Казалось бы, лазеры, искусственный интеллект, суперкомпьютеры и фундаментальная физика – это темы из области научной фантастики, однако именно этим занимаются молодые ученые. Журнал Naked Science пообщался с ними, чтобы выяснить, что послужило причиной выбора такой профессиональной деятельности, какие направления исследований они ведут и когда станет возможным создание светового меча, как в фильме «Звездные войны».
Саров – это небольшой город, расположенный в Нижегородской области, в четырехстах километрах от Москвы. На протяжении более семидесяти лет на его закрытой территории функционирует Российский федеральный ядерный центр – Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ). В прошлом году был открыт новый филиал МГУ и началось строительство Национального центра математики и физики (НЦФМ). Здесь расположены современные корпуса, оснащенные лабораториями, а также миди- и мегасайенс-установки (находящиеся в процессе сборки). Главное, что привлекает – это большое количество молодых и талантливых ученых. Таким образом, закрытый ядерный центр Саров постепенно трансформируется в открытый научный «город будущего».
Современные направления науки неизбежно связаны с высокими технологиями, охватывающие такие области, как физика частиц, релятивистская плазма, разработка мощных лазеров и создание суперкомпьютеров. Для их развития необходима сильная теоретическая основа, подкрепленная опытом экспериментальной работы и практическим применением. В саровском филиале МГУ молодые исследователи получают знания от академиков РАН, профессоров МГУ и ведущих международных специалистов.
В МГУ Саров реализуются шесть магистерских программ в рамках трех направлений подготовки:
— по физике (03.04.02): теоретическая физика, лазерная нелинейная оптика и фотоника, а также физика экстремальных электромагнитных полей, релятивистская плазма и аттосекундная физика;
— вычислительные методы и методология моделирования в области «прикладная математика и информатика» (01.04.02);
— суперкомпьютерные технологии и фундаментальная информатика являются ключевыми компонентами направления «фундаментальная информатика и информационные технологии» (02.04.02).
Naked Science поговорил с магистрантами со всех программ о том, какие темы они изучают, отдают ли предпочтение теории или практике и какие у них планы на будущее.
От частиц до Вселенной
«Хороший теоретик должен постоянно учиться, пока жив», – так считает Максим Вялков, студент второго курса и выпускник физфака МГУ. Курс «теоретическая физика» предназначен для того, чтобы предоставить глубокие знания о базовых взаимодействиях элементарных частиц и смежных дисциплинах, таких как астрофизика, теоретическая ядерная физика, гидродинамика, физическая кинетика и изучение экстремальных процессов.
Выбор узкой специализации остается за молодыми исследователями. «Учебные программы организованы таким образом, что включают обязательные дисциплины и обширный перечень курсов по выбору, — делится опытом первокурсник магистратуры Михаил Косарев, выпускник Обнинского института атомной энергетики. — Так, в течение этого семестра у нас была возможность изучать физику нейтрино, гидродинамику и нейтронную физику. Мы получаем представление об основных разделах и текущем состоянии исследований в этих областях».
Михаил отметил, что в рамках всех курсов предусмотрено практическое применение полученных знаний. Выбор темы исследования определяется личными интересами студента. «Я интересуюсь ядерной физикой, — поясняет Михаил. — Для участия в будущих экспериментах я сейчас изучаю оптическую модель ядерных реакций. Она эффективно описывает упругие столкновения ядер среднего и тяжелого типа, но не подходит для легких ядер. Мы планируем внести в модель изменения, такие как учет резонансов, и использовать ее для анализа результатов эксперимента. Это позволит нам продемонстрировать возможность расчета более точных значений».
Максим Вялков проводит исследования нейтрино в научной группе под руководством российского физика-теоретика Александра Ивановича Студеникина. Его работа связана с проектом НЦФМ, целью которого является изучение магнитного момента этих трудноуловимых частиц, а также с изучением физики жидкого гелия.
Максим, отвечая на вопрос о составе темной материи, отметил: «Она состоит из вещества, которое не обнаруживается при использовании светового излучения. Существует множество различных гипотез, и мои коллеги ведут активные исследования в этой области. Я уверен, что нам необходимо переосмыслить наше представление о мироустройстве».
Михаил задался более приземленным вопросом о перспективах создания черной дыры в лабораторных условиях: «Интересно, что совсем недавно у нас был семинар от Василия Петровича Незнамова, посвященный квантовым черным дырам. Он отметил, что черные дыры потенциально могут возникать в процессе ядерных реакций, протекающих при высоких энергиях. Это пока лишь предположение, но оно вызвало у меня интерес — я хотел бы в будущем углубиться в эту тему. Черная дыра в лаборатории – это захватывающе! Однако, к сожалению (или к счастью), на данный момент в экспериментах не удавалось создать объекты столь малого размера».
