биологические системы — самоорганизующиеся, и на самом деле это вещь фантастическая. Только представьте, какие сложные процессы происходят, чтобы из яйца, буквально из ничего, появился сложнейший организм — цыпленок. Мы можем описать внешне, как это происходит, но понять, какие процессы при этом задействованы, не можем. Каким образом одиночные молекулы, у которых нет ни мозгов, ни компьютеров, ни даже камер, чтобы посмотреть, что происходит вокруг, вдруг начинают взаимодействовать, организуясь в сложные системы? Это просто что-то невероятное и это очень интересно, потому что имеет отношение как раз к теории активных сред и различных нелинейных процессов.

Другой замечательный пример из этой области связан с делением простейшей клетки. Мы относимся к этому как к чему-то обычному, но на самом деле и это удивительно — вдруг без внешних усилий появляется нечто совершенно такое же, живое, активно работающее.

Еще пример — ДНК. В ней находится вся информация о клетке — это примерно миллиард букв, собрание сочинений примерно в миллион страниц. А теперь нам нужно сделать фантастически сложную работу: скопировать эту книжку с точностью в 1–2 ошибки. После этого мы получим две копии, которые хранятся в виде томов — в 46 хромосомах человека. А теперь представьте себе молекулярную машину, которая должна растащить эти две копии томов в разные концы клетки, чтобы ничего не перепуталось. И все эти нетривиальные задачи решают очень примитивные молекулы, лишенные не то что мозга, но даже каких-то манипуляторов!

Благодаря современным инструментам мы можем исследовать и постигать закономерности, которые стоят за процессом самоорганизации. А это обещает совершенно фантастическое будущее. Представляете себе, что ваш мобильный телефон начнет размножаться и не нужно будет строить фабрики по производству телефонов? К тому же гаджеты будут непрерывно эволюционировать и улучшаться. Это, конечно, кажется фантастикой, но именно к этому мы, скорее всего, придем.

— Если говорить о самоорганизации, нельзя не спросить о самой основе — о появлении жизни как таковой. Работы в этом направлении идут активно?

— Очень! Сегодня теория эволюции переживает второе рождение, потому что у нее появился новый материал. Если раньше Дарвин сравнивал между собой форму клювов разных птиц, то теперь ученые сравнивают между собой ДНК-последовательности разных организмов, и это позволяет узнать, какие процессы приводили к тем или иным изменениям. Сравнительные исследования геномов разных организмов — бурно развивающаяся область.

— А происхождением жизни они тоже занимаются?

Если же ты делаешь эксперимент, а он раз за разом не воспроизводится, это не наука. Эволюция как раз тот процесс, который мы воспроизвести не способны и поэтому можем только гадать о нем. Есть огромные «черные дыры» эволюции, о которых мы пока не имеем совершенно никаких представлений.

Тем не менее по поводу некоторых процессов у нас есть уже довольно единое мнение. Например, современные эволюционные исследования показывают: все в итоге сводится к одной-единственной праклетке, из которой все произошло, так же как все человечество действительно сводится к одной паре — Адаму и Еве. С этим сегодня тоже особо никто не спорит.

— А до человека? Удалось ли понять, как из неживого получилось живое?

— Ученым удалось понять, какие процессы привели к некоторым этапам возникновения жизни. Например, процесс воспроизведения себе подобных, без которого нет никакой биологии. Сегодня принято считать, что он мог возникнуть на уровне случайно синтезированных молекул РНК, которые полимеризовались на каких-то глинах и начали себя копировать в неких подходящих условиях. Развитие этих молекул привело к появлению ферментов, которые стали катализаторами процессов. Видимо, с этого началась жизнь и эволюция. Правда, затем возникают одни знаки вопросов.

— Почему?

— Пока совсем непонятно, почему вдруг этот простой понятный воспроизводящий сам себя РНК-мир вдруг научился делать сложные белки с другими кодировками, с другим количеством молекул? Этот скачок не может объяснить никакая арифметика. И таких скачков в эволюции довольно много. Например, неожиданный переход от вирусов и бактерий к так называемым эукариотам — к клеткам, у которых есть ядро. Мы не понимаем, как это могло произойти, потому что они уж очень сильно отличаются от бактерий в невыгодную сторону: медленнее делятся, более уязвимы и так далее. Тем не менее они выжили и даже в каком-то смысле победили в этой эволюционной борьбе. Загадка!

— А почему не удается повторить экспериментально создание из неживого живого? Почему опыты доходят до каких-то небольших цепочек аминокислот — и все?

— Трудно сказать что-нибудь определенное. Думаю, в первую очередь это проблема времени: эволюция требует миллионов лет, а у нас в распоряжении годы. Мы, конечно, пытаемся ускорить какие-то процессы, но этого недостаточно.

— Какие-то работы в этом направлении ведутся или это направление маргинальное?

— Работы, безусловно, ведутся — мне кажется, ни про одну область науки, которая честно работает, нельзя сказать, что она маргинальна. Может, сегодня она кажется унылой, а завтра там обнаруживается нечто, чего мы не могли и помыслить. Например, многие десятилетия считалось, что изучение процессов, которые происходят в ДНК бактерий, мало интересно. И вдруг открывается: именно там мы разглядели механизм, который совершил полную революцию в медицине. Сегодня он позволяет целенаправленно делать практически любые мутации в генах (с помощью этой технологии CRISPR был отредактирован геном китайских близнецов.— «О»). Кто мог знать об этом еще 10 лет назад?

Жить как коралл

— С точки зрения физики возможно сколько-нибудь значимо отодвинуть во времени старение организма и приблизиться к бессмертию?

— Технически это задача очень сложная, но никаких препятствий, которые нельзя было бы обойти, тут нет. Хотя бы по той простой причине, что на земле полно организмов, которые бессмертны и которые никогда не умирают.

— Это кто, кроме кораллов?

— Существует множество простых кишечно-полостных трубочек, которые состоят буквально из нескольких сотен простейших клеток. Эти организмы никогда не умирают и существуют до тех пор, пока их кто-нибудь не съест.

— Но человек все-таки — система слишком сложная для бессмертия?

— Совсем нет. У нас в организме непрерывно идет процесс обновления, и фактически нет клеток, которые живут с нами от рождения до смерти. С точки зрения физики нет ничего сложного сделать этот процесс постоянным, вечным. Более того, у природы есть проблема, как сделать так, чтобы это не продолжалось вечно, чтобы постепенно организм накапливал какие-то ошибки и они в конечном счете приводили его к гибели. Лично я считаю, что бессмертие — плохая идея. И тот факт, что сегодня человечество ею озаботилось, считаю глупостью. Лично я категорически против работ в этом направлении и никогда не буду участвовать в подобных исследованиях.

— Почему?

— Потому что это останавливает эволюцию. Представьте, что мир будет заселен навсегда одними и теми же людьми. И не будет никаких гуглов, илонов масков и так далее. Это ужасный мир, эгоистичный, замкнутый на самом себе. Зачем такой нужен? Я бы предпочел, чтобы его кто-нибудь съел, как ту колонию клеток. Как это ни банально, но мы должны давать дорогу молодым. Этот закон очень важен для человеческой популяции. Если человечество хочет выжить, оно должно умирать.

— Звучит парадоксально. И даже обидно.

— Да. Но это всего лишь биологический факт.

Беседовала Елена Кудрявцева

К Земле на максимальное расстояние приблизилась двухвостая комета, самая яркая за последние 25 лет. О том, что она несет нам на своих хвостах, о возникшей на небе новой туманности и о космическом мусоре, который уже падает нам на голову, «Огонек» поговорил с легендарным астрономом-любителем Геннадием Борисовым. Он руководит подразделением Астрономического научного центра, на счету астронома открытие девяти новых комет, в том числе и единственной в своем роде кометы — межзвездной.

— Геннадий Владимирович, публика бурно обсуждает новую комету, которую можно было видеть фактически отовсюду. Ближе всего она подошла к поверхности Земли 23 июля. А насколько она интересна ученым?

— Эта комета Neowise, ее в конце марта открыл космический инфракрасный телескоп WISE. Сейчас она настолько приблизилась к Солнцу, что ее видно с Земли невооруженным глазом: когда испаряется вещество, появляется большой хвост. Чтобы разглядеть комету, достаточно посмотреть на северо-запад утром или вечером, а заснять ее можно на обычный фотоаппарат или даже на мобильный телефон. Недавно появились сообщения, что в ее хвосте обнаружен натрий — это довольно редкое явление.

— А какой у нее период обращения?

— Больше 6 тысяч лет.

Среди них есть короткопериодические, которые прилетают раз в 5, 10 и 20 лет, а есть те, которым для этого понадобятся сотни и тысячи лет. Уникальный случай в этом отношении — межзвездная комета, которая прилетела к нам из других звездных систем, и, естественно, она улетит в далекий космос и никогда к нам не вернется.

— Межзвездная комета, открытая вами, стала главной сенсацией прошлого астрономического года. В чем ее отличие от наших «местных»?

— Вероятно, она была выброшена из своей системы и летела миллионы или даже миллиарды лет в межзвездной среде. Все известные до сих пор кометы сформировались в нашей Солнечной системе, их родина — облако Оорта. Это гипотетическая область в нашей Солнечной системе, где сохранились остатки вещества, из которого образовались планеты и Солнце. Предположение о ее существовании в середине прошлого века выдвинул астрофизик из Голландии Ян Оорт. Принято считать, что в облаке сосредоточено не менее миллиарда «зародышей» будущих комет.

Но межзвездная комета прилетела к нам совсем из других звездных систем, и ее химический состав должен быть другим. Изучая ее, мы можем понять, какое вещество распространено на дальних расстояниях, «пощупать», из чего состоят другие звезды. Для ученых это настоящий подарок, потому что пока мы можем только мечтать о том, чтобы запустить космические аппараты так далеко и прояснить природу веществ в других звездных системах. А здесь межзвездный объект прилетел к нам сам.

— И что уже удалось понять?

— Судя по всему, комета содержит в себе много пыли и органики. Пока исследования обнаружили два соединения в газах, выделяющихся из кометы,— цианистый водород и монооксид углерода. Содержание цианистого водорода в комете не отличается от комет Солнечной системы. А вот уровень монооксида углерода ученых удивил. Он в 10–20 раз выше, чем в обычной комете. Это означает, что она могла сформироваться в самых холодных частях Вселенной, где температура опускается ниже минус 250 градусов по Цельсию.

— А сейчас ее еще видно?

— Я ее наблюдал до середины декабря, пока она стала не видна в Северном полушарии. Теперь ее хорошо видно в Южном. За ней ведется тщательное наблюдение десятками телескопов по всему миру. Например, в марте увидели, что от нее откололся кусок и было потеряно порядка 5 процентов вещества.

— На снимках, сделанных вашими телескопами, комета видна как крошечное шевелящееся пятнышко. Как вы поняли, что это уникальный межзвездный объект?

— Конечно, в момент обнаружения никто не знал, что это межзвездная комета. После того как открыта новая комета, ее наблюдают множество обсерваторий во всем мире. За моим объектом наблюдали в числе прочих в Большой Канарский телескоп и обсерватория Апачи-Пойнт в штате Нью-Мексико (США). Для этого есть специальная международная страница Центра малых планет в Гарварде, где выкладываются все интересные объекты. В итоге стало понятно, что объект летит не по замкнутой, не по эллиптической орбите и даже не по параболической орбите, а по гиперболической. У него была большая скорость, более 40 км в секунду, и это никак не могло быть объектом нашей Солнечной системы. Примерно через 10 дней вышел электронный циркуляр Центра малых планет, в котором говорилось, что это новая комета под названием С/2019 Q4 (Borisov). А еще через две недели ее переименовали, потому что определили, что это первая межзвездная комета. Она попала в новую классификацию как 2I/Borisov.

— Имя вы не выбирали?

— Это астероид можно назвать по-своему — заявки рассматривает специальная комиссия. А кометам всегда дают имена открывателей, поэтому все девять комет, открытых мной, имеют цифровое и буквенное обозначение и добавление «Borisov».

А межзвездная комета получила собственное имя, чтобы не нарушать правила Международного астрономического союза. Она стала вторым межзвездным объектом. В 2017 году был обнаружен межзвездный астероид 1I/Оумуамуа. Его открыл на Гавайях большой телескоп Pan-STARRS. Так как открытие принадлежит, по сути, роботу, объект называют либо по имени проекта, либо по местности. В этот раз было предложено дать имя в честь гавайских этносов.

— Почему он вызвал переполох среди астрономов?

— Было понятно, что летит очень тяжелый объект странной вытянутой формы (около 200 метров) наподобие сигары. У него наблюдалось негравитационное ускорение, и поэтому сначала все даже подумали, что это космический корабль. В целом же изучать астероид было не очень удобно, его обнаружили уже после того, как он пролетел мимо Земли и удалялся от нас. Ученым просто не хватило времени, чтобы подготовить инструментальную базу и разработать проекты.

— Вашей комете повезло больше.

— Да, она была обнаружена за три месяца до прохождения перигелия — минимального расстояния объекта до Солнца. За это время научному сообществу удалось подготовиться, и в итоге мою комету наблюдали в самые разные телескопы, включая крупные 8–10-метровые на Земле и даже космический телескоп «Хаббл».

Сейчас обсуждаются проекты по запуску к этой комете зонда. Если зонд запустить в 2030 году, он догонит ее в 2045 году. Сделать это, в принципе, непросто, потому что комета удаляется от нас с большой скоростью и, чтобы ее догнать, нужно делать специальные гравитационные маневры вокруг Солнца. Пока непонятно, будет ли этот проект реализован, потому что времени не так много. Некоторые ученые уверены, что в скором будущем нужно готовить какие-то аппараты, которые будут висеть вокруг Солнца как спутники и в случае обнаружения подобного объекта стартовать ему навстречу. Но как это осуществить — непонятно, потому что нужно заранее финансировать проект для изучения объекта, который неизвестно, когда прилетит. Пока у нас есть только один успешный проект близкого изучения кометы — посадка зонда на комету Чурюмова — Герасименко. Но это периодическая комета нашей Солнечной системы, хорошо известны ее скорость и орбита, поэтому речь идет о тщательно подготовленном проекте, который занял больше 10 лет.

— Насколько ученым сегодня в принципе интересно изучение комет?

— Это всегда очень интересная, но малодоступная область. Новая информация всегда ценится очень высоко. Например, в начале лета зонд Solar Orbiter, который предназначался для исследования Солнца и солнечного ветра, случайно пролетел через газовый и пылевой хвост кометы ATLAS, и это было большой удачей — такое было всего шесть раз в истории человечества. Сейчас ученые заняты расшифровкой полученных с аппарата данных.

Мусор высших сфер

— До пандемии вы успели сделать доклад в ООН. О чем вы говорили?

— Меня пригласили выступить на 57-й сессии ООН по мирному использованию космоса, где я рассказывал о межзвездной комете. Параллельно там проходила конференция Международного союза по оповещению об опасных астероидах, куда меня тоже пригласили с докладом. Там собрались специалисты со всего мира, которые занимаются поиском и обнаружением опасных околоземных объектов. В настоящее время открыто несколько тысяч подобных объектов.

— Комета относится к опасным объектам?

— Конечно. Если орбита кометы пересекает орбиту Земли или подлетает довольно близко, она имеет такую же классификацию опасности, как астероиды. Среди моих открытий есть, кстати, и несколько околоземных астероидов. Один из них, TV135, обнаруженный в 2013 году, был как раз классифицирован как опасный, но затем пересчитали его орбиту и понизили класс опасности.

Сегодня в мире работает сразу несколько миссий, которые отслеживают опасные объекты. В настоящее время ведется строительство атолла Кваджалейн на Маршалловых островах для создания «космического забора». Это сложная система, она значительно улучшит способ, которым ВВС США находят и отслеживают объекты в космосе.

— Интересно, что, несмотря на столь пристальное внимание к астероидной опасности, реальных проектов, как с ней бороться, пока нет.

— Не все же делается сразу, сначала мы должны понять проблему, просчитать вероятную опасность и так далее. А реальные проекты уже появляются, например японская компания Astroscale получила от правительства грант в размере 4,5 млн долларов на вывоз космического мусора. А ведь мусор тоже может быть очень опасным объектом: в мае этого года китайская ракета, которая считалась одним из самых крупных обломков космического мусора, упала на Землю и утонула в Атлантическом океане.

— Поиск таких мусорных опасных объектов — это главная задача Астрономического научного центра?

— Центр занимается наблюдением и контролем за околоземным космическим пространством. Специалисты следят за космическим мусором, спутниками и другими аппаратами, чтобы предотвратить опасные ситуации. Например, мы должны предупредить, если видим, что, предположим, к МКС направляется какой-то неуправляемый объект, и тогда нужно скорректировать орбиту станции. Я сделал большинство телескопов, которые работают в центре. Некоторые из них обладают уникальными параметрами, которые позволяют России оставаться на уровне мировых обсерваторий, занятых данной проблематикой.

— В чем их уникальность?

— Они позволяют одновременно в хорошем разрешении наблюдать за большим количеством объектом. На орбите уже сейчас находятся десятки тысяч спутников плюс огромное количество космического мусора, который может нанести вред работающей аппаратуре. При этом мусор может быть достаточно маленьким, но лететь с большой скоростью. Нам нужно оперативно обнаружить потенциально опасные объекты, рассчитать их координаты, чтобы понять, как они дрейфуют и как могут измениться их орбиты под воздействием земной атмосферы и солнечного света. Чем больше вы видите объектов, чем обширнее ваш каталог, тем более серьезной организацией вы считаетесь.

— А когда мы говорим «космический мусор», выглядит это как обломки старой техники на свалке?

— Да, это отработанные аппараты, какие-то ступени, детали, которые сорвало с приборов, нерабочие космические объекты, которые будут летать там миллионы лет. По данным НАСА, существует где-то 900 тысяч осколков размером от 1 до 10 см и 128 млн осколков от 1 мм до 1 см. На геостационарной орбите полно крупных дрейфующих неуправляемых объектов. А место очень интересное, поэтому желающих запустить туда спутники очень много. В будущем, возможно, мы научимся этот мусор утилизировать.

— А в России есть комплектующие, чтобы строить такие телескопы? Или это не вписывается в логику импортозамещения?

— Сейчас мы абсолютно все делаем сами. Стекло варится на заводе в Лыткарино. Заготовки отдаем в оптические цеха, где их шлифуют и полируют по нашим заказам. Оптика рассчитывается и изготавливается целиком по нашим проектам и так далее. Всю железную часть телескопа, все механику делаем сами, потом все собираем, юстируем и проверяем по звездам. Сейчас в России стали делать даже приемники (специализированная микросхема, состоящая из светочувствительных элементов.— «О»), которые до этого покупали в США. В нашем случае такие приемники нужно охлаждать примерно на 50 градусов ниже окружающей среды, чтобы снизить «шумы» в изображении, потому что приходится наблюдать очень слабые объекты. Чтобы повысить точность измерения, большие дорогостоящие телескопы охлаждаются жидким азотом на еще более глубокие температуры, до минус 70 градусов по Цельсию и более.

Звездочеты, и не только

— Вы вошли в Книгу рекордов Гиннесса как открыватель первой межзвездной кометы. Но на самом деле отрыли уже девять комет. Все это вы сделали как астроном-любитель с помощью телескопа, созданного своими руками. Насколько это направление модно в мире и где оно более развито?

— Любительская астрономия развита во всем мире. Если вы уже сейчас выйдете ночью и ткнете пальцем в небо, можете быть уверенными, что в эту точку направили «взгляды» несколько десятков больших телескопов и сотни маленьких. Но увлечения астрономов-любителей могут быть самыми разными: кто-то занимается наблюдением планет визуально, кто-то наблюдает туманности и галактики, кто-то фотографирует объекты… Заниматься именно поисковой задачей очень сложно, потому что во всем мире появилось огромное количество больших автоматических телескопов. Сегодня подавляющее число открытий новых объектов делается в рамках больших обзорных проектов, покрывающих все небо, так что любителям просто ничего не остается. Тысячи людей наблюдают небо всю жизнь и ничего не могут найти, так что интерес, конечно, к этому направлению пропадает.

Сейчас в мире строится несколько больших телескопов, которые будут просматривать абсолютно все небо за несколько дней и видеть все вплоть до очень слабой звездной величины. Замеченный таким гигантским телескопом объект любитель сможет разглядеть только через несколько месяцев, по мере его постепенного приближения к Земле.

— Где они будут стоять?

— В Чили и Южной Африке, где самый хороший астроклимат — большое количество ясных ночей, атмосфера спокойная и прозрачная. У нас астроклимат, мягко говоря, так себе: мешает засветка от городов и атмосферная турбуленция. Более или менее хорошие места для установки телескопов только на Кавказе и на Алтае, но там в основном можно работать зимой — летом хорошей погоды в этих местах заметно меньше.

— Но любителю же все равно, где ставить телескоп.

— По большому счету, ему выбирать не приходится. Но вообще, сегодня очень популярна удаленная работа с телескопом. Это очень удобно, когда у вас есть телескоп, которым вы можете управлять из своего дома, особенно если вы при этом находитесь в другом полушарии: когда там ночь, здесь — день. Правда, это очень дорогое удовольствие, потому что телескопом нужно не только управлять, но и обслуживать его, настраивать.

Но многие любители, конечно, против таких методов и считают их профанацией. Совсем другое ощущение, когда ты сидишь ночью, работаешь с приборами и прямо сейчас получаешь живые изображения.

Сегодня вообще интересное время, потому что наука стала по-настоящему открыта и интернациональна и любой человек при желании может подать заявку и понаблюдать за своими объектами, даже на космическом телескопе «Хаббл».

— Это дорогое удовольствие?

— В случае «Хаббла» все-такие речь идет не о деньгах, а о научной конкуренции. Руководство проекта рассматривает заявки разных научных групп, институтов и университетов и выбирает то, что ему кажется наиболее перспективным.

А есть наземные телескопы, которые, по сути, представляют собой бизнес-проекты. На них продается наблюдательное время для всех, и любой желающий может за несколько десятков или сотен долларов в час пронаблюдать какую-то галактику или снять красивую картинку туманностей. Чаще всего их используют для съемок каких-то уникальных явлений. Но понятно, что для поисковых задач, когда тебе нужно работать каждую ночь по 10 часов в течение 5 лет, такие проекты не подходят.

— Если любителям так тяжело найти новый объект, как вам удалось обнаружить девять?

— Я к этому шел осознанно, потому что занимался изготовлением телескопов очень давно, начиная с детства. После учебы на астрономическом отделении физфака МГУ я распределился в ГАИШ, где выполнял работы по наблюдению двойных звезд на больших телескопах, но параллельно занимался оптикой и делал все более сложные приборы. Одно время очень увлекался астрофотографией, снимал туманности и кометы, а для фотографии нужно было делать хорошие телескопы. В итоге оказалось, что мои инструменты заточены именно для поиска комет: они имеют высокую светосилу, высокое качество изображения и большое поле зрения. Это три важных качества, потому что глазом приходится рассматривать миллионы звезд на экране и среди них нужно найти именно комету, которая выглядит как немного размытый туманчик. Чтобы это увидеть, все остальные объекты должны быть очень четкими. Я, как и большинство астрономов-любителей, начал искать кометы в предрассветной зоне, где в большие телескопы стараются не смотреть, потому что там для них не очень удобные условия съемки из-за яркости света и турбулентности атмосферы.

— Насколько тут силен элемент соревновательности?

— Конечно, он очень большой, есть сообщества, которые ищут кометы и соревнуются между собой,— континент на континент, потому что открытие кометы считается очень престижным.

Есть еще замечательный российский специалист Леонид Еленин, который открыл шесть комет, это величайшее достижение среди любительской астрономии. А так в мире есть два человека, которые открыли больше комет, чем я. Австралиец Уильям Бредфилд, который, к сожалению, недавно умер, открыл 18 комет, причем все визуально. Он прекрасно знал небо, поэтому просто на рассвете садился со своим маленьким телескопчиком и искал какие-то новые объекты. И Дональд Мачхольц — американец, который открыл 12 комет.

— Когда вам попалась первая комета?