Оба молодых исследователя намерены продолжить научную работу в аспирантуре МГУ Саров, а затем — в Национальном центре физических методов исследования или Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики.
Знания — в свете
В рамках образовательной программы по лазерной нелинейной оптике и фотонике исследуются основные свойства и характеристики вещества с использованием когерентного излучения. В учебном процессе теория сочетается с практикой: студенты осваивают управление светом и учатся создавать системы, которые способны генерировать, усиливать и принимать оптические сигналы. Также они изучают разработку материалов и технологий для хранения и передачи данных с использованием фотонов.
На первый взгляд, эти исследования могут показаться оторванными от обыденности. «Мы постоянно имеем дело с оптикой, но при этом редко об этом размышляем. Простейший пример – коррекция зрения с помощью очков или объективы в фотоаппаратах», – рассказывает Диана Шулбаева, студентка первого курса МГУ имени Ломоносова в Сарове и выпускница Новосибирского государственного технического университета.
Наиболее ощутимым итогом проведенных исследований стала разработка оптоволоконной связи, обеспечивающей высокоскоростной доступ в интернет. Более чем треть мирового объема производства осуществляется с применением фотонных технологий.
«Как и я, многие студенты перешли на это направление с других специальностей, и в начале обучения мы уделяем больше внимания теории, поскольку она необходима для проведения экспериментов, — делится Диана, обладательница степени бакалавра в области электроники и наноэлектронике. — Учебный план включает как теоретические лекции, так и практические занятия. На лабораторных работах мы применяем лазерное излучение, которым управляем с помощью адаптивных оптических систем. Если говорить проще — с помощью рассеивающих линз и различных датчиков».
Диана занимается изучением систем космической связи, на данном этапе преимущественно теоретически. «Ранее лазерные технологии казались мне чем-то вымышленным, взятым из кинофильмов, — говорит она, — но теперь они стали частью действительности».
Диана поделилась своим мнением о возможности создания светового меча из «Звездных войн» в будущем. «Я полагаю, что это вполне реально. Уверен, что специалисты, которые сейчас занимаются разработками в этой области, смогут воплотить эту идею в жизнь!» — сказала она, улыбаясь.
Выпускники бакалавриата из любого высшего учебного заведения России имеют возможность поступить в этот филиал. В МГУ Саров можно попасть двумя путями: обычным – путем сдачи вступительных испытаний, и альтернативным – посредством победы в Универсиаде.
Наш выбор — экстремальные условия
«Пожалуй, можно утверждать, что жизнь на Земле была бы невозможна без электромагнитных волн. Свет – самый очевидный пример такой волны. Без него не было бы ни тепла, ни кислорода, производимого растениями, ни зрения. С плазмой мы регулярно сталкиваемся: молнии, сварочные разряды, неоновые лампы, а также пламя, — рассказывает Владимир Карпов, первокурсник кафедры, название которой, по его мнению, самое сложное: «экстремальные электромагнитные поля, релятивистская плазма и аттосекундная физика». Он поступил в качестве победителя Универсиады.
«По словам Владимира, работа с аттосекундными явлениями представляет собой значительно более сложная задача. Это перспективное направление исследований, связанное с разработкой лазеров, генерирующих импульсы длительностью около десяти аттосекунд или даже меньше. С их помощью предполагается изучать и контролировать процессы, происходящие в атомах и молекулах. Наиболее близкая к этой технологии – оптоволоконный интернет, однако в нем импульсы имеют длительность в десять фемтосекунд, что в тысячу раз превышает аттосекунду».
Обучение по данной программе охватывает три направления: лазерная плазма, физика мощных лазеров и аттосекундная физика. Также рассматриваются смежные области, поскольку многие процессы тесно связаны между собой. «В конечном итоге это один масштабный эксперимент на передовом рубеже науки», – так характеризует программу Владимир. Студенты самостоятельно определяют дальнейшую специализацию, выбирая между теоретическими исследованиями и экспериментальной работой.
«Владимир отмечает, что в качестве основы он выбрал теорию, однако полностью исключить экспериментальную часть не представляется возможным. В настоящее время он проходит практику на строящейся лазерной установке, мощность которой достигает мегаджоульного уровня, и занимается исследованием параметров лазерных импульсов. Сначала он разрабатывает теоретическую модель с численными расчетами, а затем проверяет ее в ходе эксперимента.