— В 2013 году. Тогда это вызвало большой резонанс, я получал поздравления со всего мира, а затем, буквально через несколько месяцев, открыл вторую комету, потом через несколько месяцев еще. Так и пошло.

Что касается межзвездной кометы, открытой в прошлом году, то она была почти плановой, и это была моя восьмая комета. Последнюю, девятую, комету я открыл чуть позже — в ноябре 2019 года в Млечном Пути — это очень сложное место, где новые объекты открывать очень тяжело. Там такое огромное количество звезд, что кадр просто заплывает от их света. Представьте, звезд там больше, чем промежутков между ними. Это белое месиво большие телескопы наблюдают не очень охотно, поэтому там тоже «пасутся» любители.

С одной стороны, тут есть, конечно, огромный элемент везения, но с другой — я понимал, что мои телескопы специально созданы для этого, купить просто так такой телескоп в магазине нельзя.

Личная туманность

— Сейчас вы продолжаете искать десятую комету?

— Открыть десятую комету так же тяжело, как и первую. Можно искать всю жизнь. С другой стороны, копить кометы всю жизнь тоже не очень интересно. Я сейчас наблюдаю за далекими объектами из пояса Койпера, где обитают транснептуновые экзотические объекты. А месяц назад я открыл новую туманность.

— Как это новую? Неизвестную до сих пор?

— Именно новую, которой еще недавно не было. Это какой-то новый объект, который сейчас изучается учеными. Дело в том, что на сегодняшний день известно несколько разновидностей туманностей, например есть известная переменная туманность имени Хаббла. Такие объекты становятся то ярче, то слабее. Но при этом они светятся всегда. А я открыл туманность, которой не было. Она появилась на нашем небе примерно 8 лет назад.

— Как это стало понятно?

— По архивным астрономическим снимкам. Мой коллега из ГАИШ МГУ Денис Денисенко нашел на гавайских телескопах архивные снимки этого участка неба и увидел, что объект появился в период с 2011 по 2013 год. До этого в течение 50 лет ее точно не было, а более ранних снимков у нас нет.

— Что означает появление новой туманности с точки зрения физики? Это же не звезда какая-нибудь…

— Обычно туманности появляются, когда вспыхивают сверхновые звезды. Например, 30 назад в Большом Магеллановом облаке вспыхнула сверхновая. При этом звезда сбрасывает оболочку, которая расширяется с большой скоростью, и через несколько десятков лет на этом месте появляется туманность. Но здесь другой случай. Мы уже провели наблюдения на телескопе в Кисловодске в инфракрасном диапазоне, который позволяет пронзить темную туманность и увидеть, что находится за ней. Но никакого объекта там не обнаружили. Сейчас готовится плановое наблюдение на 6-метровом телескопе БТА (Большой телескоп азимутальный.— «О»), который находится в Специальной астрофизической обсерватории в поселке Нижний Архыз. Туманность исследуют в разных спектрах, после чего в дальнейшем будет написана научная статья.

Беседовала Елена Кудрявцева

Новый коллайдер NICA (Nuclotron-based Ion Collider fAcility) в Дубне в скором времени начнет воспроизводить первые мгновения нашей Вселенной. О том, какие шансы у России во всемирной гонке коллайдеров, дойдут ли физики до торговли антивеществом и каким образом связаны свобода ученых и свобода кварков, «Огоньку» рассказал директор Лаборатории физики высоких энергий им. В.И. Векслера и А.М. Балдина Объединенного института ядерных исследований в Дубне Владимир Кекелидзе.

— Владимир Димитриевич, строительство 500-метрового кольца коллайдера NICA — по сути, первый российский мегапроект с середины XX века — подходит к концу. Что собой представляет установка?

— Это коллайдер протонов и тяжелых ионов. Он сможет воссоздать в лабораторных условиях особое состояние вещества, которое, возможно, существует только в ядрах нейтронных звезд. Такие установки называют гигантскими микроскопами, так как они позволяют все глубже проникать в материю и понять структуру вещества. Называют их и телескопами во времени — ведь чем выше энергия в эксперименте, тем ближе мы подходим к началу возникновения Вселенной. Чтобы понять, что же там происходило, нам нужно в минимальной единице объема сосредоточить максимум энергии.

— Для Дубны это далеко не первая стройка мегаустановок мирового класса. Как выбирали место для строительства синхрофазотрона? Известно, что, когда искали площадку для ускорителя в Протвино в 1970-е, объехали 40 площадок в поисках особой скальной породы. Здесь тоже какой-то особенный грунт?

— С одной стороны, скальная порода придает установке стабильность, с другой — она передает все колебания от незначительных землетрясений и даже от вибраций. Поэтому есть другой подход: ускоритель должен находиться на жесткой платформе, но в мягкой породе. Синхрофазотрон, запущенный в Дубне в 1957 году, имел относительно небольшие размеры и был построен на жесткой плите. На тот момент это был самый мощный ускоритель в мире, сегодня таковым является Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе, Швейцария. В 1950-е он был спланирован на энергию в 10 гигаэлектронвольт (1 ГэВ — это 1 млрд электронвольт.— «О»). Это знаковый рубеж для человечества, потому что за ним возможно всерьез изучать строение вещества.

— Предстоящие эксперименты на коллайдере NICA не предполагают столь высоких энергий, как на БАКе, где энергию и вовсе измеряют в ТэВах (тераэлектронвольтах — триллионах электронвольт). В чем же тогда их уникальность?

— Дело в том, что в Большом адронном коллайдере изучаются процессы, происходящие при крайне высоких энергиях.

Задача же нашего коллайдера — создать максимальную плотность ядерной материи, если говорить точнее — барионной материи. Барионы — это, прежде всего, протоны и нейтроны, из которых состоит весь окружающий нас мир. Когда-то, в начале Большого взрыва, ее плотность везде была нулевой, а сегодня обычная материя вокруг нас обладает «единичной» (нормальной) плотностью барионов, а в недрах нейтронных звезд эта плотность может быть на порядок выше. За счет большой гравитации материя так сжимается, что в их ядрах нуклоны (протоны и нейтроны.— «О») проникают друг в друга и в какой-то момент переходят в состояние кварков. Вот этот фазовый переход и будет изучать NICA. По сути, на этом коллайдере будут создаваться максимально возможные для лабораторных условий Земли плотности барионной материи.

— Что значит — максимально возможные?

— Это значит, что в лабораторных условиях невозможно создать состояние, в котором в единице объема будет больше барионов. В таком состоянии материи мы имеем дело уже не с нуклонами (протонами и нейтронами), а с кварками и глюонами. Если говорить упрощенно, то каждый протон или нейтрон содержит по три кварка.

— Как же тогда можно извлечь кварки, чтобы увидеть этот фазовый переход?

— Можно их или столкнуть, или применить способ, основанный на так называемом принципе асимптотической свободы. Это важное явление было открыто в конце прошлого века, в 2004 году за него получили Нобелевскую премию Дэвид Гросс, Дэвид Политцер и Фрэнк Вильчек. Оказалось, что если попытаться вытянуть кварк из нуклона, то нужно, как я сказал, приложить максимально известные человечеству силы. А вот если кварки сблизить, то в какой-то момент они перестают между собой взаимодействовать, становятся свободными, превращаясь в кварковую кашу — кваркглюонную плазму. Частицы в ней начинают свободно перемещаться, а когда все остывает, формируются в совершенно новые нуклоны и другие элементарные частицы.

— Не случайно, видимо, Дэвид Гросс приезжал в Дубну, когда закладывался первый камень в фундамент коллайдера NICA. Хотел посмотреть на место, где кварки выпустят на свободу?

— Да, он приезжал в 2016-м и участвовал в церемонии закладки фундамента.

— Как же вы будете сжимать нуклоны с такой силой без нейтронных звезд?

— Это можно сделать, разгоняя и сталкивая два тяжелых ядра, например, золота и золота. Но если их разогнать очень сильно, как происходит в Большом адронном коллайдере, то хотя и образуется кварковый бульон, плотность барионов в нем будет минимальной. Чтобы достичь нужного нам эффекта, энергия должна быть около 10 ГэВ на каждый нуклон. Именно такие параметры мы заложили в NICA.

В начале начала

— Что мы знаем о начале Вселенной, когда возникла плотная барионная материя? Если бы тогда был некий сторонний наблюдатель, он бы действительно увидел большой во всех отношениях взрыв?

— В первое мгновение Большого взрыва большой плотности барионной материи не было. Там была большая плотность энергии. В равных пропорциях находились вещество и антивещество. Все это расширялось в пространстве с колоссальной скоростью, создавая сложные флуктуации, которые в итоге, согласно теориям ведущих российских ученых, стали основой будущих звезд и галактик (подробнее — см. «Огонек», № 11 за 2019 год). Отдельный вопрос: как же появилось вещество? Это одна из интереснейших задач современной физики. В какой-то момент равновесие между частицами и античастицами было нарушено. Это была совсем маленькая разница, из которой получилась вся наша Вселенная.

За возникновение разницы между веществом и антивеществом ответствен ряд процессов, происходящих во Вселенной, невозможных без нарушения некоторых симметрий, одно из которых в науке называют СР-нарушением. За его открытие в 1980 году дали Нобелевскую премию Джеймсу Кронину и Вэлу Фитчу. Само открытие они, кстати, сделали в 1964-м и впервые докладывали о нем у нас в Дубне в том же году.

— Почему именно у вас?

— В Дубне проходила крупнейшая в области физики высоких энергий так называемая Рочестерская конференция — это как Олимпийские игры для физиков, занимающихся высокими энергиями. На ней представляются все самые яркие достижения последних лет.

Чрезвычайно интересно понять, как кварки высвобождаются, а затем снова попадают в «тюрьму» при условиях, когда они максимально сжаты. NICA будет воспроизводить весь этот процесс: от создания бульона из кварков до формирования новых частиц.

— А можно ли будет каким-то похожим образом изучать антивещество? Часто пишут, что оно будет стоить баснословных денег…

— Антивещество как раз изучают в ЦЕРНе. Там делают очень интересные эксперименты, когда антипротон пытаются удержать в особой ловушке. Вообще же антивещество создается каждый день в экспериментах на ускорителях и даже в результате естественных процессов, таких как молния, но оно быстро исчезает при столкновениях с обычным веществом. По этой же причине вряд ли его когда-нибудь станет возможным создать в ощутимых количествах.

— Интересно, что у вашего коллайдера, рассчитанного под самые фундаментальные задачи, есть прикладной аспект. В чем он заключается?

— Мы предложили три инновационных проекта, которые могут принести ощутимую пользу в ближайшее время. Первый связан с облучением электронных схем, без чего невозможно создание революционной по характеристикам электроники, которая будет стойко работать в условиях высокой радиации и космического излучения. Это нужно для полетов в космос и для других целей. Ведь даже единичное попадание тяжелого иона в электронное устройство может вывести его из строя. С помощью NICA будет нарабатываться статистика отказов, отрабатываться система защиты.

Второй проект связан с исследованием воздействия тяжелого космического излучения на живые организмы. Сейчас у нас тоже проходят такие работы, но условия для их проведения ограниченны. Тем не менее здесь нашими коллегами из лаборатории радиобиологических исследований уже были получены очень интересные результаты в экспериментах с обезьянами. Оказалось, что после небольшой дозы облучения их когнитивные способности повышались, а вот затем резко падали. Это чрезвычайно важно для будущих полетов человека на Марс, видимо, когнитивные способности и, кстати, зрение в условиях длительных полетов будут страдать сильнее всего. При этом если от заряженных частиц можно спастись каким-то защитным полем, то от нейтральных практически нечем. Вы же не повезете туда огромные бетонные блоки! Поэтому здесь для ученых большое поле деятельности.

Третье направление связано с медицинскими технологиями на основе наших магнитов. Это очень перспективная область, связанная с лечением онкологических заболеваний.

— NICA — не единственный проект, который изучает кварковый бульон?

— Да, у нас есть конкуренты. Например, Брукхейвенская национальная лаборатория в США. Они запустили коллайдер еще в 2000-м и уже сделали много интересных открытий, изучая кваркглюонную плазму. Но барионная плотность вещества у них очень маленькая: изначально проект был рассчитан на энергии в 200 ГэВ на нуклон, а для достижения максимальной барионной плотности, как я говорил, нужно всего 10. Для расширения исследований в области большой барионной плотности они доработали конструкцию коллайдера, чтобы понизить энергию, но при этом он потерял такое важное качество, как светимость,— число взаимодействий на поперечный сантиметр в секунду. А этот параметр в конечном счете влияет на статистику взаимодействий, которая набирается в ходе эксперимента и определяет точность измерений.

Еще у нас есть непосредственный конкурент, который должен заработать в 2025 году,— коллайдер FAIR, строящийся недалеко от города Дармштадт в Германии. Поэтому нам так важно не сдвигать даты запуска.

Коллайдер размером с Землю

— Вы сказали, что самые крупные эксперименты в области физики высоких энергий сегодня проводятся в ЦЕРНе. Какую основную задачу собираются там решить физики и что будет, когда возможности коллайдера исчерпаются?

— Сейчас БАК будет детально изучать бозон Хиггса, а дальше, скорее всего, будет создан еще более крупный ускоритель, в разы превосходящий по энергии существующий. Перспективы такого проекта регулярно обсуждаются на собрании управляющего комитета ЦЕРНа, куда входят представители 23 стран. Каждые семь лет он подготавливает стратегическую программу развития. На этот раз было решено изучать возможности реализации проекта — географию, технологические возможности и стоимость.

— Какой же будет размер этого гиганта?

— Если диаметр работающего сегодня Большого адронного коллайдера примерно 27 километров, то здесь речь идет о 100 километрах.

— Значит, ученые снова столкнутся с протестами местных жителей? Они ведь и в прошлый раз не хотели соседства с такой мощной научной установкой, как БАК.

— Да, причем выявились неожиданные коллизии, в том числе юридические. Нынешний коллайдер проходит, как известно, по территории Франции и Швейцарии. Когда для него копали туннель, оказалось, что на разных землях законы отличаются: где-то владелец имеет право только на почвенный слой, а где-то его права распространяются вглубь, вплоть до центра Земли! Иными словами, вы не можете просто прокопать у него под ногами ветку метро или нечто подобное. Поэтому пришлось проводить сложные согласования.

— У ученых есть какая-то конкретная задача для такой огромной и дорогой установки?

— В том-то и дело, что пока ясной физической цели нет, а без этого двигаться очень сложно. Никто не знает, какая нужна энергия, чтобы обнаружить явления так называемой новой физики (явления за пределами принятой сегодня Стандартной модели.— «О»). БАК строился исходя из представлений о том, при каких энергиях можно открыть бозон Хиггса, поэтому все и получилось. Правда, при этом ожидалось, что, возможно, подтвердится так называемая теория суперсимметрии, а этого пока не произошло. А нам важно понять, существует ли она в природе или только в головах теоретиков. Также было бы интересно разобраться с природой кварка: выяснить, является ли он точечной частицей или у него есть структура.

— А в принципе, есть ли предел развития ускорительной техники? Или коллайдеры вечно будут расти в размерах?

— По большому счету, предел — это размеры Земли, а может, и больше.

Дороги, которые мы выбираем

— Как сильно пандемия сдвинула сроки сдачи NICA?

— По нашей оценке, примерно на полгода, потому что многие работы за границей пришлось приостановить. Но пока мы не меняем планов запуститься в конце 2022-го.

— Что это за работы и где они проходили?

— В основном в Европе. Сейчас у нас очень напряженный момент, связанный с поставкой из Италии важнейшего компонента детектора MPD на коллайдере — сверхпроводящей катушки большого анализирующего магнита. Это огромная деталь размером, с упаковкой, 8 на 9 метров, которая сама весит более 70 тонн плюс еще половину весит каркас, в котором ее везут. Это очень деликатный груз, который нужно везти со всеми мерами предосторожности, с шоковыми датчиками и т.п. Доставить такую объемную установку можно только по воде. Наш груз должен был доплыть из Генуи, где его сделали, до Санкт-Петербурга, а далее уже на речной барже по Волге прямо сюда, в Дубну. Но так как из-за пандемии весной работать было невозможно, сроки поставки сдвинулись. И теперь нам нужно успеть доставить до того, как на Волге закроется навигация. А оставлять катушку в Италии до весны нельзя, это и задержка проекта, и дополнительные большие расходы. В мире, кстати, вообще не так много компаний, которые могут сделать что-то подобное.

— В чем основная сложность?

— Это большой магнит со сверхпроводящей катушкой, который должен создать высокооднородное магнитное поле в цилиндрическом объеме диаметром 6 метров и длиной 8 метров. Катушка должна работать в условиях, близких к абсолютному нулю (минус 273,15°C.— «О»). Для Большого адронного коллайдера такие установки делали японская «Тошиба» и «АСГ Суперкондакторс» в Италии.

Когда нам потребовался такой магнит, то решили обратиться именно к ним, потому что для строительства наукоемких установок лучше пользоваться услугами компании, которая такие приборы уже делала. В мировой практике есть много отрицательных примеров, когда известная компания без опыта в изготовлении такого сложного оборудования берется за работу и через несколько лет сообщает, что ничего не получилось, и ученые остаются у разбитого корыта. Поэтому мы выбрали итальянцев, работа которых оказалась в полтора раза дешевле, чем японцев. А так как речь идет о десятках миллионов евро, это важно.

— Что самое главное в такой детали?

— Качество магнита определяется качеством магнитного поля, которое он создает. Поле должно быть очень однородным, чтобы в нем можно было с высокой точностью восстанавливать траектории частиц в детекторе. А это определяется как катушкой, так и самим магнитным ярмом — железом, которое нам пришлось делать в другом месте, так как итальянцы не захотели брать это на себя.

— Где вы его взяли?

— Это отдельная и тоже очень интересная история. Для детектора нужно не литое, а кованое железо очень хорошего качества. Речь идет о балках длиной 9 метров и кольцах диаметром 8 метров, и, чтобы их ковать, нужен огромный молот. Считалось, делать такие могут лишь в США и Китае, ни России, ни Европе это не по плечу. Но мы совершенно неожиданно недалеко от Милана нашли маленькую компанию. У них есть огромная рука-манипулятор, которая может взять кусок железа в несколько сот тонн, положить на молот и затем отковать.

При этом заготовки самого железа мы брали в России, предварительно обрабатывали в Новокраматорске на Украине. Оттуда отвезли в Италию, а уже затем — в Чехию для высокоточной обработки и сборки на большом заводе, который специализируется на том, что делает огромные металлические конструкции, в том числе шестерни для переноса барж из одного канала в другой. Затем это все разобрали и на 42 грузовиках привезли сюда. Это лишь один из эпизодов большого проекта.

— Получается, что каждый раз приходится искать буквально штучных специалистов по миру.

— А здесь по-другому нельзя. Если при создании уникального проекта вы где-то понизите планку качества или ответственности, то никогда не сможете достичь требуемых результатов. Вот мы и ищем только тех, кто делает то, что нам требуется, лучше всех в мире.

— А что лучше всех в мире делает Россия?

— Многое, например в Новосибирске в Институте ядерной физики им. Будкера делают лучшие в мире системы электронного охлаждения. Все существующие сегодня ускорители используют их системы.

Нигде не делают лучше, чем у нас, в Дубне, быстроциклирующие сверхпроводящие магниты. За четыре года было создано уникальное в мировом масштабе производство, где собираются, испытываются и сертифицируются сверхпроводящие магниты для NICA и для наших партнеров-конкурентов — FAIR. Это основные элементы нашего коллайдера.

Наука для всех

— Можно сказать, кто придумал NICA? Чьи идеи тут стали ключевыми?

— Идея изучения столкновения ядер при этих энергиях принадлежит Александру Михайловичу Балдину, чье имя носит наша лаборатория. Он был инициатором создания «Нуклотрона», который функционирует с 1993-го и который сейчас — в основе NICA.

А вообще, к началу нашего века идея изучать плотную барионную материю витала в воздухе. В состав ученого совета Объединенного института ядерных исследований входит много ученых со всего мира — в обсуждениях с ними она обрела конкретные черты. И рождение проекта происходило благодаря дискуссиям на ученом совете института, директором которого тогда был Алексей Норайрович Сисакян. Он понимал, что нам нужен именно такой флагманский проект, и сделал все возможное, чтобы инициировать его реализацию.

— Интересно, почему именно физика высоких энергий с самого начала была площадкой для активного международного общения? Даже в 1950-е, в разгар Холодной войны, наши физики ездили в национальные исследовательские лаборатории США…

— Потому что иначе она бы не развивалась. Если вы замкнетесь в рамках одной страны, проект не получится. У вас не хватит ни образования во всех требуемых направлениях, ни технологий, ни знаний, ни ресурсов. Чтобы сделать что-то стоящее, у вас должен быть большой набор различных методов и технологий, широкий спектр образованных специалистов и даже разнообразие менталитета участников проекта. Сегодня нет страны, которая могла бы сказать, что обладает, предположим, 90 процентами технологий в данной сфере. Не случайно, что ОИЯИ, созданный в 1956 году, с самого начала был задуман как международная организация. Изначально в состав института вошли 12 стран-участниц.

— Непонятно, почему в составе нет Китая.

— Изначально он был, но в 1965 году из-за политических разногласий китайское правительство в течение нескольких дней отозвало всех своих сотрудников на родину. С тех пор КНР не входит в состав ОИЯИ. Сегодня в его составе 18 стран и 6 ассоциированных членов. Кстати, еще в 1950-е устав нашего института был зарегистрирован в ООН и хранится в ее Секретариате. В том числе это и помогло нам отстоять статус института в сложные 90-е годы.

— Тогда физика высоких энергий как наука недешевая пострадала особенно сильно. Строительство в Протвино коллайдера УНК пришлось остановить…

—Да, и я считаю это ошибкой. По масштабам он был близок к современному Большому адронному коллайдеру. Туда было вложено очень много ресурсов, метростроевцы полностью построили 20-километровый туннель, были разработаны уникальные криогенные технологии и множество другого.

— Немало российских специалистов из Протвино затем поехали работать в ЦЕРН.

—Да, так и было. Но здесь мы опять же возвращаемся к вопросу международного сотрудничества в науке. Национальные проекты такого масштаба закрывались не только у нас. Примерно в то же время остановили строительство еще более масштабного коллайдера SSC в Техасе. В 1992 году как раз в Техасе проходила Рочестерская конференция. Я помню, как техасский таксист с гордостью рассказывал мне, что у них строится огромный сверхпроводящий суперколлайдер, который перевернет всю мировую науку. Но когда в проект уже вложили несколько миллиардов долларов, его вдруг закрыли из-за разногласий между организациями разного уровня. Это, конечно, оказало большое негативное влияние на всю физику высоких энергий. В этом отношении ЦЕРН более устойчив, так как в его составе более двух десятков стран, и даже если одна из них решит проект покинуть, он все равно будет реализован.

Криптон, и не только

— Вы пришли в науку в то тяжелое время. Не было желания уехать из страны в 1990-е?

— Нет, так получилось, что в те годы мы вели очень интересный проект в Протвино: на нескольких установках изучали рождение очарованных частиц (кварков с более тяжелой массой.— «О») и искали новые кварковые резонансы.

Кроме того, именно в 90-е годы у нас началось сотрудничество с ЦЕРНом в эксперименте NA-48, где как раз уже с нашим участием было открыто прямое СР-нарушение, о котором я говорил, объясняя разницу между веществом и антивеществом. Разумеется, участие в таком престижном эксперименте — предмет гордости для любого коллектива. Однако попасть туда было непросто. Когда я познакомился с лидерами этого проекта, то нам предложили войти в состав участников эксперимента при условии, что мы поможем создать жидкокриптоновый калориметр. Это уникальный прибор, без которого не было бы открытия. Его основа — гигантский криостат (цистерна), наполненный жидким криптоном. Этот прибор был необходим для регистрации гамма-квантов от распадов нейтральных пионов.