Обучение в МГУ Саров с первого курса предоставляет как теоретическую базу, так и практические навыки, которые станут надежным фундаментом для будущей карьеры. «Мне предстоит приобрести ценные практические компетенции, прежде чем я перейду к исследованиям в областях лазерного термоядерного синтеза или лазеро-плазменного ускорения частиц. Я намерен разобраться в магистратуре, какие из этих направлений мне наиболее интересны», — делится своими планами начинающий исследователь.
Что насчет лазерного луча, подобного тому, что есть у Звезды смерти? «Создать лазер такой мощности не представляется возможным. Нельзя бесконечно увеличивать интенсивность излучения, поскольку при определенных значениях может произойти пробой вакуума — явление, которое активно исследуется в аттосекундной физике, — поясняет Владимир. — В результате пробоя вакуума лазерный пучок начинает стремительно терять энергию, и его сила уменьшается. Оптика, генераторы лазерного излучения и другие компоненты оптической системы попросту не смогут выдержать. Единственный выход — использовать множество лазеров, синхронизировать их импульсы и сфокусировать излучение. Таким образом, это превращается в задачу, связанную с определением количества лазеров, необходимых для создания повреждений, аналогичных тем, что показаны в фильме. Однако, в этом случае это уже не будет Звезда смерти, а Рой».
Рассчитать будущее
Для решения нестандартных задач следует обращаться к специалистам направления «прикладная математика и информатика» программы «вычислительные методы и методика моделирования».
«Для упрощения решения некоторых сложных физических и математических задач применяются подобные подходы. В реальной жизни мы сталкиваемся с ними, например, при создании прогнозов погоды и анимации воды в мультфильмах», — объясняет Полина Лашова, студентка второго курса и выпускница филиала Московского гуманитарно-экономического университета в Нижнем Новгороде.
В рамках образовательной программы готовят специалистов, обладающих компетенциями в области вычислительного эксперимента и математического моделирования физических, технологических и природных процессов.
«Сфера применения весьма широка: взаимодействие происходит подобно тому, как воздух обтекает крыло самолета или разные вещества влияют друг на друга. Особое значение имеют инженерные расчеты. Теперь нет необходимости создавать дорогостоящие прототипы, так как их можно смоделировать на компьютере, — отмечает она.
В физических направлениях обучения интеграция теории и практики проявляется в разработке алгоритмов, программной реализации моделей и проведении вычислительных расчетов.
Полина в настоящее время работает над магистерской диссертацией, посвященной подсеточной локализации сильных разрывов в схеме Кабаре. Универсальность схемы Кабаре позволяет применять ее для решения задач в различных средах; в своей работе девушка исследует движение газа в ударной трубе.
Данная программа предназначена для людей, проявляющих большой интерес к математике и физике. А последующая разработана для тех, кто интересуется программированием.
ПО для суперкомпьютера
Для проведения расчетов и моделирования требуются значительные вычислительные ресурсы, в частности, возможности суперкомпьютеров. Установка операционной системы Windows на подобный компьютер была бы нецелесообразной; необходимы специализированное программное обеспечение и квалифицированные специалисты, способные работать с такими системами.
«В настоящее время мы исследуем алгоритмы разработки программного обеспечения для суперкомпьютеров», — делится Диляра Уразова, студентка второго курса. «В последующем семестре предстоит изучение администрирования». Практическую подготовку студенты проходят, в том числе, в РФЯЦ-ВНИИЭФ. Диляра занимается уравнением переноса в Институте теоретической математики и физики.
Задачи, которые решают суперкомпьютеры, продолжают расширяться. Наряду с вычислительным моделированием, всё чаще встречаются задачи анализа больших данных и создание систем искусственного интеллекта. Что касается последнего, Диляра отметила: «Современный уровень развития искусственного интеллекта не имеет ничего общего с разумом». Это указывает на то, что в ближайшее время вероятно появление искусственного интеллекта, полностью соответствующего человеческому.
На территории кампуса проживают все студенты в удобных домиках. В филиале одновременно обучается свыше ста человек, включая аспирантов.
В текущем году было зачислено 50 студентов, а в следующем году планируется увеличить количество мест. МГУ Саров – это динамично развивающийся вуз, обучение в котором предоставит возможность участвовать в крупных проектах Госкорпорации «Росатом» и Национального центра физических методов исследования.
Более детальную информацию об университете и предлагаемых образовательных программах вы найдете на официальном сайте: https://sarov.msu.ru/
Реклама. ЧУ «Центр коммуникаций».