— Боюсь, что многие сегодня знают Криптон только как родную планету Супермена из комиксов DC…

— Это химический элемент с атомным номером 36. Сложность в том, что для эксперимента нужно было найти 23 тонны чистого криптона, а этот объем сравним с объемом мирового производства. Криптон был побочным продуктом сталелитейного производства и применялся в основном для выпуска лампочек. Для наших же целей требовался криптон тщательной очистки. Мы обратились в Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники Минатома, где владели технологиями очистки газов, с просьбой помочь организовать такое производство. Финансировала завод (а речь шла о миллионах долларов) голландская компания. В итоге в закрытом городе недалеко от Екатеринбурга был запущен завод по очистке сжиженного криптона, качество которого превысило требования эксперимента. Полученный газ мы заправляли в баллоны и на грузовиках везли прямо в Женеву.

Затем на грант Международного научно-технического центра, который финансировал конверсионные программы в СНГ, мы сделали на лучшем космическом предприятии России — НПЦ им. Хруничева — очень хороший криостат из алюминия. И так получили входной билет в проект NA-48, который сегодня в пятерке самых успешных экспериментов ЦЕРНа. Молодых ученых из Дубны, которые в нем участвовали, тут же стали приглашать работать по всему миру. Это стало для них отличным стартом. Кстати, сегодня под наш проект в Дубну тоже приезжает много молодежи: каждый год мы берем на практику примерно 40–50 студентов и конкурс весьма напряженный. В прошлом году было много ребят из Польши, недавно подписали контракт с пятью мексиканскими университетами.

— Можно ли говорить, что в физике высоких энергий сохранилась российская школа?

— Мне трудно ответить на этот вопрос. Развитие российской физики высоких энергий, по большому счету, закончилось, когда закрылся проект УНК в Протвино. С тех пор интересные работы были, но масштаб их не дотягивал до мирового. Поэтому мы с такой надеждой ждем реализации не только проекта NICA, но и других российских мегапроектов. Например, создания синхротрона «СКИФ» в Новосибирске. Дело в том, что большие научные проекты формируют высокопрофессиональную научную среду — большие коллективы ученых, инженеров, специалистов, а если у страны нет своих базовых проектов и мы работаем только на выездных экспериментах, говорить о возрождении науки преждевременно...

Беседовала Елена Кудрявцева

Жизнь на Венере, первая фотография тени от черной дыры и загадочное облако, скрывающее от нас центр Галактики,— все эти громкие открытия в космосе сделали радиоастрономы. И это только начало: в ближайших планах — попытки заглянуть в кротовые дыры, чтобы увидеть другой край Вселенной. Обо всем этом «Огонек» поговорил с руководителем научной программы проекта «Радиоастрон», членом-корреспондентом РАН, руководителем лабораторий в ФИАН и МФТИ Юрием Ковалевым

— Юрий Юрьевич, сегодня число самых разных радиотелескопов растет день ото дня. А как это «работает»? Скажем, все понимают, что оптический телескоп надо ставить там, где нет туч. А какие точки идеальны для радиотелескопа?

— Это зависит от вида телескопа. Например, в Пущинской радиоастрономической обсерватории, где мы с вами говорим, в основном работают телескопы на длинных волнах — им погода не важна, они могут стоять где угодно. Зато для таких телескопов принципиально, чтобы вокруг было как можно меньше помех. С этой точки зрения разросшийся город Пущино — плохое место для длинноволновой радиоастрономической обсерватории. Но, конечно, в дополнение ко всем прочим факторам действуют и экономические: так, новейший телескоп на длинных волнах LOFAR недавно появился вблизи голландского города Экслоо благодаря финансовой поддержке местных властей.

А есть телескопы на коротких волнах. Для них погода как раз важна: чем меньше воды в атмосфере, тем меньше поглощаются радиоволны. Поэтому такие приборы ставят либо высоко в горах, где воздух вымораживается, либо в пустынях. Шикарные точки — Южный и Северный полюсы. Один из лучших на сегодня инструментов такого типа — ALMA — расположен в чилийской пустыне Атакама на высоте примерно 5 километров. Это интерферометры, то есть целая сеть телескопов, которые получают изображения объектов Вселенной на миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Именно ALMA обнаружила фосфин в атмосфере Венеры, что, в принципе, может указывать на признаки жизни. Однако и здесь свои исключения: очень хороший 100-метровый телескоп установлен в местечке Грин-Бэнк, в горах Аппалачи, штат Западная Виргиния.

— Там должно быть довольно дождливо?

— Нередко поливает. Когда я там работал, мы вешали сушить белье на улице, а вечером оно было мокрым из-за очередного дождика. Но история появления этого телескопа замечательна. До него там лет 30 стоял довольно простой и дешевый телескоп диаметром в 90 метров, работавший на средних радиоволнах. Однажды ночью он рухнул — усталость металла. Но любое плохое событие может стать хорошим информационным поводом. СМИ наводнили фото обломков, и в итоге конгрессмен штата Западная Виргиния Роберт Берд, который долгое время в Конгрессе США был председателем комиссии по бюджету, заявил, что нужно помочь астрономам и построить новый телескоп. Обсерваторию попросили подготовить проект. В это время в СССР в Евпатории построили очень успешный 70-метровый телескоп, и американцы решили сделать что-то похожее, назвав его без изысков «70-m radio telescope». Ровно это было написано на папке с документами, который передали в офис Роберта Берда. Когда пришло время планировать бюджет, он решил, что эта надпись — сумма на строительство телескопа, и добавил еще 30 млн на инфляцию и непредвиденности. Так ученые неожиданно получили сумму в 100 млн долларов — значительно больше, чем рассчитывали. В результате обсерватория построила уникальный 100-метровый телескоп с адаптивной поверхностью, который работает вплоть до 3 миллиметров. Однако на этой самой короткой длине волны телескоп эффективно работает только зимой.

— А как строят изображения космических объектов радиоинтерферометры — системы телескопов, разбросанные по всей Земле?

— Для этого нужно одновременно, синхронизируясь по атомным часам, наблюдать объекты несколькими телескопами, а потом сводить данные вместе, обрабатывать и получать изображение. Около полувека назад эту идею первыми опубликовали советские ученые, а воплотили, как водится, американцы. Зная работы советских коллег, американцы написали письмо в ФИАН, где в те годы работал Леонид Иванович Матвеев — один из авторов статьи,— и предложили провести первый межконтинентальный эксперимент по изучению квазаров с телескопом в США и в Пущино. Советские ученые быстро сообразили, что попутно будет решена и обратная задача по определению координат телескопа с точность около сантиметра. Это означало, упрощая, что любая межконтинентальная баллистическая ракета из США сможет прилететь в город Пущино Московской области и точно привязать свои координаты. Поэтому советские радиоастрономы написали американцам, что идея им очень нравится, но для воплощения они предлагают использовать точно такой же, даже лучше, телескоп в Крыму в поселке Кацивели.

Сложность была в том, что в СССР в то время атомных часов еще не было. Поэтому коллегам из США пришлось везти атомные часы с собой, а они потребляли очень много энергии, аккумулятор быстро разряжался. Когда атомные часы прибыли в Москву и их наконец доставили в гостиницу, американские ученые вздохнули с облегчением и отправились в МГУ, чтобы обсудить детали эксперимента. Но, как говорится, не тут-то было. В это самое время в номер зашла горничная, которая, увидев подозрительную штуку, похожую на большой холодильник с мигающими лампочками, от греха подальше выдернула его из розетки… Так эксперимент потерпел фиаско. Пришлось часы снова синхронизировать. Но в итоге эксперимент получился блестящим.

— Что же ученые видят на длинных волнах, а что на коротких?

— Как это ни печально, не видят они ничего. Картинки как таковые радиотелескопы не получают, только радиосигналы. Какой бы объект мы ни наблюдали, за исключением Солнца и нашей Галактики как целое, мы будем «видеть» его как точку. В этом смысле с момента своего появления радиоастрономия проигрывала оптической, но лишь до тех пор, пока не придумали интерферометры. Они одновременно наблюдают космический объект, а затем объединяют полученную информацию в единое целое специальными методами обработки данных. Это повысило угловое разрешение (способность системы различать на небе очень маленькие объекты.— «О») в десятки, сотни, тысячи, даже миллионы раз. Сегодня радиоастрономы могут наблюдать мельчайшие детали объектов Вселенной, о чем «оптики» только мечтают.

— Тогда спрошу вас иначе. Какие научные задачи можно решать на телескопах на разных волнах?

— Короткие волны позволяют рассматривать мельчайшие объекты в космосе. Например, изображение тени центральной черной дыры галактики М87 в Скоплении Девы получено на 1,3 миллиметра. Именно на этих волнах изучают молекулярные облака, процессы рождения звезд, космическую пыль. Даже космологию, на этих волнах лучше всего изучать анизотропию реликтового излучения, оставшегося после Большого взрыва.

На средних сантиметровых волнах изучают, например, квазары и микроквазары, облака нейтрального водорода.

Длинноволновые радиотелескопы помогают в числе прочего исследовать пульсары. Это мертвые звезды размером 10–20 километров в диаметре, которые остались после взрыва сверхновой. У них огромное магнитное поле, в нем разгоняются и излучают электроны. При вращении пульсаров яркие лучи света, выходящие из их магнитных полюсов, как бы чиркают по Земле. Впервые пульсары обнаружила аспирантка Кембриджского университета в Великобритании Джоселин Белл: телескоп засек загадочные периодичные импульсы, которые приняли за сигналы других цивилизаций. В записях первый пульсар так и был назван: «зеленые человечки № 1» и так далее. Позже разобрались… Так вот, пульсары очень интересны сами по себе, это фактически природная лаборатория экстремальной физики, которая позволяет исследовать материю в состоянии безумной плотности, миллиард тонн в кубическом сантиметре! К тому же у них есть вполне прикладной аспект: сигналы пульсаров используют для создания долговременной высокоточной шкалы времени. С их помощью даже планируют ловить гравитационные волны.

— В мире строят сразу несколько мощных радиотелескопов. Какой впечатляет вас больше?

— Сложно сказать. Самый крупный радиотелескоп Square Kilometre Array (он будет функционировать на разных частотах) скоро заработает в Австралии и ЮАР. Австралийский внешне будет похож на сотни тысяч противотанковых ежей, раскиданных по пустыне. В Африке расположат тысячи радиотарелок размером в 15 метров каждая по спирали с «плотно упакованной» центральной частью.

Австралийская часть будет изучать эволюцию Вселенной во время так называемой эпохи вторичной ионизации (между 550 и 800 млн лет после Большого взрыва, когда образуются первые звезды, галактики, квазары, скопления галактик.— «О»). С помощью длинных радиоволн мы сможем построить трехмерную карту ранней Вселенной до тех ее границ, которые мы видим. А южноафриканская часть займется исследованием пульсаров и быстрых радиовсплесков — мощных сигналов, которые прилетают к нам из Вселенной и длятся примерно одну тысячную секунды. Третья задача, без которой не обходится ни один радиоастрономический проект,— поиск жизни. С помощью нового телескопа астробиологи будут сканировать Вселенную на предмет аминокислот — строительных блоков жизни. Полный же список задач занимает два тома размером более тысячи страниц.

— Ваш научный руководитель академик Николай Кардашев, который, к сожалению, недавно ушел из жизни, собирался с помощью новой техники искать в космосе даже гипотетические инженерные конструкции.

— В этом плане я не такой оптимист: мы вряд ли встретим жизнь в виде зеленых человечков. Будем надеяться увидеть молекулы-биомаркеры.

Как поймать дыру за хвост

— Вернемся к черным дырам. Если судить по научным новостям, интерес к ним повышенный. Почему?

— Для ученых черные дыры — крайне интересный объект. Один из отцов, не побоюсь этого слова, черных дыр — Игорь Новиков, научный руководитель Астрокосмического центра Физического института им. Лебедева (ФИАН), в котором я работаю. Черные дыры были темой его диссертации, и тогда, по словам Игоря Дмитриевича, ему практически никто не верил. Сегодня же концепция черной дыры не просто принята, но и весьма востребована, потому что объясняет большое количество наблюдаемых явлений во Вселенной. Так что, если бы черных дыр не существовало, их нужно было бы выдумать. Кстати, буквально на днях гравитационным астрономам удалось впервые подтвердить существование неуловимого прежде вида черных дыр средних масс. Хотя, по большому счету, главная сложность с этими черными дырами все та же — мы их никогда не сможем увидеть…

— Тень от черной дыры не в счет?

— Это наиболее прямое из косвенных доказательств существования черных дыр. Ученые пытались заснять тень от черной дыры Стрелец А* в центре нашей галактики Млечный Путь и в галактике М87 (Дева А). Когда астрофизики из международной группы Event Horizon Telescope объявили пресс-конференцию, то все, конечно, надеялись на первый вариант, но — пока не получилось.

— А почему же дыра в центре нашей Галактики интереснее? Потому что она к нам ближе?

— Мы не просто хотим обнаружить черную дыру, но и использовать ее для проверки общей теории относительности (ОТО) Эйнштейна в сильном гравитационном поле черной дыры. Это чрезвычайно важно, потому что практически все научные революции и эпохальные перемены были связаны с ситуациями, когда ученые обнаруживали несоответствие современной теории с тем, что мы получаем экспериментально. Таким образом, ньютоновская физика была попрана предсказаниями ОТО Эйнштейна. Ньютон был «низвержен», а на его постамент встал Эйнштейн. Но прошло уже 100 лет, и, кажется, он слишком там застоялся. Нужно двигаться дальше, развивать теорию гравитации, но пока все эксперименты подтверждают ОТО.

— Почему для этого нельзя использовать дыру из другой галактики, которую уже разглядели?

— Нам нужно с высокой точностью знать расстояние до черной дыры и ее массу. Эти точности достигаются только для нашей родной черной дыры. Например, массу измерили по параметрам орбит звезд, которые вокруг нее обращаются, с помощью обобщенного закона Кеплера.

— Звучит все достаточно просто. Почему же не получается?

Например, черная дыра М87* имеет массу миллиарды масс Солнца, а наша — в тысячу раз менее массивная, соответственно в тысячу раз менее крупная. Из-за этого все процессы вокруг нашей черной дыры в фотонном кольце вокруг нее происходят примерно в тысячу раз быстрее по сравнению с галактикой М87. И картинка фотонного кольца вокруг тени в центре нашей Галактики изменяется на масштабе 15–20 минут, а данные собираются и усредняются телескопами за 10 часов. Мне нравится сравнение, когда говорят, что это все равно как пытаться сфотографировать активное малолетнее дитя, которое постоянно вертится, и фото выходит размытым. Поэтому сейчас ученые придумывают специальные методы, как получить качественное изображение. Но есть еще и другая проблема, которая связана с нашей миссией «Радиоастрон».

— В чем эта проблема?

— Центр нашей Галактики скрыт плотным облаком межзвездного газа, который рассеивает радиоволны и не дает нам разглядеть, что происходит с другой стороны этого облака. Вообще, эта история немного мистическая, потому что если отодвинуться на несколько градусов в сторону от центра нашей Галактики, то там проблем нет. А прямо в самом интересном направлении висит облако. Логично было предположить, что черная дыра притянула к себе материю — межзвездный газ, но вот нет. Облако находится не вблизи черной дыры, а почти посередине между нами и центром Галактики. Так вот «Радиоастрон» открыл новый эффект рассеяния, который важен именно на коротких радиоволнах и при высоком разрешении телескопов. Сейчас ученые разрабатывают методику, которая позволит с этим эффектом бороться.

Супервзрывы и магнетары

— Один из самых острых вопросов в науке связан с пониманием природы «быстрых радиовсплесков». Можно об этом поподробнее?

— Один из крупных прорывов последнего времени в радиоастрономии связан с успехами в цифровых технологиях — оцифровка получаемых данных теперь производится на высочайшей скорости. Если раньше, грубо говоря, мы могли снимать и записывать информацию на диск с телескопа раз в секунду, то теперь — миллион раз в секунду и даже быстрее. Благодаря этому мы можем исследовать космические явления, которые длятся очень короткий промежуток времени. К ним и относятся радиовсплески.

— А в чем их загадочность?

— Они приходят из совершенно разных частей неба в случайные моменты времени и по своим характеристикам имеют явно внегалактическое происхождение. В последние годы важнейшим вопросом была их повторяемость: может ли всплеск прийти из одного и того же места? Если нет, то, видимо, речь идет о каких-то далеких супервзрывах. А если повторяются — речь о чем-то другом.

Этот вопрос настолько горячий, что в последние годы именно под изучение быстрых радиовсплесков начали строить специализированные телескопы, которые одновременно могут видеть очень большой участок неба. Один из них, CHIME,— в Канаде. Благодаря его работе сегодня фиксируется все больше повторяющихся быстрых радиовсплесков. Это означает, что речь, скорее всего, о каком-то вращающемся долгоживущем объекте, вроде пульсара. Это могут быть магнетары — особые, очень компактные звезды с гигантским магнитным полем. Прояснение того факта, что радиовсплески повторяются,— прорыв этого года…

При этом исследованию радиовсплесков особенно мешают помехи. Их создает все: телевидение, радио, мобильная связь, даже двигатели автомобилей — бензин поджигается искрой, которая дает помеху в широком диапазоне частот. Поэтому, кстати, в некоторых обсерваториях ездят на старых дизельных автомобилях, желательно 1960-х годов, потому что новые дизельные имеют кучу электроники на борту, а она тоже фонит.

— Не случайно китайцы, чтобы избавиться от помех, первыми вынесли свой телескоп на обратную сторону Луны. Он сейчас работает?

— Нет, не работает. Но они не одни такие. Американцы тоже разрабатывают проект по установке гигантского телескопа на обратной стороне Луны.

— А Россия?

— Мы обсуждаем схожие планы с Роскосмосом.

Но в последнем случае задача по передаче данных на Землю усложнится.

— Помешают ли радиоастрономам сотни спутников, запущенных Илоном Маском? И есть ли у ученых какие-то способы предотвращать подобные ситуации?

— Спутники Маска в первую очередь мешают оптическим телескопам. Что касается радиоастрономии, то существует международная организация по распределению радиочастот, она фиксирует, какой диапазон отдается той или иной службе. Ученым, как правило, достаются очень маленькие окна для наблюдений, что и понятно. За остальными стоят миллиардные инвестиции или военные. Нас внимательно слушают и обычно игнорируют. Тем не менее мы пытаемся искать компромиссы.

Нырнуть в кротовую нору

— Полтора года назад закончил работу самый успешный за последние полвека российский космический проект с международным участием — «Радиоастрон». Подведете итоги?

— Специалисты ФИАН и НПО им. Лавочкина построили самый крупный измерительный инструмент в истории человечества, вывели на орбиту и синхронизировали работу космического телескопа «Спектр-Радиоастрона» с работой 60 крупнейших мировых телескопов в России, Америке, Европе, Австралии, Африке, Китае, Корее, Японии. Для управления спутником мы использовали две большие антенны в Подмосковье и Уссурийске. А получали научную информацию два телескопа — в нашем Пущино и в американском Грин-Бэнке. Для этого была реализована специальная система связи, которая позволяла бесперебойно получать данные из космоса с расстояния до 350 тысяч километров со скоростью 128 мегабит в секунду. В итоге спутник закончил работать в начале 2019 года, но объема собранных наблюдательных данных хватит еще лет на пять активной работы ученых.

— Запуск проекта переносили раз десять…

— Решение о старте проекта принято еще в начале 1980-х Л. Брежневым. Но тогда технологически это было крайне сложно, да и страна разваливалась. В итоге российская промышленность первой в мире решила задачу вывода в космос зеркала диаметром 10 метров на ракете диаметром 3 метра. Сложили, а потом раскрыли антенну как цветок, выдержав требуемую точность раскрытой поверхности в 1 миллиметр. Телескоп запущен в июле 2011 года.

— И каковы результаты помимо открытия нового эффекта рассеяния?

— Мы исследовали далекие активные галактики — квазары, пульсары в нашей Галактике, наблюдали центр нашей Галактики, изучали облака водяного пара и многое другое. Один из важнейших результатов связан с открытием экстремальной яркости квазаров (особых источников, которые выглядят как звезда, но по сути являются ядрами далеких галактик.— «О»). Полвека держалось важное теоретическое предсказание, что квазары не могут быть ярче некоего предела. Проверить это с помощью телескопов с Земли не было никакой возможности, и научное сообщество ждало результатов «Радиоастрона». Мы увидели квазары на «Радиоастроне» в большом количестве, и они оказались экстремально яркими, раз в 10, если не в 100, сильнее самых оптимистичных ожиданий. Теперь ученым предстоит разобраться, почему так происходит.

— Следующий российский научный проект таких масштабов — космическая обсерватория «Миллиметрон», запуск которой намечен на 2029 год. Каковы задачи?

— «Миллиметрон» должен сделать то, что по объективным причинам не удалось «Радиоастрону». Например, разглядеть черную дыру в центре нашей Галактики. Он будет изучать структуру квазаров и их черные дыры. Оптимисты уверены, что с его помощью обнаружатся кротовые норы. Если будет реализовано очень хорошее угловое разрешение и чувствительность, мы сможем увидеть через кротовую нору — как через линзу — либо другую Вселенную, либо другую часть нашей Вселенной, если кротовые норы существуют. Кроме того, «Миллиметрон» будет работать и как одиночное зеркало, исследуя пыль во Вселенной, решать космологические задачи, даже заниматься поиском жизни.

Верхом на материке

— Радиоастрономия — самая прикладная из всех фундаментальных наук. Ее бурное развитие началось после Второй мировой, когда стали осваивать технологии, связанные с радиолокаторами. Что изобретено с тех пор?

— Именно радиоастрономам, точнее, их инженерам мы обязаны появлением Wi-Fi. В середине 1990-х инженер Вик Хейз обслуживал телескоп, построенный в Нидерландах, а так как там постоянно идут дожди, он не хотел выходить на улицу, чтобы переносить данные с телескопа. И реализовал первую версию Wi-Fi, которая позволила оставаться в тепле. Потом Хейз уехал в Австралию, где доработал технологию, используя радиоастрономические подходы.

— Чаще, мне кажется, вспоминают про системы навигации.

— Это следующий шаг после точного измерения координат телескопов при решении обратной задачи при использовании далеких квазаров как реперы. После этого можно с потрясающей точностью измерять параметры вращения Земли. А именно: куда направлена ось вращения планеты, какова истинная длительность земных суток? Нужно это все для того, чтобы GPS и ГЛОНАСС давали максимальную точность позиционирования устройств для огромного количества потребителей, от мобильных телефонов и авиатранспорта до ракетных войск. Не случайно такими вещами в США занимаются специальная военно-морская обсерватория и NASA. У нас в стране измеряет координаты телескопов, определяет параметры вращения Земли и обслуживает ГЛОНАСС замечательный Институт прикладной астрономии РАН. Более того, этим методом можно также изучать тектонику плит на Земле.

— Ученые, занятые столь важными геофизическими измерениями, свободны ли в общениях с коллегами?

— Ученые, которые занимаются фундаментальной наукой, в подавляющем большинстве случаев не имеют допуска к секретным работам. Правда, в последние годы появились тревожные случаи, когда под суд или под следствие попадали ученые, которые занимаются исключительно открытыми тематиками.

Что касается нас, то мы, если не считать ситуации с пандемией, никаких ограничений не ощущаем. Я, например, не так давно был в командировке в НАСА, проводил научный семинар. Там тоже свои требования к секретности: формально тебя должны всюду сопровождать. Так что в целом пока ситуация нормальная, но, если пойдем по пути закрытия науки, это неизбежно приведет к жесточайшему отставанию.

— Вы успели пожить в США, ФРГ и объездили полмира, работали на самых разных радиотелескопах. Какие из них вам запомнились?

— Один из самых необычных телескопов, который участвовал в «Радиоастроне», находится в местечке Вентспилс в Латвии. Раньше это был телескоп Главного разведывательного управления (ГРУ) СССР. Когда в 1990-е ГРУ уходило из Латвии, были вопросы о том, как телескоп консервировать. А самым простым и дешевым способом всегда была «консервация методом взрыва». Ученые обратились с просьбой оставить его науке. В итоге так и сделали. Перед уходом сотрудники ГРУ, естественно, уничтожили в нем всю электронику, вырезали провода и так далее, но сам телескоп сохранился. Неимоверными усилиями латышских коллег его ввели в строй и теперь он прекрасно работает.

Энергичный пришелец

— В начале этого года ваша научная группа выступила с громким научным заявлением по поводу обнаружения «родины» нейтрино. Почему эта тема столь актуальна?

— Нейтрино — это, как известно, элементарная частица, которая практически ни с чем не взаимодействует. Она может легко и непринужденно путешествовать по Вселенной. В том числе через нас с вами. Каждую секунду через человека пролетает триллион таких частиц, испущенных Солнцем. Сегодня нейтрино — чрезвычайно популярная тема, потому что с помощью него можно получить принципиально важную научную информацию, которую невозможно извлечь никаким другим способом.

Нейтрино бывают разные, я расскажу о тех, которые обладают сверхвысокими энергиями. Родиться они могут только с помощью протона, летящего практически со скоростью света. Что же разгоняет массивные протоны в космосе до таких скоростей? Что представляют собой эти вселенские ускорители? Над ответом ученые ломали голову последнее десятилетие.

Изучать нейтрино непросто: как поймать то, что ни с чем не взаимодействует? Для их поимки было построено несколько телескопов, один из них — IceCube — установлен американцами на Южном полюсе. Там в качестве детектора используется огромный куб льда. Ребята ловят нейтрино уже 10 лет и за это время засекли всего 100 нейтрино сверхвысоких энергий. Чтобы понять, откуда они к нам прилетели, наша научная группа выступила с нетривиальной идеей: сравнить результаты работы телескопа Ice Cube с квазарами, которые астрономы видят в радиодиапазоне. Оказалось, что в тех местах, откуда к нам приходят сверхэнергичные нейтрино, квазары ярче. Более того, данные российского телескопа РАТАН-600 показали вспышки радиоизлучения от квазаров как раз в те моменты, когда регистрировались нейтрино. Так мы подтвердили гипотезу, что нейтрино рождаются в недрах квазаров.

— А почему вы использовали данные IceCube, а не нашего телескопа на Байкале?

— Мы с огромным нетерпением ждем, когда телескоп Baikal-GVD будет введен в эксплуатацию в полном объеме. Вот-вот это случится. Дело в том, что на Байкале гирлянды детекторов находятся прямо в озере. Там можно более точно определять направление, откуда пришло нейтрино: вода работает лучше, чем лед. Кроме того, Baikal-GVD и IceCube будут перекрывать все небо, что, конечно, улучшит общий результат.

— Недавно ученые призвали всех желающих принять участие в анализе данных крупнейшего радиотелескопа LOFAR. Это распространенная практика?

— Мне кажется, что для науки такой подход неэффективен. Неужели у таких мегасайнс-проектов, как ЦЕРН или LOFAR, нет денег на необходимые суперкомпьютеры? Другое дело, что здесь, возможно, речь идет о хорошем пиаре. Представляете, когда человек ощущает, что участвует в открытии бозона Хиггса? Это потрясающее чувство! С другой стороны, я знаю несколько еще более интересных идей. Один из них связан как раз с поимкой каждым желающим космических частиц с помощью мобильников. Когда они прилетают к нам, то в атмосфере врезаются в другие частицы и при этом порождают вспышки, которые обычным глазом не видны, а вот с помощью камер наших сотовых есть шанс увидеть. Установив определенную программу на наши гаджеты, можно использовать их как научный прибор. Вот это было бы прекрасным шагом по популяризации науки для пользы делу…

Беседовала Елена Кудрявцева

Солнце на глазах становится важнейшим объектом изучения для земной науки. Впервые зонды пролетели так близко, чтобы сфотографировать корону нашей звезды, математики моделируют процессы внутри нее, в России строят мощный комплекс по изучению его влияния на нашу планету. А что мы знаем о Солнце сегодня? Достаточно ли, чтобы защитить себя от вступления Солнца в активную фазу? Во сколько вообще экономике обходятся солнечные вспышки? И, наконец, зачем ученые кипятят небо у нас над головами с помощью сверхмощных антенн? Обо всем этом «Огонек» поговорил с директором Института солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН, членом-корреспондентом РАН Андреем Медведевым.

— Андрей Всеволодович, в последние годы появилось так много серьезных космических миссий по изучению Солнца, что невольно начинаешь подозревать что-то неладное. Только США запланировали целых пять…

— К Солнцу сейчас действительно повышенное внимание — одновременно осуществляется много интересных космических миссий. Например, Solar Orbiter впервые исследует полюса Солнца с максимально близкого расстояния. Интерес в целом понятен: ближний космос в последние годы осваивается как никогда активно, а с деятельностью Солнца связана работа огромного количества аппаратуры в космосе — систем связи, навигации, спутников мониторинга... От того, сможем ли мы достоверно предсказывать активность Солнца, зависит также развитие космонавтики и межпланетных перелетов.

Речь, впрочем, не только о космической деятельности. Еще в XIX веке, напомню, состоялась так называемая буря Каррингтона — из-за мощной солнечной вспышки на сотнях километров пропадала связь, выходили из строя телеграфные линии и аппараты, самих телеграфистов иной раз било током. С тех пор вспышек такой мощности у нас не было.

— А если такое произойдет сейчас? Можете предсказать последствия?

— Огромный поток частиц в первую очередь повредит космические аппараты в ближнем космосе, причем самым серьезным образом. Следом пострадает коротковолновая связь по всей Земле. Затем нарушится глобальное позиционирование, которое сейчас осуществляется при помощи навигационных спутниковых систем, таких как GPS, ГЛОНАСС и аналогичных структур в КНР.

На поверхности Земли пострадают все протяженные технологические системы — телеграф, энергетические службы и трубопроводы. Известно, что во время мартовской бури 1989-го в Квебеке (она была в разы слабее каррингтоновской) наступил так называемый блэкаут на территории Канады: наведенные токи вызвали выгорание трансформаторов, так что из строя вышла значительная часть энергосистемы страны. А в октябре 2003-го мощная «хэллоуинская» вспышка на Солнце повредила ряд спутников, вызвала перебои в телефонной и мобильной связи.

Помимо Канады это север Америки, север Европы и Россия с ее протяженным арктическим побережьем, которое сейчас интенсивно осваивается. Научное сообщество все это осознает, поэтому в США и Китае работают целые комитеты, которые курируют весь комплекс работ по изучению и мониторингу Солнца. Они также работают по комплексным проблемам прогноза и предотвращения катастрофических событий, связанных с возмущениями на Солнце.

— Учитывая актуальность темы, досадно, что в космосе нет работающих российских солнечных миссий.

— Да, мы серьезно отстаем и, безусловно, нуждаемся в создании космических аппаратов для работы вблизи Солнца. Сегодня, правда, есть точка зрения, что в науке должно быть разделение труда по странам. Но это, на мой взгляд, не снимает вопроса: есть страны, в том числе Россия, которые по своему положению в мире просто обязаны заниматься всем перечнем передовых научных проблем.

Восемь с половиной минут

— Взглянем с другой стороны. А что дает предсказание солнечной бури, если мы не можем ее предотвратить?

— Можно предотвратить последствия. К счастью, природа нам дает интервал времени в 8 с половиной минут: столько идет до Земли электромагнитное излучение от Солнца. И, что даже более важно, у нас есть еще время от полусуток до двух с половиной суток — столько доходит до нас в зависимости от скорости и мощности вспышки на Солнце само вещество, которое возмущает геомагнитное поле.

А вот за это время мы уже можем, к примеру, застраховать линии электропередачи, переключившись на вспомогательные источники электроэнергии. Можем перевести в состояние сна спутники. Перекинуть воздушные суда на резервные каналы связи, которые менее подвержены воздействию. А еще в таком прогнозе остро нуждаются специалисты, работающие на современных радарах и локаторах. Ведь во время солнечной вспышки можно увидеть ложные отметки о целях, и если принять помехи за вражеские объекты, которые вас атакуют, это может стать причиной катастрофы.

— Всерьез страдают только технические системы? Или людям тоже важно получать эти предупреждения?

— Последствия солнечных вспышек непосредственно влияют на пилотов дальней авиации при трансполярных перелетах. Понятно, как выгодно использовать полярную область для сокращения перелета, скажем, из Западного полушария в Восточное, когда летишь из РФ в Японию или США. Но на этой трассе серьезные технические трудности неизбежны: линии магнитного поля здесь образуют воронку, через которую солнечное вещество практически беспрепятственно доходит до поверхности Земли. То есть процессы высыпания высокоэнергетических частиц (речь о радиации.— «О») здесь куда более интенсивные. Если не учитывать прогнозы солнечной активности, то за один полет можно получить уровень радиации, который обычно пилот накапливает за всю профессиональную жизнь.

— А такая служба прогноза где-то работает? Могут сегодня отменить полет по прогнозу активности Солнца?

— Мы еще не вышли на уровень уверенного прогноза таких событий, чтобы выдавать предупреждение об отмене полетов. Но к тому идет. Для этого важно понимать, как устроены солнечно-земные связи, как представляет сегодня наука всю физическую цепочку процессов между Солнцем и поверхностью Земли.

— И как она ее видит?

— Пока это еще уравнение со многими неизвестными. Мы знаем, что процессы на Солнце не регулярны, но они имеют некие закономерности, которые во многом от нас ускользают.

Связь между Солнцем и Землей осуществляется через межпланетное космическое пространство, которое тоже контролирует Солнце, от него зависит плотность потока частиц — нейтронов, протонов, электронов и нейтрино.

«Общаются» Солнце и Земля и в пограничной сфере — в магнитной оболочке Земли. Долгое время, вплоть до ХХ века, ученые представляли, что Земля имеет магнитное поле простой конфигурации, в форме двух полусфер вокруг магнитного стержня, как рисуют в учебниках. Но в середине XX века стало понятно: мы живем в постоянном потоке солнечного вещества, которое обдувает Землю как ветер и серьезно деформирует ее магнитное поле: со стороны Солнца оно прижато потоком, а с ночной стороны — сильно вытянуто. При этом конфигурация нашего магнитного поля постоянно меняется — под порывами солнечного ветра оно трепещет, как аэродромная «колбаса», которая показывает направление ветра. Скажем, когда частицы солнечного ветра возмущают магнитное поле Земли, там индуцируются электрические токи, происходит высыпание частиц и это влияет сначала на космические аппараты и на космонавтов, а затем на ионосферу — верхнюю часть атмосферы.

— Именно благодаря ионосфере у нас есть современная связь?

— Да, начиная с работы первых радиоаппаратов стало понятно, что волны определенного диапазона вовсе не излучаются в космос, а распространяются вокруг Земли, огибая ее. Было высказано предположение, что в верхних слоях атмосферы Земли существует некий ионизированный слой, который отражает волны. Благодаря этому слою мы можем иметь связь с очень удаленными объектами, вплоть до кругоземной связи.

Так вот. Оказалось, что эту самую ионизацию обеспечивает солнечное излучение. Но поскольку оно не постоянно, то и связь в некотором диапазоне может быть неустойчивой. Стало ясно: если мы хотим осуществлять связь на большие расстояния, нужно в первую очередь изучать Солнце.

— Вы упомянули космонавтов. А как они спасаются от порывов солнечного ветра? Ведь Солнце может выбросить массу вещества порядка 10 млрд тонн.

— На обитаемых космических аппаратах есть камеры с повышенной защитой от солнечного излучения. В них укрываются, когда предполагается выброс солнечного вещества. Но понятно, что все время там проводить нельзя, а обеспечить такой защитой весь корабль не получится — он будет слишком тяжелым. Но до начала длительных космических миссий эту задачу нужно решить.

Выследить пятно

— Мы все время говорим о вспышках и пятнах. Можно пояснить, что это с физической точки зрения?

— Нужно понимать: в космосе нет спокойных или умерших объектов, все обладают какой-то активностью. Солнце — объект очень активный. Для него характерен 22-летний цикл, во время которого происходят так называемые переполюсовки, когда северный и южный магнитные полюса полностью меняются местами. При этом изменяется и конфигурация магнитного поля Солнца, вплоть до того, что в какой-то момент оно похоже на скрученный жгут, бублик, который располагается в экваториальной плоскости. Затем оно снова распределяется между полюсами. Эти процессы сопровождаются серьезной перестройкой магнитных полей Солнца.

Вспышки и пятна напрямую связаны с этой динамикой магнитного поля. Там, где магнитное поле слабеет, оно плохо сдерживает солнечную плазму и в какой-то момент она прорывается — мы видим вспышку, которая сопровождается выбросом вещества и электромагнитным излучением в очень широком диапазоне.

— А исходя из чего тогда делается прогноз сегодня?

— Ученые наблюдают за появлением новых пятен. У Солнца период обращения вокруг своей оси — порядка 27 дней. Иногда пятно отрабатывает свой цикл и выбрасывает вещество, когда Солнце смотрит в противоположную сторону от Земли, тогда мы на какое-то время успокаиваемся. Если этого не происходит — ждем выброса.

— Насколько большими могут быть пятна на Солнце и как долго они живут?

— Они могут быть просто огромными и занимать до 10 процентов поверхности. Кроме того, чаще всего пятно не одно, а целая группа пятен. Вообще, за период наблюдений самое большое количество пятен на Солнце было на рубеже 1950–1960-х годов. С тех пор их становится меньше, но это не означает, что вероятность мощных вспышек падает: катастрофические события на Солнце возможны и в слабые циклы. Достаточно высокие циклы активности, в которые наблюдалось много пятен, были в 2001-м и 2003-м. Сегодня же мы живем в цикле с очень небольшим количеством пятен.

— Существует теория, что пониженная солнечная активность связана с похолоданием, в частности с малым ледниковым периодом в XVI веке. Подтверждается ли это?

— Крайне интересный вопрос. Малый ледниковый период в XVI–XVII веках действительно сопровождался продолжительным периодом очень низких температур на всей поверхности Земли и затяжным периодом низкой солнечной активности.

Чаще всего в климатологии нынешние процессы изменения климата связывают с антропогенной деятельностью. В этом есть серьезный резон, но очевидно, что это не единственный фактор воздействия. По точным наблюдениям, в том числе и палеоклиматическим, мы знаем, что серьезные циклы потепления и похолодания имели место. Причем циклы потепления были достаточно узкие, а циклы похолодания — продолжительные. Сейчас, конечно, антропогенный фактор присутствует, но мы и так находимся в рамках цикличности потепления. Возможно, природные циклы сработают так, что антропогенный фактор станет несущественным и мы вполне можем оказаться в ближайшее время в цикле похолодания, которого не ожидаем.

— А Солнце сейчас выходит из цикла минимальной активности?

— Да, Солнышко пробуждается, на нем изредка начинают появляться пятна.

— Только этого не хватало сейчас во время?пандемии…

— А от этого никуда не деться: от одного пика солнечной активности до другого примерно 11 лет. По этому поводу точно не нужно расстраиваться.

Вооруженным взглядом

— Институт солнечно-земной физики в Иркутске, которым вы руководите, десятилетиями вел фундаментальные исследования, но не так давно приступил и к прикладным — занялся составлением прогнозов. Какие технические средства вам понадобились для этого?

— В России наш институт — лидер по наземным экспериментальным наблюдениям всех факторов космической погоды. Поэтому речь об очень широком спектре приборов: крупные оптические телескопы, радиотелескопы, радары и оптические наземные устройства, которые изучают собственное свечение атмосферы. Расположены они на обширной территории: от крупной обсерватории рядом с заполярным Норильском до обсерватории в горах рядом с Монголией. Плюс накоплен огромный опыт экспериментально-фундаментальных исследований в области солнечно-земной физики. Это позволяет развернуть на базе нашего института крупный проект наблюдательных средств нового поколения. Работы в этом направлении сейчас объединены в Национальный гелиогеофизический комплекс РАН.

— Говорят, ничего более грандиозного у нас не строили уже полвека. Какие самые интересные инструменты входят в комплекс?

— Будет построено семь уникальных объектов: в Бурятии радиогелиограф в Тункинской долине, набор оптических инструментов у села Торы, лидар (лазер, работающий по принципу радара), комплекс радаров на озере Байкал, крупный солнечный телескоп на территории Саянской солнечной обсерватории. Нагревной стенд (оборудование для проведения испытаний.— «О») под Ангарском и Центр обработки данных в Иркутске.

— В 1960-е в СССР появилась служба Солнца, это будет что-то похожее?

— У службы Солнца была конкретная задача: обеспечивать постоянный мониторинг Солнца от восточных до западных границ страны. Гелиофизический комплекс заменить ее не сможет, так как он обеспечивает наблюдение в одной точке, но зато очень крупными инструментами. Мы наблюдаем такие структуры, которые недоступны ни одной службе. Таких установок не может быть много, их может быть несколько на всей Земле.

— В каком состоянии проект сегодня?

— В Бурятии строится уникальный радиогелиограф, планируем запустить его в следующем году. Он будет делать томографию короны Солнца и изучать ее более высокие и более низкие слои. Другой крупный объект — солнечный телескоп с диаметром зеркала 3 метра — будет построен на границе с Монголией, сейчас заканчиваем проектирование. Он сможет изучать поверхность Солнца с высочайшим временным и пространственным разрешением, недоступным до сих пор наземным инструментам.

— Кто же построит такое зеркало? Это же инженерное чудо.

— Планируем, что само зеркало будет производиться в России. Подобный опыт есть у подмосковного Лыткаринского завода оптического стекла, где сегодня выпускается примерно треть всего мирового рынка крупногабаритной оптики. Они изготовили зеркала для крупнейших телескопов — сети телескопов LGOGT, второго по размеру в Азии тайского телескопа TNT, обзорных телескопов VST и VISTA.

В состав комплекса войдет и один из лучших в мире направленных радаров, с помощью которого можно будет исследовать отклик на солнечное воздействие на высотах от 10 до более 1000 километров. Это важно, потому что средняя и высокая атмосфера — очень разные физические объекты и перекрыть весь этот диапазон одним радиофизическим устройством крайне трудно. Мы нашли уникальное технологическое решение вместе со специалистами Радиотехнического института им. Минца. У них есть опыт создания крупных радиолокационных станций, в том числе новейших радаров для предупреждения о ракетном нападении. На основе этих моделей, только, конечно, совсем с другими конфигурациями, будет создаваться новый радар НР-МРС (некогерентный радар «мезосфера — стратосфера — тропосфера») для фундаментальных исследований. Работа стала возможна, так как у нас в институте много лет эксплуатируется бывший военный радар, мы хорошо понимаем достоинства и недостатки такого оборудования и знаем, что нужно для решения нового класса задач.

— А как военный радар появился в вашем институте?

— В СССР система предупреждения о ракетном нападении создавалась с 1960-х годов на базе крупных и очень мощных радиолокационных станций. В конце 1980-х ряд этих станций начали выводить из состава Вооруженных сил. Когда речь зашла об установке в наших краях, академик Гелий Жеребцов, который 30 лет руководил нашим институтом, предложил передать ее ученым. Мы приняли станцию на баланс в начале 1990-х, в очень тяжелое время, сегодня это единственный в РФ (и один из десяти в мире) радаров некогерентного рассеивания подобного рода. Он занимается диагностикой ближнего космоса и верхней атмосферы. Чтобы вы поняли, о чем речь: с помощью этого радара можно «разглядеть» пятирублевую монету на расстоянии 200 километров, а куски космического мусора видны и за 1000 километров. Чрезвычайно важным будет исследование специальными оптическими средствами узкой области на высоте 80–100 километров, где фактически молчат все радиоволны. Чтобы исследовать волновые процессы, здесь мы будем использовать лидар.

— Когда должен быть завершен проект?

— Первые два объекта будут завершены в 2021-м, конечный срок ввода в эксплуатацию — 2028–2029 годы. Проблема в том, что в целом Национальной гелиогеофизический комплекс настолько сложен, что мы сейчас пытаемся понять, в какой организационной структуре он может существовать. Мы ведь планируем привлечь около 500 специалистов, в том числе из-за рубежа.

Вскипятить небо

— Одна из частей нового геофизического комплекса — установка для нагрева ионосферы. Ее иногда сравнивают с американским комплексом HAARP на Аляске, о котором так любят вспоминать, когда говорят о климатическом оружии.

— Речь идет о коротковолновом нагреве ионосферной плазмы. Наш нагревной стенд является аналогом известной установки HAARP на Аляске, но будет иметь свою специфику. Эта крайне интересная установка позволяет ставить лабораторные эксперименты над природной средой. То есть мы с помощью антенн радаров создаем очень мощное, точечное, контролируемое и хорошо дозированное воздействие на природную среду, а потом следим за реакцией с помощью всего арсенала диагностических средств.

— Ученые гигантским лучом разогреют небо?

— Давайте поясним, что такое нагревной стенд. Мы говорили, что существует диапазон длинных волн радиоизлучения, которые отражаются от ионосферы,— так выглядит нормальный процесс связи. А когда плотность энергии в этом излучении превосходит некий уровень, то внутри плазмы начинаются процессы разогрева и проявляется настоящий зоопарк разнообразных процессов, который очень интересно изучать. И чем больше установок вокруг, чтобы эти процессы фиксировать, тем лучше. Такие эксперименты весьма важны, потому что ионосфера защищает нас от?массы неприятностей, связанных с солнечными выбросами, и нам необходимо понимать, грубо говоря,?сколько она сможет выдержать.

— Какой объем ионосферы при этом нагревается?

— Объем гигантский: речь идет о десятках тысяч кубических километров на высоте от 150 до 400 километров. Хотя в глобальном смысле мы нагреваем очень локальный участок. А для наземного наблюдателя участок неба, куда направлено повышенное радиоизлучение, просто по-другому светится.

— Кто первым придумал такие эксперименты и откуда разговоры о климатическом оружии?

— Можем с гордостью сказать: пионеры — советские ученые. Один из первых инструментов — под Нижним Новгородом на реке Суре, там проходят интересные эксперименты, хотя сама установка нуждается в глубокой модернизации. А вообще, сегодня нагревными экспериментами очень серьезно занимаются в США, отлично работает стенд Arecibo в?Пуэрто-Рико, есть сложная норвежская установка EISCAT на Шпицбергене. Серьезно к вопросам создания таких центров относится и Китай.

Что касается вопроса о климатическом оружии, то теперь мы вряд ли поймем, откуда пошли подобные разговоры. На мой взгляд, такие установки с большой долей вероятности к климатическому оружию не относятся. Трудно представить себе физические механизмы, которые позволили бы осуществить что-то подобное: атмосфера, где мы летаем на самолетах и к которой мы с вами привыкли, очень плотная среда по сравнению с той, что находится выше. Плотность ионосферы ничтожна, поэтому очень сложно представить, что, изменяя среду с крайне низкой плотностью, можно воздействовать на среду с высокой плотностью.

— Вы не раз упомянули китайских коллег. В институте именно с ними хорошо налажено сотрудничество?

— Географически Китай нам ближе, и с ними проще общаться. Но это не главное. Главное, что комплекс задач солнечно-земной физики невозможно решать только в одной точке, нам нужны данные в меридиональном и в широтном разрезе. К тому же в Китае сегодня просто феерические успехи в развитии экспериментальной и наблюдательной базы. У них лучшее в мире покрытие современными оптическими средствами наблюдения той самой узкой области, где не работают радиоволны.

— Ваш институт в 2009-м зафиксировал столкновение искусственных спутников Земли в космосе — американского «Иридиума» и выведенного из эксплуатации «Космоса-2251». Реально ли предотвращать такие события?

— Мы можем отслеживать траектории объектов, опасных для действующих спутников, и предупреждать о возможных столкновениях. Это существенно, так как практически у всех объектов, за безопасностью которых мы следим, есть возможность для маневрирования. Но если, конечно, мусор возник внезапно, в результате какого-то взрыва, то тут мы мало что можем.

— Это как у китайцев, когда взорвался спутник?

— Они сами взорвали его ракетой, чтобы показать свои возможности. В итоге образовалось огромное облако осколков на высотах 800–900 километров.

— Мы начали с того, что наука сегодня помогает защищать все разрастающуюся техносферу, но, возможно, пора скорректировать этот рост?

— Проблема, которая касается непосредственно запуска спутников, давно обсуждается, с нашей стороны в этом участвуют специалисты Роскосмоса и МИДа. Полагаю, в скором времени должно быть заключено международное соглашение по квотам на запуски спутников. Ясно ведь, что прежняя свободная и вольготная деятельность в космосе достигла предела…

Беседовала Елена Кудрявцева